Оптоэлектронный преобразователь перемещения в код

1569985 е Составитель Е. БударинаМ, Бланар, Техред М.Дидьнс Корректор В,Реда ий изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 аказ 1458 Тираж 669 НИИПИ Государственного комитета по изобре 113035, Москва, Ж, РаушПодписноениям и открытиям при ГКНТ СССРая наб., д, 4/5йвфиг. 7 - функциональная схема точногоотсчета; на фиг. 8 - временные диаграммы работы канала точного отсчета.Оптоэлектронный преобразователь пе 5ремещения в код содержит осветитель 1,волоконно-оптический жгут 2, кодовыйэлемент, состоящий из маски 3 с дорожками 4 грубого отсчета и дорожкой5 точного отсчета и несущей кодовойподложки (НКП) 6, волоконно-оптический .жгут 7,канал 8 грубого отсчетаканал 9 точного отсчета, блок 10 согласования отсчетов.Канал 8 грубого отсчета (ГО) содержит преобразователь 11 кода, считывающие элементы 12, формирователь,13,кода.Канал 9 точного отсчета (ТО) содер,жит формирователь 14 кода и считываю щие Элементь 1 15. Формирователь 14 кода фиг. 7) содержит блок 16 вычитания формирователь 17 управляющегосигнала, постоянное запоминающее устройство 15, преобразователь 19 напря жение - код,Блок 10 согласования отсчетов(фиг, 2) содержит управляющие считывающие элементы 20 и 21, компараторы22 и 23, блок 24 управления, мультипОлексор 25, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ26, сумматор 27.Блок 24 управления (фиг, 4) содержит элементы И 28 - 31, элементы ИЛИ32 и 33, элементы НЕ 34 - 36, элементИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37.Мультиплексор 25 (фиг, 5) содержитшину, 38 логического нуля, шину 39 логической единицы, блок элементов И 40блок элементов И 41, блок элементовЫ 42 блок элементов ИЛИ 43, элементНЕ 44 блок элементов И 45.НКП 6 (фиг, 3, показана пунктирными линиями) представляет собой монолитную конструкцию, состоящую из двух 5.концентрических кольцевых перемычек,между которыми расположена кодоваяплощадка представляющая собой, например весть концентрических кодовыхдорожек 4 выполненных в соответствии с инверсным кодом Грея, т.е. логическому "0" соответствуют прозрачные участки а логической "1" соответ-ствуют непрозрачные участки кодовыхдорожек 4. Все непрозрачные участки55кодовых дорожек НКП 6 соединены непосредственно или друг через друга свнутренней и внешней кольцевыми перемычками, образуя геометрически замкнутый рисунок, обеспечивающий при соответствующей толщине НКП 6 необходи 1мую ее механическую жесткость ипрочность. При этом отклонение от неплоскостности НКП при соответствующейее толщине может быть сравнимо состеклянными дисками. Угловые размерыперемычек в НКП 6 выполнены с гарантированным отрицательным допуском относительно размеров соответствующихэлементов 4 маски. Это позволяет с высокой точностью формировать границысмены кода, Канал 9 ТО выполнен в соответствии с Г 2 3,Оптоэлектронный преобразователь перемещения в код может быть использован для преобразования как линейногд,так и углового перемещения в код, Рассмотрим оптоэлектронный преобразователь перемещения в код для преобразования угловых перемещений в код. Кодовый элемент в нем выполнен в видекодового диска.Оптоэлектронный преобразователь пе-,ремещения в код работает следующим образом.При вращении вала с,укрепленнымна нем кодовым элементом (фиг. 1) световой поток от излучателя 1, проходячерез и-канальный волоконно-оптичес"кий коллектор 2 и маску 3, модулируется в канале 8 ТО в соответствии сгеометрическим рисунком инверсногокода Грея, а в канале 9 ТО в соответствии с рисунком кодовой дорожки 5ТО п - число считывающих элементов12,15, 20 и 21.