Способ преобразования перемещения в код и устройство для его осуществления

Способ преобразования перемещения в код и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для преобразования линейных или угловых перемещений в цифровой код. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Для этого в известном способе, основанном на формировании оптического излучения, модулировании оптического излучения двумя участками дорожки кодового лимба , суммировании модулированных оптических сигналов, преобразовании их в электрические синусоидальные сигналы, сдвинутых по фазе на 90 + + Щ, где ucf - ошибка сдвига фазы, . и амплитуда которых пропорциональна перемещению кодового лимба, формировании кода точного и грубого отсчетов, сравнивают фазы электрических синусоидальных сигналов и при отличии их от 90 на utp формируют сигнал X, пропорциональный 4tp , формируют два корректирующих сигнала умножением каждого электрического синусоидального сигнала на 1/ /(Х-0,5т), где га - максимальная величина сигнала X, суммируют ампЛитуды электрических синусоидальных сигналов с амплитудой соответствующих корректирующих сигналов. Одновременно в устройство, содержащее излучатель,лимб, оптическую систему из объективов, диафрагму, фотоприемники , два сумматора, два пороговых элемента, блок измерения числа периодов в преобразователь амплитудно-модулированных сигналов в код, введены фазовый компаратор и два блока умножения. При вращении (или перемещении) лимба на выходах фотоприемников формируются сигналы, / амплитуда которых определяется видом растра от сопряжения двух участков кодовой дорожки лимба. Блоком измерения числа периодов и преобразователем амплитудно-модулированных сигналов в код эти сигналы преобразуются в цифровой код грубого и точного отсчетов. Для компенсации погрешности с пороговых элементов сигналы поступают На входы фазового компаратора . Временной интервал между сигналами заполняется импульсами в счетчике, причем импульсы формируются в канале точного отсчета. В блоках умножения эти сигналы перемножаются с соответствующими сигналамисвыхода пороговых элементов. Полученньй корректирующий сигнал подается на вторые входы сумматоров, где они компенсируют погрешность, вызванную несовершенством кодовой дорожки лимба . 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (51) 4 H 03 M 1/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3810516/24-24 (22) 10,10.84 (46) 07,11.86. Бюл. N - 41 (72) Д.П.Пнов и Л.Д.Будрин (53) 681.325(088,8) (16) Патент Великобритании 1 -1245912, к". Й 4 Н, опублик. 1971.

Патент ФРГ N- 2237032, кл. 6 О1 1) 5/3-, опублик. 1974. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕ1ЖЩНИЯ В КОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ—

111ЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для преобразования линейных или угловых перемещений в цифровой код, Целью изобретения является повышение точности преобразования. Для этого в известном способе, основанном на формировании оптического излучения, модулировании оптического излучения двумя участками дорожки кодового лимба, суммировании модулированных oIIтических сигналов, преобразовании их в электрические синусоидальные е сигналы, сдвинутых по фазе на 90 +

+((g где dg — ошибка сдвига фазы, и амплитуда которых пропорциональна перемещению кодового лимба, формировании кода точного и грубого отсчетов, сравнивают фазы электрических синусоидальных сигналов и о при отличии их от 90 íà 6Р формируют сигнал Х, пропорциональный А(, формируют два корректирующих сигнала умножением каждого электрического синусоидального сигнала на 1/

/(Х-О,5m) где m — максимальная величина сигнала Х, суммируют амппитуды электрических синусоидальных сигналов с амплитудой соответствующих корректирующих сигналов. Одновременно в устройство, содержащее излучатель, лимб, оптическую систеМу из объективов, диафрагму, фотоприемники, два сумматора, два поро-. говых элемента, блок измерения числа периодов в преобразователь амплитудно-модулированных сигналов в код, введены фазовый компаратор и, два блока умножения. При вращении (или перемещении) лимба на выходах фотоприемников формируются сигналы, амплитуда которых определяется видом растра от сопряжения двух участков кодовой дорожки лимба. Блоком измерения числа периодов и преобразователем амплитудно-модулированных сигналов в код эти сигналы преобразуются в цифровой код грубого и точного отсчетов, Для компенсации погрешности с пороговых элементов сигналы поступают на входы фазового компаратора. Временной интервал между сигналами заполняется импульсами в счетчике, причем импульсы формируются в канале точного отсчета. В блоках умножения эти сигналы перемножаются с соответствующими сйгналаMH c. выхода пороговых элементов. Полученный корректирующий сигнал подается на вторые входы сумматоров, где они компенсируют погрешность, вызванную несовершенством кодовой дорожки лимба. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1269260

И з»брет!= !!Hå»òносит ся K автоматике и вычислительной технике и предна.:пачь.но для преобразования линейных или угловых положений объектов в цифровой код, Печью изобретения является повышение точности спосооа и устройства.

