Цифровой измеритель перемещений

(71) Кировский инструментальный завод(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано присоздании систем автоматизированного контроля, а также в системах для дистанционных измерений перемещений. Цельизобретения - повышение точности измерения за счет исключения общей шины источника питания и применения противофазныхсигналов по входу и выходу элементов устройства. Измеритель содержит первый фазовый детектор, состоящий иэ двух ключей,и первый фильтр низких частот, состоящийиз ЙС-цепи, источник питания моста, дополство СССР00, 1983. и проектирование ных устройств, М,: Изобретение относится к изм ной технике и может быть использов создании систем автоматизированн троля, а также в системах для дист ных измерений перемещений.Цель изобретения - повышение сти измерения за счет исключения шины источника питания и примене тивофаэных сигналов по входу и вых ментов устройства,На чертеже представлена стру электрическая схема цифрового изм перемещений. ерительано при ого кон- анционточно- общей ия проду элерн ите ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР нительно содержэщии источник опорного наГОяжеия и блок стабилизации амплитуды, преобразователь напряжения в код, дополнительно содержащий преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное,второй фаэовьй детектор, состоящий из двух ключей, и второй фильтр низких частот, состоящий из ВС-цепи. Введение в схему преобразователя напряжения в код первого фазового детектора, пеового фильтра низких частот, преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное позволяет исключить погрешность, вызванную нестабильностью амплитуды напряжения источника питания моста, временным дрейфом источника опорного напряжения, изменением выходного сопротивления усилителей-повторителей. Применение преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, построенного на двух компараторах, работающих с триггерами, фиксирующими перепады напряжения соответствующих компараторов только из низкого уровня в высокий, позволяет снизить влияние неидеальных характеристик компараторов, получить практически меандр, повысить точность детектирования. 1 ил. Измеритель содержит генератор 1 переменного напряжения, вырабатывающий два противофазных синусоидалнцх сигнала, Генератор 1 имеет вход управления амплитудой выходных сигналов. К выходам 2 и 3 генератора 1 подключены соответственно усилители-повторители 4 и 5. Между выходами 6 и 7 усилителей-повторителей включен измерительный мост 8, состоящий из индуктивного датчика 9 перемещений и цепи последовательно соеиненных резисторов 10 - 12, В диагональ 3, 14 измерительного моста 8 включен из20 25 30 509 мерительный усилитель 15 с симметричными выходами 16 и 17. Измерительный усилитель 15 состоит из четырех операционных усилителей 18-21. Выход операционного усилителя 18 соединен с неинвертирующим входом (Н-вход) операционного усилителя 19, Операционнцй усилитель 20 представляет собой усилитель-повторитель, выход которого соединен с Н-входом операционного усилителя 21, Между выходом операционного усилителя 19 и инвертирующим входом (И-вход) включен резистор 22 обратной связи. Аналогично подключен резистор 23 обратной связи операционного усилителя 21. Между И-входами операционных усилителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов 24 и 25, Между выходами операционных усипителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов 26 и 27, к точке соединения этих резисторов подключен И-вход операционного усилителя 18, Между выходом и И-входом операционного усилителя 18 включен конденсатор 28, К выходам 16 и 17 измерительного усилителя 15 подключен фазовый детектор 29, состоящий из ключей 30 и 31, Между выходами 32 и 33 фазового детектора 29 включена КС-цепь 34, 35, представляющая собой фильтр 36 низких частот первого порядка, Конденсатор 35 соединен с дифференциальным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 37,К выходам б и 7 усилителей-повторителей 4 и 5 подключен преобразователь 38 синусоидального напряжения в прямоугольное, Преобразователь 38 состоит из двух компараторов 39 и 40, Н-вход компаратора 39 соединен с И-входом компаратора 40, являющимся первым входом преобразователя. И-вход компаратора 39 соединен с Н-входом компаратора 4, являющимся вторым входом преобразователя. Выход компаратара 39 соединен со счетным входом О-триггера 41. Выход компаратора 40 соединен со счетным входом О-триггера 42, Выход О-триггера 41 соединен с Я-входом, а выход О-триггера 42 - с К-входом ВЯ-триггера 43,Прямой выход КЗ-триггера соединен с К-входом О-триггера 41, инверсный выход ВЯ-триггера - с В-входом О-триггера 42, Между выходами О-триггеров подключен логический элемент ИЛИ 44. Выход логического элемента ИЛИ 44 соединен с тактовым входом АЦП 37, имеющего выход 45 "Готовность данных", а также с блоком 46 обработки информации.К выходам усилителей 4 и 5 подключен фазовый детектор 47, состоящий из двух ключей 48 и 49, Между выходами 50 и 51 фазового детектора 47 подключен низкочастатный фильтр, состоящий иэ ЯС-цепи 52,53. К вь.