Преобразователь угла поворота вала в код

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ию 1 и ЯО3(51) 0 08 С 9 ЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 678498, кл.0 08 С 9/04, 1978.2. Авторское свидетельство СССР 9 796890, кл.О 08 С 9/04, 1979 (прототип).(54)(57) 1."ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного ,потока, в зазорах магнитопроводов установлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя импульсов, выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инвертор, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности работы и технологичности изготовления преобразователя, в него введены второй 1 и третий инверторы, первый и второй источники опорного напряжения и восемь Формирователей импульсов, а в каждой группе магнитодиодов первый и второй магнитодиоды соединены через первый и второй формирователи импульсов с первым и вторым входами первого сумматора по модулю два, третий и четвертый магнитодиоды соединены через третий и четвертый формирователи импульсов с первым и вторым входами второго сумматора по модулю два, пятый и шестой магнитодиоды соедине- ны через пятый и шестой формирователи импульсов с первым и вторым входа ми третьего сумматора по модулю два," выход которого соединен через второй инвертор с третьим выходом преобразо вателя, седьмой и восьмой магнитодиоды соединены через седьмой и восьмой; формирователи импульсов с входами первого и третьего инверторов, выход третьего инвертора соединен с четвертым выходом преобразователя, выходы первого и второго источников опорного напря .жения соединены с первым и вторым управ, ляющими входами формирователей импуль-, сов,1080176 тор, входы сумматоров по модулю два соединены с магнитодиодами 2,Основным недостатком этого устрдй ства является низкая надежность и точность преобразования входного параметра при изменениях температуры окружающей среды и напряжения питания устройства, поскольку в нем возможно появление ложных сигналов ."1" в случаях, когда оба магнитодиода, под ключенные к входам одного сумматора, находятся в индукции В 3 . Это объясняется различной магниточувствительностью и зависимостью от температуры. Действительно, при увеличении напряжения питания разбаланс напряжений на магнитодиодах, находящихся в магнитном поле, может:превысить. напряжение срабатывания сумматора равное 2 Ус транзисторов сравненйя. Кроме того такое включение предъявляет высокие требования к идентйчйости параметров магнитодиодов и в отсутствии маг нитного поля.Целью изобретения является повышение надежности работы и технологичности изготовления преобразовате- лей.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с,источником магнитного потока, в зазорах магнитопроводов ,уста новлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя по ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инвертор, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя, введены второй и третий инверторы, первый и второй источники опорного напряжения и восемь формирователей импульсов, а в каждой группе магнитодиодов первый и второй магнитодиоды соединены через Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при разработке цифровых источников информации в системах дистанционного контроля и изме рениях угловых и линейных перемеще. ний.Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодирующие элементы, выполненные в виде 10 магнитопроводов с источником магнитного потока, считывающие элементы, магнитодиоды, установленные в зазорах кодирующих элементов, последовательно с которыми включены стабилизаторы тока, нагрузочные резисторы и источники опорного напряжения для выделения сигналов "1" 11 .Основным недостатком этого преобразователя является низкая технояр гичность изготовления, обусловленная наличием в схеме полевых и биполярных транзисторов, технология изготовления которых различна, что затрудняет применение твердотельной технологии 25 производства считывакщих узлов в микросхемном исполнении. С другой стороны, большой технологический разброс начальных токов стоков полевых транзисторов требует подбора резисторов в цепях истоков, обеспечивающих режим работы магнитодиодов и, следовательно, выходных напряжений на магнитодиодах. 2. Преобразователь по п.1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что формирователь импульсов выполнен в виде последовательно включенных стабилизатора тока, ключа и резистора, выход стабилизатора тока соединен с входом форми рователя импульсов, а выход ключа - с выходом формирователя импульсов, управляющие входы стабилизатора тока и ключа соединены с первым и вторым управляющими входами формирователя импульсов, вход стабилизатора тока 1 Наиболее близким к изобретению явт 35 ляется преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного потока, в зазорах магнитопроводов уста 4 О новлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя по ИЛИНЕ, выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инверявляется входом питания формирователяимпульсов. 3. Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что стаби лизатор тока выполнен на парных биполярных транзисторах, базы которых соединены через резисторы с управляющим входом стабилизатора тока, эмит теры соединеньъ с входом стабилизатора тока, а коллекторы - с выходом стабилизатора тока.Ключи 5 выполнены на транзисторах Т 4, эмиттеры которых подключены к точкам соединения магнитодиодов 3 и коллекторов транзисторов 13. Базы транзисторов 14 через ограничивающие резисторы подключены к выходу источника 10 опорного напряжения, а коллекторы соедйнены с резисторами 6 и входами сумматоров 7 по модулю два, выполнен ных на транзисторах 15, разделительных диодах 16 и пороговом диоде 17. Базы транзисторов 15 через резисторы соединены с разделительными диодами 16 и подключены к точкам соединения резисторов 6 и транзисторов 14, а коллекторы объединены и через ограничивающий резистор подключены к расширителю по ИЛИ-НЕ 8, выполненному на транзисторе 18.Преобразователь работает следующим образом,В исходном (нулевом) положениикодирующего элемента 2, соответствующем входному углу в = О все магнитодиоды 3 -38 находятся вне рабочегозазора кодирующего элемента 2, т.е.индукция В = О. В этом случае черезмагнитодиоды 3 - 38 протекает ток,равный току стабилизаторов 4 тока, анапряжения определяются точкой пересечения прямой 1 = сопят и вольт-амперной характеристикой магнитодиода 3(ВАХ ИДЗ) соответствующей группы, например точка 4 С (фиг.4), лежащая напересечении выходной характеристикистабилизатора 4 тока - кривая О.и ВАХ ИД при В = О - кривая С. Поскольку напряжение П источника 10 относительно общей точки магнитодиодов 3 больше чем их нулевое напряжение, т.е.УУ(В=О, 1= 1 ), то все ключи5 закрйты, так как базам транзисторов14 приложено отрицательное. напряжение равное разности (Н - П ) ( О.На Фиг.4 напряжению Пс соответствует кривая Н, слева от которой расположены ВАХ ЙДЗ при В = О, и в.области токов 1 1 р , Транзисторы 15 и, следовательно, 18 также закрыты, что соответствует нулевой комбинации сигналов на выходах преобразователя 2 в" 21 2 д 21При повороте кодирующего,элемента .2 на один квант (р( =22,5 в )один из :магнитодиодов .3, например З, окажется в рабочем зазоре под воздействием магнитного поля с индукцией В = Вр .,В этом случае ВАХ МДЗ переместится в положение, изображенное на фиг.4 кривой 0 или Р, в зависимости от величины магниточувствительности, При заданном стабилизатором 4 токе 1 = 1 рнапряжению на магнитодиоде 3 соответствует точка ф или Г, следовательно,ключ 5, включенный параллельно магнитодиоду 3, откроется, поскольку потенциал эмиттера относительно баэйтранзистдра 14 изменит знак, а велипервый и второй формирователи импуль. сов с первым и вторым входами первого сумматора по модулю два, третий и четвертый магнитодиоды соединены через третий и четвертый формирователи импульсов с"первым и вторымвходами второго сумматора по модулю два, пятый и шестой магнитодиоды соединены через пятый и шестой формирователи импульсов с первым и вторымвходами третьего сумматора по моду лю два, выход которого соединен через второй инвертор с третьим выходом преобразователя, седьмой и восьмой магнитодиоды соединены через седьмой и восьмой формирователи импульсов с 15 входами первого и третьего инверторов, выход третьего инвертора соединен с четвертым выходом преобраэователя, выходы первого и второго источников опорного напряжения соединены с первым и вторым управляющими входами формирователей импульсов.Формирователь импульсов выполнен в видепоследовательно включенных стабилизатора тока, ключа и резистора, выход стабилизатора тока соединен с входом формирователя импульсов, а выход. ключа - с выходом формирователя импульсов, управляющие входы стабилизатора тока и ключа соединены с первым и вторым управляющими 30 входами формирователя импульсов, вход стабилизатора является входом питания Формирователя импульсов.Кроме того, стабилизатор тока вы- . полнен на парных биполярных транэисто., 35 рах, базы которых соединены через резисторы с управляющим входом стабили-,. затора тока, эмиттеры соединены с входом стабилизатора тока, а коллекторы с выходом стабилизатора тока.На фиг.1 представлена конструкция одного из отсчетов преобразователя угла поворота вала в код, разрезф на фиг.2 - структурная схема преобразователя, на Фиг,З - принципиальная схема одного отсчета преобразователя 45 на фиг.4 - графики, поясняющие йринцип работы преобразователяПреобразователь содержит входной вал 1,.