На фиг, представлена функциональная схема устройства для преобразования перемещения в код, на фиг. 2 — принцип образования муаровой картины и ее обработки; на фиг.3блок-схема блока измерения числа периодон

Устройство содержит излучатель

1, :!èêá „. прел»мляюшее зеркало 3, »птическую систему 4 из объективов

5, преломляющее зеркало 6, диафрагму 7, фотоприемники 8, 9 и 10 пороговые элементы 11 и 12, фазовый компаратор 13, счетчик 14, блоки 15 и !6 умножения, блок 17 измерения числа периодов, преобразователь 18 амплитудно-модулированных сигналов в код. Лимб 2 имеет дорожку 19, а блок 17 измерения числа периодов содержит нуль-органы 20 и

21, инвертор 22, одновибраторы 23 и

24., элементы И-НЕ 25-27, триггер 28, счетчик 29.

Способ преобразования угла поворота вала в код заключается в следующем °

Оптическая система 4, состоящая из объективов 5 и зеркал 3 и 6, проектирует изображение участка кодоной дорожки лимба 2, расположенного над излучателем 1 на диаметрально противоположном участке той же дорожки, вблизи которого расположена диафрагма 7. Лиафрагма 7 представляет из себя два окна определенных размерон, нырезающих два участка муаровой картины. Муаровая картина создается за счет того, что коэффициент увеличения проекционной системы ныбирается несколько больше

Принцип обработки муаровой картины дорожки 19 показан на фиг„ 2, где

30 и 31 — отверстия диафрагмы 7, за которыми размещены фотоприемники 8, 32 — распределение интенсивности снета в плоскости диафрагмы 7, 33 участок штриховой дорожки лимба 2, 34 — иэображение противоположного участка лимба 2.!!ериод ". муаровой картины в плоскости диафрагмь1 7 »пределяется из соотношения где п — число штрихов (номинального размера без увеличения) н периоде; коэффициент увеличения проекционной системы, Для фазоной обработки муаровой картины и получения сигналов, пропорциональных зтпс и сон(р, размеры отверстий 30 и 31 диафрагмы 7 и расстояние L между ними должны выбираться определенным образом, Распределение интенсивности света в муаровой картине имеет вид треугольной пилы и при разложении и ряд Фурье она содержит только нечетные пространственные гармоники, причем амплитуда К-й гармоники затухает

z пропорционально 1/К

Если ширина отверстия 30 или 31 диафрагмы 7 выбирается равной Т /3 (где T — номинальный линейный размер периода муара), то амплитуда

3-й пространственной гармоники на

ЭО фотоприемнике 8 обращается в нуль, так как она усредняется точно на периоде; амплитуды 5-й и более высоких гармоник при этом не превышают

" 0,01 от амплитуды 1-й гармоники.

При перемещении лимба 2 сдвигается вся муаровая картина, причем сдвигу лимба 2 на толщину одного штриха кодовой дорожки соответствует сдвиг муаровой картины точно на

40 период, и эта закономерность не зависит от увеличения и от длины периода Т муара (в см). Таким образом, цена одного периода муара, выраженная через угол поворота лимба 2, ест:ь величина постоянная, определяемая только числом штрихов на дорожке лимба 2. Поэтому в грубом отсчете угла!1, получаемом счетом числа периодон муара, ошибок от изменения периода Т или увеличения не возникает, В то же время фазовая обработка муаровой картины внутри периода, 55 необходимая для точного отсчета угла, при изменении периода Т (или увеличения :) дает ошибки, так как эта обработка производится при фик1269260

20

30

3 Т, Ч = — ((, 2 Т (3) 1; дср О, 0;n(fI (О, сированном расстоянии L между отверстиями 30 и 31 диафрагмы 7.

Причины появления этой ошибки видны из фиг. 2, Если период Т равен точно номинальному значению Т (увеличение 1 равно номинальному значению i ), то с фотоприемников 8 снимаются сигналы и Ч, сдвиг о фаз между которыми равен точно 90 (или 270 ), т.е. эти сигналы в о соответствии с фиг, 2 пропорциональны

U =U since, U =-П coscf", (2) где U, — амплитуда переменной составляющей в интенсивности света, ((!

С помощью сигналов U u U можно точно вычислить фазовый сдвиг о муаровой картины. Методы определе-! Н ния (g no сигналам U u U могут быть различны — то вычисления по формуле ! (( (! (g =arcsin U /U, (с =-arcсcs U /U ) до прямого преобразования сигналов

I ((U u U в величину угла.

