Устройство реверсивного счета интерференционных полос

Устройство реверсивного счета интерференционных полос

Реферат

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в лазерных интерферометрах с реверсивным счетом импульсов. Сущность: устройство содержит двухканальный преобразователь изображения полос в электросигналы и блок электронной логики с формирователями выходных сигналов, соединенный с выходом преобразователя. Кроме того, оно снабжено блоком кодирования сигналов преобразователя в сигналы, соответствующие четырем возможным сочетаниям сигналов преобразователя и их циклических последовательностей. При этом указанный блок включен между выходом упомянутого преобразователя и блоком электронной логики. Технический результат: повышение точности и расширение динамического диапазона входных сигналов. 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в лазерных интерферометрах с реверсивным счетом импульсов. Как правило, в таких интерферометрах сигналы интерференции регистрируются по двум каналам, причем фазы сигналов в каждом канале сдвинуты друг отдельно друга на 90°. Это позволяет о помощью логических устройств наряду со счетом числа интерференционных полос, прошедших через регистрирующее устройство, определять направление движения полос (реверсивный счет).

В качестве прототипа взято известное устройство ([1] Фиг.1 Ван Дуйн. Цифровой реверсивный детектор. Электроника, №26, 1970 г.). Устройство состоит из входных формирователей 1, 2, схемы логической обработки 3 и выходных формирователей 4, 5.

Выходы входных формирователей 1, 2 электрически связаны со входами схемы логической обработки 3, выходы которой электрически связаны со входами выходных формирователей 4, 5.

На фиг.2 приведены эпюры сигналов, поясняющие работу прототипа. На вход формирователей поступают сигналы с фотоприемников-датчиков сигналов интерференции S1, S2, формирователи преобразуют синусоидальные сигналы S1, S2 в последовательности прямоугольных импульсов S1-1, S2-1. С выходов формирователей 1, 2 импульсы поступают на схему логической обработки 3. С выходов схемы логической обработки сигналы прямого S3п и реверсивного S3p счета поступают на соответствующие формирователи 4, 5, с выходов которых снимаются импульсы счета (сигналы S3'п, S3'p). Соответствующие эпюры приведены на фиг.2. Схема технической реализации прототипа приведена в [1]. Недостатком прототипа является то, что при наличии помех в схеме прототипа возможно появление ложных импульсов.

Причем источником помех могут являться некоторые элементы схемы. Так, применение на входе схемы в качестве входных фомировователей компараторов даже при незначительных наводках может приводить к появлению ложных срабатываний в моменты времени, близкие к моментам переключения компараторов. На фиг.2 временная зона возможного появления ложных срабатываний компараторов в условиях помех (фиг.2 эпюры S1, S2) условно обозначена пунктирными линиями вблизи фронтов выходных сигналов компараторов (формирователей, фиг.2, эпюры S1-1, S2-1). Ширина этой зоны и вероятность ложных переключений формирователей увеличиваются с увеличением уровня помех. Это так называемый дребезг компараторов. В схеме прототипа возможно также появление ложных счетных импульсов во времена, близкие к моменту изменения направления движения интерференционных полос (реверс счета). На эпюрах S3'п и S3р фиг.2 временная зона возможного появления ложных импульсов условно обозначена пунктиром вокруг момента времени t1 - момента реверса. Возможные ложные импульсы условно показаны на фиг.2 (эпюры S3'п, S3'p) в виде коротких иглообразных импульсов вокруг основных счетных импульсов.

Целью изобретения является увеличение помехозащищенности и расширение динамического диапазона устройства реверсивного счета интерференционных полос.

Эта цель достигается введением в схему прототипа дополнительной логической схемы подавления шумов формирователей.

На фиг.3 изображена заявленная схема устройства реверсивного счета интерференционных полос, где 1, 2 - входные формирователи; 3 - схема логической обработки; 4, 5 - выходные формирователи; 6 - дополнительная логическая схема подавления шумов (дребезга) формирователей. Входные формирователи 1, 2, на входы которых поступают аналоговые сигналы движения полос интерференции, электрически связаны с дополнительной логической схемой подавления шумов 6, четыре выхода которой электрически связаны со схемой логической обработки 3, два выхода которой электрически связаны с входами выходных формирователей 4, 5.

Предложенное устройство работает следующим образом. Аналоговые сигналы S1, S2 (фиг.3, 4) движения полос интерференции поступают на входы входных формирователей 1, 2. Формирователи 1, 2 преобразуют аналоговые сигналы (обычно синусоидальные) в прямоугольные импульсы S1-1, S1-2 (фиг.3, 4). В условиях помех вблизи фронтов переключения возможны случаи ложных переключений. При использовании в качестве формирователей скоростных безгистерезисных компараторов достаточной причиной появления ложных переключений могут быть естественные шумы. С выходов формирователей 1 и 2 сигналы S1-1, S1-2 поступают на схему кодирования 6. Возможны четыре сочетания сигналов S1, S2, приходящих с компаратора: 1) S1 - высокий уровень, S2 - высокий уровень; 2) S1 - высокий, S2 - низкий уровень; 3) S1 - низкий уровень, S2 - высокий; 4) S1 - низкий уровень, S2 - низкий уровень.

