Способ преобразования перемещения в код и устройство для его осуществления

(51) 4 Н СЗ М 1/24 а ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕЮЩНИЯ В КОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ 111 ЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначено для преобразования линейных или угловых перемещений в цифровой код, Целью изобретения является повышение точностипреобразования. Для этого в известном способе, основанном на формировании оптического излучения, модулировании оптического излучения двумя участками дорожки кодового лимба, суммировании модулированных оптических сигналов, преобразованииих в электрические синусоидальныеесигналы, сдвинутых по фазе на 90 ++Д(, где Ь( - ошибка сдвига фазы,и амплитуда которых пропорциональна перемещению кодового лимба, формировании кода точного и грубогоотсчетов, сравнивают фазы электрических синусоидальных сигналов иопри отличии их от 90 на й( формируют сигнал Х, пропорциональный Ь,формируют два корректирующих сигнала умножением каждого электрического синусоидального сигнала на 1//(Х-О,5 ш), где ш - максимальная величина сигнала Х, суммируют амплитуды электрических синусоидальныхсигналов с амплитудой соответствующих корректирующих сигналов. Одновременно в устройство, содержащееизлучатель, лимб, оптическую систему из объективов, диафрагму, фотоприемники, два сумматора, два поро-.говых элемента, блок измерения числа периодов в преобразователь амплитудно-модулированных сигналов вкод, введены фазовый компаратор идва блока умножения. При вращении(или перемещении) лимба на выходахфотоприемников формируются сигналы,амплитуда которых определяется видомрастра от сопряжения двух участковкодовой 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 сигналыпоступают на входы фазового компаратора. Временной интервал междусигналами заполняется импульсами всчетчике, причем импульсы формируются в канале точного отсчета. В блоках умножения эти сигналы перемножаются с соответствующими сйгналамисвыхода пороговых элементов. Полученный корректирующий сигнал подаетсяна вторые входы сумматоров, где оникомпенсируют погрешность, вызваннуюнесовершенством кодовой дорожки лимб . 2 с.п. ф-лы, 3 ил.Избретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено дпя преобразования линейных или угловых положений объектовв цифровой код,1 елью изобретения является повышение точности спосооа и устройства,На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для преобразования перемещения в код, на фиг, 2 - принцип образования муаровой картины и ее обработки; на фиг.З- блок-схема блока измерения числа периодонУстройство содержит излучательлимб 2, прелмляюшее зеркало 3, птическую систему 4 из объективов 5, преломляющее зеркало 6, диафрагму 7, фотоприемники 8, сумматоры 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, состоящаяиз объективов 5 и зеркал 3 и 6,проектирует изображение участка кодовой дорожки лимба 2, расположенного над излучателем 1 на диаметрально противоположном участке той жедорожки, вблизи которого расположенадиафрагма 7. Диафрагма 7 представляет из себя два окна определенныхразмерон, нырезающих два участка муаровой картины, Муаровая картина создается за счет того, что коэффициент увеличения проекционной системывыбирается несколько большеПринцип обработки муаровой картины дорожки 19 показан на фиг 2, где30 и 31 - отверстия диафрагмы 7, закоторыми размещены фотоприемники 8,32 - распределение интенсивности снета в плоскости диафрагмы 7, 33участок штриховой дорожки лимба 2,34 - иэображение противоположногоучастка лимба 2. ериод ", муаровой картины в плоскости диафрагмы 7 пределяется изсоотношения1 Ь с =(и - 1)= - . - , (т -1), (1) т где и, - число штрихов (номинального размера без увеличения)н периоде;д - коэффициент увеличения проекционной системы,Для фазоной обработки муаровойкартины и получения сигналов, пропорциональных эти и сон(р, размерыотверстий 30 и 31 диафрагмы 7 ирасстояние 1, между ними должны выбираться определенным образом, Распределение интенсивности света вмуаровой картине имеет вид треугольной пилы и при разложении и ряд Фурье она содержит только нечетныепространственные гармоники, причемамплитуда