Фазовый сдвиг между сигналами ((I

U U равен и его отличие от номинального значения составит

3 Т, acp = — Т (-- -1) . (4)

2 Т

Учитывая зависимость периода Т от

t увеличения i (Т= —.— ) нетрудно onУ ределить, что при i = 1 величина 1 9 может изменяться весьма существенно, даже при незначительном изменении увеличения

Для исключения ошибок в способе и устройстве использован метод фазовой обработки муаровой картины, который позволяет с помощью измеря-! Ц емых сигналов LI и 0 образовать величину, пропорциональную перемещению лимба и инвариантную к увеличению проекционной системы и соответственно к длине периода Т.

Принцип получения этой величины основан на том, что при изменении увеличения системы 4 не изменяется положение элемента изображения, расположенного на оптической оси системы 4.

При перемещении лимба 2 на угол муаровая картина сдвигается, При этом углу поворота < лимба 2 точно соответствует величина 8, выраженная в долях периода Т, т,е, в угловой мере. Зтот факт следует из того что при =О и =0, а при сдвиге кодовых дорожек на один период положение сдвинется тоже на период,независимо от длины периода Т.

Пренебрегая постоянной составляющей, которая может быть учтена один раз, выражение для величины угла 8, в точности пропорционального углу поворота лимба, имеет вид

8 — = 9+ — Ась, (5) где q — отклонение фазового сдвига между сигналами от номиналь о о ного значения 90 или 2?О

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Выходные сигналы с фотоприемни-ков 8, которые выполнены в виде двух площадок, чувствительных к свету и находящихся против отверстий

30 и 31 диафрагмы 7, поступают на сумматоры 9 и 10, а затем на порого- вые элементы Il и 12, После преобразования они поступают на блоки

17 и 18. Выходные сигналы последних

С « (грубый отсчет) и q » (точный отсчет) содержат полную информацию об измеряемом угле и используются для выработки кода, пропорционального углу (Р . Однако сигналы фото— приемников Я содержат фазовую погрешность ЬО . Для компенсации этой погрешности используются фазовый компаратор 13, счетчик 14, блоки 15 и

16. Компенсация фазовой погрешности состоит в том, что в каждом периоде выходного сигнала определяется знак этой погрешности, и в этом же периоде уменьшается на один дискрет ее величина,. Знак фазовой погрешности ь@ определяется фазовым компаратором 13, выходной сигнал которого

Это может быть достигнуто, например, путем сравнения по времени передних фронтов выходных сигналов двух компараторов напряжения, один из которых сравнивает синусный и косинусный сигналы, а второй — си5 l2 нусный сигнал с постоянным уровнем, и последующей логической обработкой результатов этого сравнения, Выходной сигнал с компаратора 13 поступает на информационный вход счетчика 14. Тактовый вход последнего соединен с выходом блока 17, соответствующих числу периодов муаровой картины. Этим достигается обновление информации на выходе счетчика 14 после каждого периода муаровой картины.

Блок 17 измерения числа периодов преобразует входные сигналы следующим образом, С выходов нуль-органов 20 и 21 сигналы, нормированные по амплитуде, поступают на входы элементов 2.2-26.

Однонибраторы 23 и 24 вырабатывают импульсы, открывающие на короткое время элементы И-НЕ 25 и 26. При совпадении полярности сигнала с выхода нуль-органа 21 (или 22) с сигналом одновибратора 23 (или 24) элемент ИНЕ 25 (или 261 открывается. Через элемент И-НЕ 27 импульс поступаетна счетный вход счетчика 29, который его просчитывает и формирует код перемещения лимба 2. Триггер 28 управляет работой счетчика 29. В случае появления на его выходе сигнала логической "1" счетчик ?9 работает

11 11 в режиме сложения, логического 0 в режиме вычитания, Блоки 15 и 16 производят умножение выходного кода счетчика 14 на синусный и косинусный сигналы. Выходные сигналы блоког, 15 и 16 могут быть записаны н следующем виде

Х-О 5тп Х-О 5т

U =sing — --1--- U =соsp — — — ->

ВЫХ 15 111

ЬИ Х1в

69260 же будет ранна +b(1. Тогда выходной сигнал фазового компаратора 13 в первом периоде будет равен единице и счетчик 14 с приходом,тактового импульса увеличит выходной код на один дискрет, Выходные сигналы блоков 15 и 16 при этом будут равны:

sining

ЕЫХ1 созо

ВЫХ i& m 1

1О l5

30 что приведет к уменьшению фазового сдвига выходных сигналов на 1 дискрет, В следующих периодах сигнала фазовый сдвиг будет уменьшаться таким же образом до тех пор, пока его о величина не станет меньше 90, т,е. е О. При этом выходной сигнал фазового компаратора 13 в течение следующего периода будет равен нулю, и счетчик 14 уменьшит выходной код на единицу младшего разряда, что приведет к увеличению фазового сдвига на один дискрет. Таким образом, установится состояние динамического равновесия, когда величина фазового сдвига будет поддержинаться равной о