ходу 0 фазового детектора 47 подключен вход сравнивающего блока 54, другой вход которого соединен с источником 55 опорного напряжения, Выход сравнивающего блока 54 соединен с входом управления амплитудой выходных сигналов генератора 1, Выход 56 АЦП соединен с буферным регистром 57, выход которого соединен с дешифратором 58, последовательным передатчиком 59 кода и шинным формирователем 60, Выход 45 "Готовность данных" АЦП 37 подключен к блоку 61 управления, Выход 62 блока 61 управления соединен с буферным регистром 57, выход 63 - с последовательным передатчиком 59 кода, выход 64 - с шинным формирователем 60, К выходу дешифратора 58 подключен цифровой индикатор 65, служащий для визуального наблюдения величины и знака перемещения. Выход последовательного передатчика 59 кода соединен с приемником бб последовательного кода. Выход шинного формирователя 60 соединен с блоком 67 обработки информацил,Измеритель работает следующим образом,Генератор 1 переменного напряжения вырабатывает два противофэзных синусоидальных сипэла, одинаковь 1 е по амплитуде,которые поступают на входы усилителей-повторителей 4 и 5. Усилители-повторители усиливают сигнэлц по мощности, и далее они подаются иа питающую диагональ иэмерительного моста 8, являющегося "плавающей" нагрузкой для повторителей, напреобразователь 38 синусоидального сигнала в прямоугольный и фазовый детектор47. Преобразователь 38 осуществляет преобразование синусоидального сигнала в прямоугольный, причем переход прямоугольного сигнала из низкого уровня в высокий и наоборот происходит прл переходе синусоидэльного сигнала через ноль. Применение данной схемы преобразователя позволяет получить прямоугольный сигнал с практически равнь,ми по длительностл импульсами и паузами между ними, т,е, меандр, что невозможно осуществить применением одного компаратора, не обеспечивэюгцего равные скорости нарастания и спада вь.ходного напряжения при повыщенной частоте, Переход синусоиды через ноль фиксируется компараторами 39 и 40, Триггеры 41 и 42 фиксируют перепады напряжения соответствующих компараторовтолько из низкого уровня в высокий. Поочередное переключение триггеров 41 и 42 вызывает переключение триггера 43, сигнал ", выхода которого служит для синхронизации фазовых детекторов 29 и 47. Преобразователь 38 вырабатывает также сигнал, служа. щий для синхронизации работы АЦП 37 и блока 46 обработки информации.Измерительный мост Р балансируется изменением сопротивления резистора 11 таким образомчтобы разность напряжений между входами 13 и 14 измерительного усилителя 15 была близка к нулю. При разбалансировке моста путем перемещения измеряемого обьекта измерительный сигнал, пропорциональный еелицине пер;-.мещения и соатвегствующий по знаку направлению перемещения, у иливае."ся измерительным усилителем 15. Операцжнный усилитель 18 служит для ослабления синфаэной составляющей в выходном сигнале измерительного усилителя 15. Повторитель 20 служит для компенсации фазового сдвига, вносимого усилителем 18, а конденсатор 28 повышает устой- ивость усилителя 18, Резистор 25 осуществляет установку масштаба преобразования,Усиленный сигнал представлен на выходах 16 и 17 и измерительного усилителя 15 в виде двух сигналов, одинаковых по амплитуде, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180 О. Эти сигналы поступают на фазовый детектор 29, в котором детектируются, Фазовый детектор 29 представляет собой ключи, выполненные на полевых транзисторах. Эти ключи под действием управляющего сигнала, поступающего с выхода тоиггера 43 преобразователя 38, подклюцают фильтр 36 низких частот к выходам 16 и 17 измерительного усилителя 15, Применение данной схемы фазового детектооа 29 позволяет исключить погрешность измерения, вызываемую дрейфом активных элементов детекторов, значительно уменьшить погрешность, вызванную напряжением смещения операционных усилителей, входящих в измерительный усилитель 15, генератор 1 и усилители-повторители 4 и 5.С помощью фильтра 36 низких частот происходит выделение постоя н ной составляющей из продетектированного сигнала. С конденсатора 35 напряжение поступает на дифференциальный вход АЦП 37. Напря;ение, поступающее на питающую диагональ моста 8 детектируется фазовым детектором 47 и фильтруется ВС-цепью 52, 53 (фильтром низкой частоты). Сигнал, полученный с выхода конденсатора 53, поступает на дифференциальный вход опорного напряжения 20 11 30 35 40 45 50 АЦП 37. Работа детектора 47 и Фильтра 52, 53 низкой частоты аналогична работе де-ектора 29 и фильтра 36 низксй частоты (34, 35),АЦП 37 выполняет функци о вычислителя отношения и преобразования результата в цифровой код. полученный код пропорционален величине перемещения измеряемого обьек"я,С выхода 50 детектора 47 сигнал посту. пает также и на вход сравнивающего блока 54, с помощ,ю которого он сравнивается с сигналом, поступающим от источника 55 опорного напряжения. В случае рассогласовчния этих сигналов срабатывается сигпоступгющий на вход управления амплитудой выходных сигналов генератора 1, производящего коррекцию амплитуды. Параллельный цифровой код с выхода 56 АЦП 37 згписывается в буферный регистр 57 по сигналу из блока 61 управления, формируемого сигналом Тотовность данных, Данные с выхода буферного регистра 57 поступают на дешиф",втор 58, цифровой индикатор 65, шинный формирователь 60 и записывается в передатцик 59 последоеательногс кода, по сигналу с выхода 63 блока б", управления выходными устройствами.