Промодулированные оптические сигналы через отрезки моноволокон, объединенные в жгут 7, поступают на входы считывающих элементов 12 ТО, 15 ТО;и на входы управляющих считывающихэлементов 20 и 21, где преобразуютсяв соответствующие электрические сигналы. Сигналы со считывающих элементов 12 ТО усиливаются и ограничиваются в блоке 13, с выхода которогоснимается цифровой эквивалент угла ви:зиционном инверсном коде Грея чтообеспечивает устранение неоднозначности преобразования. Для переводаинверсного кода Грея в натуральныйдвоичный код сигналы с блока 13 обрабатываются в преобразователе 11 кода. Сигналы со считывающих элементов15 ТО поступают в электронный блок14, с выхода которого снимается натуральный двоичный код ТО. Сигналы со5 156998 считывающих элементов 15 изменяются по треугольному закону и сдвинуты по Фазе относительно друг друга на четверть периода шага кодовой дорожки 5 ТО, т.е. а /4 (фиг. 8 а). 5Сигнал с выхода одного из считывающих элементов 15 поступает на вход ПНК 19, который работает, например, в двоичном коде (фиг. 8 г). При изменении сигнала от нуля до максимума на выходе ПНК 19 происходит увеличениезначений выходного кода, а при изменении сигнала от максимума до нуля уменьшение значений выходного кода, При этом максимальному значению сиг 15 нала соответствует максимальный код ПНК 19, определяющий половину шага опорной шкалы, т.е. однозначное определение перемещения с помощью ПИК 19 происходит только на первой половине периода а. Для получения однозначного отсчета на всем периоде ао используется сигнал с второго считывающего элемента 15. Этот сигнал поступает в Формирователь 14 управляющего сигнала ТО, в нем происходит смещение сигнала относительно нулевой линии на половину его амплитуды (фиг. 8 б) и Формирование из него сигнала прямоугольной Формы (фиг, 8 в), полярность которого меняется в моменты перехода входного сигнала через нуль, Причем изменение полярности сигнала происходит в те моменты, когда сигнал с первого считывающего элемента 15 имеет макси мальное или минимальное значение.,Сигнал с Формирователя 17 управляющего сигнала ТО управляет работой. блока 16 считывания. При изменении кода с 11 НК 19 (Фиг. 8 г) от минималь ного до максимального блок 16 вычитания по сигналу формирователя 14 управляющего сигнала ТО пропускает на выход без изменения этот код (фиг, 8 е), а при переходе через неоднозначность, 45 т,е. через а/2, происходит операция вычитания из кода, записанного в ПЗУ 18 ТО, кода РНК 19. В ПЗУ 18 записан код, соответствующий преобразованию полного периода а т,е, максимальный 50 код однозначного преобразования на интервале, равном а, (фиг. 8 д). В результате на выходе блока 16 вычитания при изменении перемещения от нуля до а происходит возрастание кода от 55 нуля до максимального значения,определяемого заданной разрешающей способностью, т.е. наблюдается однозначное определения пространственного положе 5 6ния входного вала в пределах шага аЭ дорожки 5 ТОСигналы с управляющих считывающих элементов 20 и 21 поступают нг входы компараторов 22 и 23 соответственно, которые генерируют сигналы е и Е (Фиг. бж), период которых равен периоду сигнала й (Фиг. бе) младшего разряда кода Грея, но сдвинуты по пространственной Фазе на + й/4 относительно линии считывания в младшем разряде кода Грея, Эти сигналы поступают в блок 24 управления, где происходит нх суммирование по модулю два на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37 и инвертирование элементом НЕ 35, в результате чего Формируются вспомогательные сигналы я и 8 (Фиг, би,к), период которых равен периоду младшего разряда двоичного кода ГО (сигналы 1 и Ь, фиг. бл, м), но сдвинуты относительно него на +(/2. Суммирование по модулю два .1-3 сигналов двух старших разрядов ТО 2 и 2 (сигналы а и Ь, фиг. ба, б) элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 дает второй вспомогательный