90 с ошибкой в 1 дискрет. Так как выходные сигналы блоков 15 и 16 ранны между собой по величине, то и изменения фазовых погрешностей для синусной и косинусной составляющих будут одина.коны и равны

2

Поэтому в соответствии с выражением (5) вычисляемая величина фа— зового сдвига муаровой картины ц1„ становится независимой от увеличения проекционной системы и всегда равна (с точностью до единицы младшего разряда) углу поворота лимба 2. где Х вЂ” текущий код счетчика 14;

m — полная емкость счетчика 14.

Если выходной код счетчика 14 45 равен половине его полной емкости (Х=0,5m), то выходные сигналы блоков 15 и 16 равны нулю и в сумматорах 9 и 10 компенсирующие сигналы отсутствуют, Допустим, что при этом 50 фазоная погрешность входных сигналов равна +bp. Такая ситуация может возникнуть, например, после включения питания и принудительной начальной установки счетчика 14..Вниду того, 55 что пороговые элементы 11, и 12 фазу сигналов не меняют, между сигналами

sing 11 cosg фазоная погрешность такФ о р м у л а и =- о б р е т е н и я

1. Способ преобразования перемещения в код, основанный на формировании оптического излучения, одновременном модулировании оптического излучения первым и вторым участками дорожки кодового лимба со штрихами, суммировании модулированных оптических сигналов, преобразовании суммарного оптического сигнала в два электрических синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на о

90 +Щ, где bg — ошибка сдвига фазы, и амплитуда которых пропорциональна перемещению кодового лимба со штрихами, формировании кода точного отсчета, пропорционального перемещению кодового лимба со штрихами в пределах двух соседних штрихов, амплитудном квантовании двух электрических синусоидальных сигналов, формировании кода грубого отсчета, подсчете числа переходов через нулевое значение двух электрических синусоидальных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в нем фазы двух электрических синусоидальных сигналов сраво нивают и при отличии фаз от 90 на и формируют сигнал Х рассогласования, пропорциональный а(, формируют два корректирующих сигнала умножением амплитуды каждого из двух электрических синусоидальных

Х-О 5m сигналов на --- — где тп — макm симальная величина сигнала Х рассогласования, суммируют амплитуды двух электрических синусоидальных сигналов с амплитудами соответствующих корректирующих сигналов.

2. Устройство для преобразования перемещения в код, содержащее излучатель, оптически соединенный через первый участок кодовой дорожки лимба, первое преломляющее зеркало, оптическую систему, второе преломляющее зеркало, второй участок кодовой дорожки лимба и диафрагму с фотоприемниками, два сумматора, два пороговых элемента, преобразователь амплитудно-модулированных сигналов в код, блок изме-. рения числа периодов, о т л и ч а1269260 ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены фазовый компаратор,счетчик, два блока умножения, фотоприемники разнесены между собой вдоль кодовой дорожки на расстояние L=0,75Т где Т, — номинальный линейный размер периода муара растрового сопряжения первого и второго участков ко1О довой дорожки лимба, выходы фотоприемников соединены с первыми входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами соответствующих пороговых элементов, выход первого порогового элемента соединен с первыми входами фазового компаратора, первого блока умножения, преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в код и блока

20 измерения числа периодов, выход второго порогового элемента соединен с вторыми входами блока измерения числа периодов, преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в

25 код, фазового компаратора и с первым входом второго блока умножения, вы— ход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход фазо- . вого компаратора соединен с инфор30 мационным входом счетчика, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход первого блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выходы преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в код и блока измерения числа периодов являются выходами точного и грубого отсчетов устройства, выход

4р блока измерения числа периодов соединен с тактовым входом счетчика.! 269260 ф Оситтирслае снсспрма б

Зсрлап а сарасиа апта. нсиинлн абаптрп уб аба абаиина б блаЮ

Епап изисрсиир чн спа ран араб

Ф,юасаблис эйрнрнпп

Cue T

ЧнИ 2

Составитель И.Котов

Редактор В.Иванова Техред М.Коданич . Корректор E.Рошко

Заказ 6046/58 Тираж 8!б Подписное

ВКИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

))3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 .Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4