Схема кодирования имеет четыре выхода, на которых появляется логический сигнал, соответствующий одному из возможных сочетаний сигналов S1, S2. Выходы схемы кодирования 6 соединены с входами схемы логической обработки 3. Схема логической обработки представляет собой счетную схему, которая вырабатывает импульс по прямому выходу S3п при прохождении циклической последовательности сочетаний S1, S2 (1-2-3-4) и вырабатывает импульс по реверсивному выходу S3р - при обратной циклической последовательности S1, S2 (4-3-2-1). Помехи во входных цепях приводят к ложным переходам между соседними сочетаниями (например 1-2-1-2-3). На выходе счетной схемы не будут формироваться ложные импульсы до тех пор, пока амплитуда помех ни достигнет порога, при котором наступает перекрывания фронтов сигналов, приходящих с выходов компараторов S1, S2. Этим достигается селекция помех, идущих с выходов компараторов, и повышение общей помехоустойчивости системы.

Пример технической реализации устройства реверсивного счета интерференционных полос фиг.3 приведен на фиг.5. В качестве входных формирователей (S1, S2) используются скоростные безгистерезисные компараторы, например 521CA2. Логические элементы D3-D4 осуществляют разбивку выходных сигналов S1-1, S2-1 (фиг.5) компараторов на четыре четверти периода (1...4) так, что по шинам S1S2(1)...S1S2(4) фиг.3, 4, 5 выдаются сигналы логической "1" со сдвигом в четверть периода следования.

В сигналах логической "1" в шинах S1S2(1)...S1S2(4) сохраняется дребезг вблизи фронтов. Исключение дребезга из сигналов осуществляется с помощью логических элементов, в которых переключение состояния осуществляется по одному из импульсов дребезга по одному из входов логического элемента, а обратное переключение осуществляется по другому входу этого элемента. На фиг.5 в качестве логических элементов устранения дребезга используются RS-триггеры (D9). Далее с помощью логической схемы D10 фактически восстанавливаются выходные сигналы компараторов S1-1, S2-1, в которых отсутствует дребезг. Эта же схема D10 осуществляет разводку сигналов по шинам прямого S3п и реверсивного счета S3р (см. соответствующие эпюры фиг.4). Из этих сигналов с помощью формирователей D11 формируются счетные импульсы прямого и реверсивного счета S3'п, S3'p (фиг.3, 4, 5).

Конструкции всех элементов фиг.3, 5 в отдельности известны. Положительный эффект достигается совокупностью и порядком их включения.

Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает заявленный положительный технический эффект увеличения помехозащищенности и расширения динамического диапазона: 1) за счет применения логической схемы подавления шумов (дребезга) формирователей; 2) за счет использования скоростных безгистерезисных формирователей.

Заявленное техническое решение отвечает критерию "новизны" и по сравнению с прототипом имеет отличительные признаки: 1) применение логической схемы подавления шумов; 2) применение в качестве формирователей скоростных безгистерезисных формирователей.

Заявленное техническое решение по сравнению с известными решениями соответствует критерию существенные отличия, так как введение логической схемы подавления шумов и использование скоростных безгистерезисных формирователей существенно улучшает параметры устройства по помехоустойчивости и динамическому диапазону. Благодаря использованию предложенного изобретения удается почти на порядок снизить требования к отношению сигнал/шум на входе устройства и на порядок расширить динамический диапазон.

Проведены предварительные испытания предложенного усройства при использовании его в малогабаритной трехкоординатной лазерной интерференционной измерительной автоматической системе. Система регистрации одной из координат была выполнена в двух вариантах - с использованием технической реализации схемы прототипа и предложенного технического решения (оба варианта работали параллельно). Результаты испытаний подтвердили преимущества предложенного устройства. Динамический диапазон по напряжению входных сигналов изобретения (в технической реализации фиг.5) 20 мВ-5В (вместо 0,5-5 В в прототипе). Предложенное устройство не вырабатывает ложных счетных импульсов при отношении сигнал/дум 1,1 во всем динамическом диапазоне. В прототипе появляются сбои при отношении сигнал/шум 2, если напряжение входного сигнала прототипа равно номинальному 1 B, и при отношении сигнал/шум 10, если это напряжение максимально (5 В).

Предложенное устройство остается работоспособным при сдвиге фаз между сигналами S1 и S2 от 10 до 170° (вместо 60-120° - в прототипе). Алгоритм обработки сигналов в предложенном устройстве в отличие от прототипа исключает возможность появления ложных импульсов в моменты времени, соответствующие изменению направления движения интерференционных полос. Изобретение внедряется в ОКР (разработка КД трехкоординатного автоматического лазерного интерферометрического измерительного устройства.

Экономический эффект от внедрения устройства в стадии ОКР определить затруднительно. Основной положительный эффект от внедрения изобретения может заключаться в возможности использования в составе сравнительно дешевых малогабаритных автоматических измерительных устройств с целью повышения их класса точности, либо снизить требования, уменьшить число бракуемых лазерных датчиков, используемых в измерительной системе.

Уже сейчас есть возможность их удешевления в два-три раза за счет снижения требований к ним в результате внедрения изобретения. При ожидаемом массовом производстве автоматизированных измерительных систем с указанным устройством экономия от внедрения может составлять многие миллионы рублей.

Формула изобретения

Устройство реверсивного счета интерференционных полос, содержащее двухканальный преобразователь изображения полос в электросигналы и связанный с его выходом блок электронной логики с формирователями выходных сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона входных сигналов, оно снабжено блоком кодирования сигналов преобразователя в сигналы, соответствующие четырем возможным сочетаниям сигналов преобразователя и их циклических последовательностей, включенный между выходом упомянутого преобразователя и блоком электронной логики.

РИСУНКИ