сигнал С (фиг. бг). Если сигнал С=1, то по управляющему входу С мультиплексора 25 через элемент НЕ 44 (Фнг 5) поступает запирающий сигнал С (Фиг. бд) на блоки элементов И 42 и 45, что обеспечивает подачу на входы первого слагаемого сумматора 27 кода нуля и, таким образом, выдачу на выход ГО кода непосредственно с преобразователя 11 кода, так как сложение с нулем не изменяет результата,Как видно из диаграммы (фиг. 6) такие ситуации повторяются через половину периода сигнала Ь и охватывают все случаи перехода сигнала Ъ от "О" к "1" (зоны Ы). В этих зонах (С=1) коды ГО и ТО выдаются согласованно, так как в них не происходит изменений кодов ГО. В зонах р и 6 в моменты изменения кодов ГО и ТО возможно появление ошибки рассогласования отсчетов. При работе преобразователя в результате инструментальных погрешностей .возможны четыре основных варианта несогласованностей ГО и ТО:моменты перехода младшего разряда ГО из "О" в "1" и из "1" в "О" (сигналы Ь Фиг. бн) отстают от моментов перехода старшего разряда ТО из "1"в "О" (сигнал Ь, фиг. бб);,моменты перехода младшего разряда ГО из "О" в "1" и из "1" в "О" (сигнал Ь, Фиг. бр) опережают моменты пе 1569985рехода старшего разряда ТО из "1"в 0моменты перехода младшего разрядаГО из "0" в "1" отстают от моментов5перехода сигнала Ъ из "1" в "0" а)переходы младшего разряда ГО из "1"в "0" опережают моменты перехода сигнала Ь из "1" в "0" (Фиг, бу)моменты перехоДа младшего разрядаГО из "0" в "1" опережают моменты перехода сигнала Ь из "1" в "0", а пере".ходымпадшего разряда ТО из "1" в "0"отстают от моментов перехода сигналаЬ из "1" в "0" (фиг, бц).15Все остальные комбинации несогласованностей являются частными случаями отмеченных вариантов,При постоянном отстаивании .моментов перехода старшего разряда ТО, взонах р и 6 должен формироватьсясигнал, обеспечивающий прибавление недостающей единицы в разрядную сеткуГО, Этот сигнал формируется из вспомо гательных сигналов Ь, я, я, Ь , Ь,1 ф(Фиг. 4 и 6 в, и, к, л, м, н) по алгоритму: в зоне р У,=ЬцЬ, а в зонер у =Ьф, Таким образом, общий управ-.ляющий сигнал у который обеспечивает при сигнале С=О подачу прямого кода единицы ГО(0001) с первой группы входов мультиплексора 25 на входпервого слагаемого сумматора 27-уравнением (фиг. бо)35 у, - ЬЬ+ ЬЬ,.Сигнал управления упри этом не формируется и равен "О" (фиг. бп). 40При полном опережении моментов перехода младшего разряда ГО из "О" в "1" и из "1" в "0" относительно моментов перехода старшего разряда ТО из "1" в "0" должен происходить процесс 45 вычитания "лишнихединиц из кода ГО что равносильно сложению "1" в дополнительном коде (1111) с кодом ГО.Этим процессом управляет сигнал у, который Формируется по алгоритму," в зоне 31 у =Ь 8 Ь, в зоне 3, . у=ЬЬ (Фиг. 4 и бт) и общий управляющий сигнал определяется выражениемЬф+ ЬКЬ е55Этот сигнал при управляющем сигна,ле С=О обеспечивает подачу.на вход сумматора 27 (Фиг, 1) с второй группы входов мультиплексора 25 дополнительного кода единицы ГО (1111). Сигнал управления у, при этом не формируется и равен "0" (фиг. бс). Когда момент перехода сигнала Ь И ЕЕ ЕЕ 11з из 0 в 1 отстает от момента пере.хода сигнала, Ьиз "1" в "0", а момент перехода сигнала Ь из "1" в цО" опе режает момент перехода сигнала Ь из и и И ц1 в 0 , должен формироватьсяуправляющий сигнал (фиг. 6), обеспечивающий в зоне Д, вычитание единицы, а в .зоне р суммирование единицы с кодом ГО. Таким образом, при сигнале управления С=О в зоне а, Формируется сигнал У =Ь 8 Ьз обеспечивающий пода.чу на сумматор 27 дополнительного ко- да единицы (1111) с втоРой группы входов мультиплексора 25 а в зоне ф формируется сигнал у = Ь.