К-й гармоники затухаетпропорционально 1/КЕсли ширина отверстия 30 или 31диафрагмы 7 выбирается равной Т /3(где Т - номинальный линейный размер периода муара), то амплитуда3-й пространственной гармоники на30 Фотоприемнике 8 обращается в нуль,так как она усредняется точно напериоде; 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, причемсдвигу лимба 2 на толщину одногоштриха кодовой дорожки соответствует сдвиг муаровой картины точно на40 период, и эта закономерность не зависит от увеличенияи от длиныпериода Т муара (в см), Таким образом, цена одного периода муара,выраженная через угол поворота лимба 2, ест:ь величина постоянная,определяемая только числом штриховна дорожке лимба 2. Поэтому в грубом отсчете угла 1, получаемом счетом числа периодон муара, ошибокот изменения периода Т или увеличенияне возникает,В то же время фазовая обработкамуаровой картины внутри периода,55 необходимая для точного отсчета уг -ла , при изменении периода Т (илиувеличения х) дает ошибки, так какэта обработка производится при фик 1269260сированном расстоянии 1. между отверстиями 30 и 31 диафрагмы 7.Причины появления этой ошибки видны из фиг, 2, Если период Т равен точно номинальному значению Т (увеличениеравно номинальному значению х ), то с фотоприемников 8 снимаются сигналы р и (р , сдвиго фаз между которыми равен точно 90 (или 270 ), т.е. эти сигналы восоответствии с фиг, 2 пропорциональ- ны 1 О Б =Б,япи, Б =-Б созср", (2) где Б, - амплитуда переменной составляющей в интенсивности света,(С помощью сигналов П и Б можно точно вычислить фазовый сдвиг(о муаровой картины, Методы определения у по сигналам 11 и 11 могут быть различны - то вычисления по формуле(1(р =агсзгп 11 Я,(д =-ягссоя Б /11 ) 20 до прямого преобразования сигналовБ и Б в величину угла.Фазовый сдвиг между сигналами(3) и его отличие от номинального значения составит 3 Т,дср= -7 (-1), (4)2 ТУчитывая зависимость периода Т от1увеличения (Т= в , - ) нетрудно опФ 1 Уределить, что при= 1 величина др 40может изменяться весьма существенно,даже при незначительном измененииувеличенияДля исключения ошибок в способеи устройстве использован метод фазовой обработки муаровой картины,который позволяет с помощью измеряЦемых сигналов О 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 измененииувеличения системы 4 не изменяетсяположение элемента изображения, расположенного на оптической оси системы 4,При перемещении лимба 2 на уголр муаровая картина сдвигается, Приэтом углу поворота (р лимба 2 точносоответствует величина 3, выраженная в долях периода Т, т,е, в угловой мере, Зтот факт следует из того, что при р=О и 0 =О, а при сдвигекодовых дорожек на один период положение сдвинется тоже на период,независимо от длины периода Т,Пренебрегая постоянной составляющей, которая может быть учтена одинраз, выражение для величины угла 8,в точности пропорционального углуповорота лимба, имеет вид10 =(Р+ (5) где дд - отклонение фазового сдвигамежду сигналами от номинальо оного значения 90 или 2 ОУстройство, 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 1 О, а затем на порого- вые элементы 11 и 12, После преобразования они поступают на блоки 17 и 18. Выходные сигналы последних Р,(гРУбый отсчет) и Цт (точный отсчет) содержат полную информацию об измеряемом угле и используются для выработки кода, пропорционального углу Ч . Однако сигналы фотоприемников 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 др определяется фазовым компаратором 13, выходной сигнал которого1; дср О,ц" О;дср (О,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 - си 5 12нусный сигнал с постоянным уровнем,и последующей логической обработкойрезультатов этого сравнения, Выходной сигнал с компаратора 13 поступает на информационный вход счетчика 14, Тактовый вход последнего соединен с выходом блока 17, соответствующих числу периодов муаровойкартины. Этим достигается обновлениеинформации на выходе счетчика 14 после каждого периода муаровой картины.Блок 17 измерения числа периодовпреобразует входные сигналы следующим образом,С выходов нуль-органов 20 и 21сигналы, нормированные по амплитуде,поступают на входы элементов 2.2-26,Одновибраторы 23 и 24 вырабатываютимпульсы, открывающие на короткоевремя элементы И-НЕ 25 и 26, При сов.