Последовательньй код из передатчика 59 поступает в приемник 66 последовательного кода, к которому может быть подключено какое-либо регистрирующее или индициру - ющее устройство. Поименение передатчика59 последовательнсга кода позволяет производить дистанционные измерения обьектов, удаленных на большое расстояние.Цифровой код с выхода формирователя 60 поступает в блок 67 обработки информации.Введение в схему преобразователя напряжения в код, фазовых детекторов, фильтров низкой частоты, преобразователя синусоидгльного напряжения в прямоугольное позволяет исключить погрешность. вызванну э нестабильностью амплитуды напряжения источника питания моста, временным дрейфом источчика опорного нгпояжения, изменением выходного сопротивления усилителей-повторитеПрименение преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, построенного на двух компаргторах, работаюших с триггерами, фиксирующими перепады напряжения соответствующих компараторов только иэ низкого уровня в высокий, позволяе. снизить" влияние неидеальных характеристик компараторое.Дополнительный эффект выражается в уменьшении количества элементов, снижении потребляемой мощности, уменьшении влияния температуры окружающей среды на работу схемы, а также в упрощении на стройки схемы. В предлагаемом измерителе одна настройка - установка масштаба преобразования путем изменения коэффициента усиления измерительного усилителя,Формула изобретения 10 Цифровой измеритель перемещений, содержащий последовательно соединенные генератор переменного напряжения, измерительный мост, измерительный усилитель, первый фазовый детектор, первый 15 фильтр низкой частоты, аналого-циФровой преобразователь и блок обработки информации, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом сравнивающего блока, выход которого сое динен с управляющим входом генератора переменного напряжения, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, чта, с целью повышения точности измерения, в него введены второй фазовый детектор, второй фильтр низкой 25 частоты и преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, состоящий из двух компараторов,двух О-триггеров, ВБ-триггера. и логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с тактовым вхо дом аналого-цифрового преобразователя и с вторым входом блока обработки информации, при этом Н-вход первого компаратора соединен с И-входом второго, являющимся первым входом преобразователя, а И-вход 35 первого компяратора соединен с Н-входом второго, являющимся вторым входом преобразователя, при этом выход первого компаратора соединен с С-входом первого О-триггера, выход второго компаратора - с 40 С-входом второго О-триггера, а выход первого О-триггера соединен с 3-входом ВЗ- триггера, выход второго О-триггера - с В-входом ЙБ-триггера, прямой выход которого, являющийся выходом преобразовате ля, соединен с В-входом первого О-триггера, а инверсный выход - с Я-входом второго О-триггера, между выходами которых подключен логический элемент ИЛИ, причем выход преобразователя соединен с управляющими входами первого и второго. фазовых детекторов, а выходы второго фазового детектора через второй фильтр низкой частоты соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, один из выходов второго фазового детектора соединен с вторым входом сравнивающего блока, парафазный выход генератора переменного напряжения соединен с соответствующими входами второго фазового детектора и преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, при этом выходы измерительного усилителя через первый фазовый детектор и первый фильтр низкой частоты соединены парафазно с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, а измерительный усилитель состоит иэ четырех операционных усилителей, первый из который представляет собой усилитель-повторитель, причем выход второго операционного усилителя соединен с Н-входом третьего операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен с Н-входом четвертого операционного усилителя, а между выходом третьего операционного усилителя и И-входом этого же усилителя подключен резистор обратной связи, между выходом четвертого операционного усилителя и И-входом этого усилителя включен второй резистор обратной связи, между И- входами третьего и четвертого операционный усилителей подключена цепь последовательно соединенных резисторов, между выходами третьего и четвертого операционных усилителей подключена цепь из двух последовательно соединенных резисторов, к общему выводу которых подклю- . чен И-вход второго операционного усилителя, а между выходом и И-входом второго операционного усилителя включен конденсатор.1 б 2094 У адактор А,Ога ректор С.йекчар Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ух,арод, ул,Гагарина, 1 аказВИ Семе чкгентал 13 Тираж ПодписноеИПк 1 Государственного комитета по изобретенилм и открьпилм при ГКНТ113035, Москва Ж, Раушская наб 4/5