е Ь, обеспечивающий подачу на сумматор 27 прямого кода единицы (0001) с,первой группы входов мультиплексора 25. При этом общее выражение для управляющего сигнала (фиг. бф,х) принимает вид - ЬЬу у = ЬеЬ,. Когда момент перехода Ь иэ "0" в "1" происходит раньше перехода сигнала Ь из "1" в "0", а момент перехода сигнала Ь из,"1" в "0" отстает от момента перехода сигнал Ь из "1" в "0" должен формироваться управляющий сигнал обеспечивающий в зоне р при 1 бавление единицы к коду ГО а в зонер вычитание единицы из кода ГО. При сигнале управления С=О (Фиг. 6) в зоне д, формируется сигнал у =Ъеь, который обеспечИвает подключение к сумматору 27 (Фиг. 1) прямого кода единицы (0001) с первой группы входов мультиплексора 25 а в зонеформируется .сигнал у =Ьаь , обеспечивающий подачу дополнительного кода единицы (1111) на вход первого слагаемого сумматора 27 с второй группы входов мультиплексора 25,. Общее выражение управлякщего сигнала (фигбч г ) в этом случае принимает вид у, =ЬяЬ,; у, =ЬяЬ,. Во всех случаях при формировании соответствующих управляющих сигналов у и у происходит согЛасование точного и грубого отсчетов преобразова- теля.перемещения в код.Сигналы у = 1 и у = 1 сущест 2вуют только при наличии рассогласования между ТО и ГО, а при любых других сочетаниях сигналов Ь, я и Ь сигналы у = О и у = О. После прове1дения согласования сигналы у, и у также становятся равными "О" и обе группы входов мультиплексора 25 отключаются от сумматора 27, В этом случае на выход преобразователя передается код непосредственно с преобразователя 11 кода. Ф а р м у л а изобретения15 1, Оптоэлектронный преобразователь перемещения в код, содержащий осветитель, оптически соединенный через кодовый элемент со с:.ктывающии злемен 20 тами грубого и точного отсчетов, выходы которых соединены с входами формирователей кодов соответственно грубого и точного отсчетов, блок управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем25 что, с целью повышения точности и надежности преобразователя, в него введены первый и второй управляющие считывающие элементы, первый и второй компараторы, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, преобразователь кода, сумматор, мультиплексор, кодовый элемент выполнен в виде несущей кодовой подложки .и закрепленной на ней маски, содержащей кодовые дорожки грубого и точного отсчетов, несущая кодовая подложка 35 выполнена из непрозрачного материала с отверстиями, образующими кодовые дорожки грубого отсчета, идентичные кодовым дорожкам грубого отсчета маски, выполненным в инверсном коде Грея, размеры непрозрачных участков несущей адовой подложки выполнены с отрицательным допуском относительно непрозрачных участков маски, дорожка точного отсчета маски выполнена равномер но квантованной, период квантования а 0 которой в четыре раза меньше периода Т кодовой дорожки младшего разряда грубого отсчета маски и.расположена снаружи кодовых дорожек грубого 50 отсчета маски, граница прозрачного и непрозрачного участков кодовой дорожки точного отсчета, граница прозрачного и непрозрачного участков кодовой дорожки старшего разряда грубого от счета и середины прозрачных участковостальных кодовых дорожек грубого отсчета расположены вдоль линии считывания, причем непрозрачный участок кодовой дорожки точного отсчета и непрозрачный участок кодовой дорожки старшего разряда грубого отсчета расположены по одну сторону относительно линии считывания, первый и второй уп- равляющие считывающие элементы оптически сопряжены с кодовой дорожкой младшего разряда грубого отсчета со сдвигом относительно линии считываний на +т(К+1/8), где К = 0,1,2,3 размеры считывающих элементов точного отсчета, установленных против одно. именной кодовой дорожки, равны а 0/2, считывающие :л"менты точнага атсче расположены друг относительно друга на расстоянии +а (К+1/4), где К = = 0,1,2,3 причем ось первого считывающего элемента точного отсчета совмещена с осью не розрачного,участка кодовой дорожки точного отсчета,соприкасающегося с линией считывания,выходы первого и второго управляющихсчитывающих элементов соединены свходами соответственно первого и вто рого компараторов, выходы которых соединены соответственно с первым и в:."