падении полярности сигнала с выходануль-органа 21 (или 22) с сигналомодновибратора 23 (или 24) элемент ИНЕ 25 (или 26) открывается. Черезэлемент И-НЕ 27 импульс поступаетна счетный вход счетчика 29, которыйего просчитывает и формирует кодперемещения лимба 2, Триггер 28 управляет работой счетчика 29, В случае появления на его выходе сигналалогической "1" счетчик 29 работает11 11в режиме сложения , логического Ов режиме вычитания ,Блоки 1 5 и 1 6 производят умн ожени е выходного кода счетчика 1 4 насинусный и к о синусный сигналы . Вых одные сигналы блок ог, 1 5 и 1 6 могутбыть записаны в следующем виде Х5 тп Х5 т О =я 1 пЮ - -д О =сояср -- д --вых, ВЫ Х 1 В т69260же будет ранна +Ьс 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: япсОЕЫХ 1 ХП созеВЫХ 1 в ш 1 1 О 15 20 25 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 егоо величина не станет меньше 90 , т,е, бас 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 поддерживаться равнойо90 с ошибкой вдискрет. Так как выходные сигналы блоков 15 и 16 равны между собой по величине, то и изменения Фазовых погрешностей для синусной и косинусной составляющих будут одинаковы и равны 12гПоэтому в соответствии с выражением (5) вычисляемая величина фазового сдвига муаровой картины ц 1 становится независимой от увеличения проекционной системы и всегда равна (с точностью до единицы младшего разряда) углу поворота лимба 2, где Х - текущий код счетчика 14;т - полная емкость счетчика 14, Если выходной код счетчика 14 45 равен половине его полной емкости (Х=0,5 ш), то выходные сигналы блоков 15 и 16 равны нулю и в сумматорах 9 и 10 компенсирующие сигналы отсутствуют, Допустим, что при этом 50 фазовая погрешность входных сигналов равна +ьсх. Такая ситуация может возникнуть, например, после включения питания и принудительной начальной установки счетчика 14 Ввиду того, 55 что пороговые элементы 11, и 12 фазу сигналов не меняют, между сигналами я 1 пд и сояц фазовая погрешность такФормула изобретения 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 нао90 +Щ, где хцх - ошибка сдвига Фазы, и амплитуда которых пропорцио нальна 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 Щ , формируют два корректирующих сигнала умножением амплитуды каждого из двух электрических синусоидальныхХ5 тсигналов на- где щ - мактсимальная 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 а 1269260ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в неговведены фазовый компаратор,счетчик,два блока умножения, фотоприемникиразнесены между собой вдоль кодовой дорожки на расстояние Е=0,75 Тгде Т, - номинальный линейный размер периода муара растрового сопряжения первого и второго участков ко О довой дорожки лимба, выходы фотоприемников соединены с первыми входами соответствующих сумматоров,выходы которых соединены с входамисоответствующих пороговых элементов, 15 выход первого порогового элементасоединен с первыми входами фазовогокомпаратора, первого блока умножения, преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в код и блока 20 измерения числа периодов, выходвторого порогового элемента соединенс вторыми входами блока измерениячисла периодов, преобразователя амплитудно-модулированных сигналов в 25 код, фазового компаратора и с первымвходом второго блока умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход фазо- .вого компаратора соединен с инфор мационным входом счетчика, выходкоторого соединен с вторыми входамипервого и второго блоков умножения,выход первого блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выходы преобразователя амплитудно-модулированных сигналов вкод и блока измерения числа периодов являются выходами точного и грубого отсчетов устройства, выход 40 блока измерения числа периодов соединен с тактовым входом счетчика,1269260 а Оаитцеелеее еаекаена б сериала ена атаекиили абатеааубиа. а й иаае кеаеиааиаиаба иененке Соста тель ИаКотовМ. Коданич дакт анов ехр орректор Е,Рошко акаэ 60 б/58 Тираж ВНИИПИ Госуд по делам 313035 а Москва, ственногобретений.35, Раую Подписноекомитета СССРи открытийкая наб, /