рым входами блока управления, первь.".и второй выходы которого соединенысоответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора,выходы которого соединены с входамипервого слагаемого сумматора, выходыкоторого являются выходами грубогоотсчета преобразователя, выходы формирователя кода точного отсчета являются выходами точного отсчета преобразователя, причем выход старшего разряда формирователя кода точного отсчета соединен с третьим входом блокауправления и с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход предыдущего разряда Формирователя кода т;,. -ного отсчета соединен с вторым вхо-.дом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходкоторого соединен с третьим управляющим входом мультиплексора, выходыформирователя кода грубого отсчетасоединены с входами преобразователякода, выходы которого соединены с входами второго слагаемого сумматора,причем выход младшего разряда преобразователя кода соединен с четвертымвходом блока управления,2, Преобразователь по п, 1, а т -л и ч а ю щ и й с я тем, что блокуправления содержит первый, второй итретий элементы НЕ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второйэлементы ИЛИ, вход первого элемента НЕ является четвертым входом блока управления и объединен с первыми входамн первого и второго элементов И вы5 ход первого элемента НЕ соединен сЬПервыми входами третьего и четвертого Элементов И, первый и второй входы Элемента ИСКЛЮЧАЮ 1 ЕЕ ИЛИ являются соответственно первым и вторым входами блока управления, а выход элемента ИСКЛЮЧАКйЯЕ ИЛИ соединен с вторыми фходами первого и четвертого элементов И и с входом второго элемента НЕ, Выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего элементов .И, Вход третьего элемента НЕ являетсятретьим входом блока управления и объединен с третьими входами второго н четвертого элементов И, выход третьего элемента НЕ соединен с третьими входами первого и третьего элементов И, выходы которых соединены с-. Входами первого элемента ИЛИ, выход которого является первым выходом бло .;а управления, выходы второго и.четвертого элементов И соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого является вторым выходом блока управления, 303, Преобразователь по п. 1 о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что мультиплексор, содержиг четыре .блока элементов И, блок элементов ИЛИ, элемент НЕ, причемв каждом .блоке числоэлементов И и число элементов ИЛИравно числу разрядов грубого отсчета,первые входы элементов И первого блока объединены и являются первым управляющим входом мультиплексора, первыевходы элементов И второгд блока объединены и являются вторым управляющимвходом мультиплексора, вторые входывсех элементов И, кроме элемента Имладшего разряда, перцого блока подключены к шине логического нуля,вторые входы элементов И второго блока и второй вход. элемента И младшегоразряда первого блока подключены кшине логической единицы, выходы элементов И первого и второго блоков соединены с первыми входами элементов Исоответственно третьего и четвертого блоков, выходы одноименных элементов И третьего и четвертого блоковсоединены с входами . одноименных элементов ИЛИ блока, выходы которых являются выходами мультиплексора, вход.элемента НЕ является третьим управляющим входом мультиплексора, а выходсоединен с вторыми входами:;элементовИ третьего и четвертого блоков.