связанный с кодирующим элементом 2, в рабочем зазоре которого уста 50 новлены магнитодиоды 3, стабилизаторы 4 тока, ключи 5,резисторы б, сумматоры 7 по модулю два, расширитель по ИЛИ-НЕ 8, инверторы 9, источник 10 опорного напряжения, источник 11 55 опорного напряжения. Стабилизатор 4 тока, ключ 5 и резистор б образуют Формирователь 12 импульсов.Стабилизаторы 4 тока магнитодиодов Э выполнены на парных биполярных 60 транзисторах 13 (Фиг.З), базы которюс, через резисторы подключены к выходу источника 11 опорного напряжения, ко торый выполнен на стабилитроне и резисторе (на фиг.2 не обозначены), 65чина его достаточна для насыщения ключа 5. Однако резистор 6 при открытом ключе шунтирует магнитодиод З, следовательно, ток стабилизатора 4 в этом случае равен сумме токов:1=51(В = Ву) + 1,где 1 - ток коллек. торЕ, протекающий по резистору б открытого ключа 5. На фиг.4 току резистора б соответствует линия нагрузки Я. Следовательно, суммарная ВАХ резистора 6 и магнитодиода 34, изуб раженная на фиг.4 кривой р или Р пересекает кривую тока 1 в точках д или х . Отсюда напряжение на входе сумматора 7 определяется падением напряжения на резисторе б, ток которо го равен разности1 = 1 - 1 .(В)На фиг4 току 1 соответствуетотрезок ь или к 1 . При достижении 20перепада напряжения на резисторах 6до напряжения срабатывания сумматора7, Равного 0 с В 20 фтс, + 6 вгде Ъфнапряжение отсечки диодов 16 и 17,04 з - пРЯмое напРЯжеиие пеРехода эмит тер - база транзистора 15. Последнийоткрывается и,создает цепь для токабазы расширителя по ИЛИ-НБ 8, выполненного на транзисторе 18. Току коллектора транзистора 18 соответствует З 0сигнал ф 1" на выходе преобразовате-.ля в разряде 2,При повороте вала 1 на угольв45 , соответствующий двум:.квантам,в магнитном поле с индукцией В = В З 5окажется и второй магнитодиод 3.Следовательно, на выходе преобраэова"теля в разряде 2 тоже появится сигнал "1" аналогичный описанному. поскольку магнитодиод З останется врабочем зазоре кодирующего элемента 402, то на выходе преобразователя будеткомбинация сигналов 1100, кодирующаявторой квант угла поворота.При увеличении входного угла поворота до значения 4( = 67,5 соответстовующего третьему кванту, в рабочемзазоре кодирующего элемента 2 окажутся магнитодиоды с номерами 332 и ЗЕ. В этом случае открыты обаключа,параллельные магнитодиодам 503 и 3, однако на выходе преобразоМвателя в разряде 2 а сигнал ф 1 ф сменится сигналом "0", поскольку рж:"ность падений напряжений на резисторах б не превышает напряжение срабатывания на входах сумматора 7, Следовательно, транзисторы 15 и 18 закрыты, а на выходе преобразователявыставлен код параметра 0100.При повороте вала 1 на угол, прикотором считывающий магнитодиод 3 60окажется вне рабочего зазора, т.е.,при В = О, а 3 в рабочем зазоре кодирующего элемента 2 с индукцйейВ = В 8, на выходе преобразователя вразряде 2 выставлен сигнал "1". 65 Аналогичным образом работают и другие ячейки двоичных разрядов 2 2 и 2 , при этом разряды 2 и 22 3представляют половину ячейки, что видно из функциональной схемы на Фиг.2.Изменению входного угла в пределах Ь Ф = 0-360 на входах преобразователя соответствуют 16 комбинаций двоичного рефлексного 4-разрядного кода (Грея). Снижение перепада напряжений на входах сумматоров 7, вызванного разбросом магниточувствительности магнитодиодов 3 и Зз, З и Зб, Зу и 3 , одновременно находящихся в магнитном поле с индукцией Ву, обеспечивается соответствующим выбором величины сопротивления резисторов б.На фиг.4 видно, что перепад напряжений между рабочими точками Ь и 2 увеличивается с увеличением сопротивления резисторов б, а с уменьшением- уменьшается. Однакочрезмерно малые величины сопротивления резисторов б наряду с выравниванием суммарных ВАХ р и у уменьшают абсолютные значения / /напряжений на резисторах 6 и ухудщают условиянасыщения ключей 5. Следовательно, оптимальная величина сопротивлений резисторов б, обеспечивающая уменьшение перепада напряжений в,рабочих точках в 2,5-3 раза по сравнению с разбросом напряжений на магнитодиодах 3, обусловленным разной магниточувствительностью их, определяется соотношением, полученным экспериментальным путем:051 3 1 Н )1 В=В, Д где 1 - сток стабилизатора 4 тофкаф1 Я - току протекающий по реЬ зистору б при открытомключе 5,1 ДЬ=81 Я- максимальный ток магнитодиода 3 в точке БМояпри индукции В = 1 (нафиг,4 это точки т и О).На фиг.4 приведены реальныеВАХ ИД типа КД 304 В, снятые при наихудших для работы магнитодиодов 3условиях эксплуатации, характерных для объектов в полевых условиях наоткрытых оросительных системах.; Один из магнитодиодов 3, ВАХ которого представлены кривыми при В = 9 и р при В 6 = ОЗТл и при с = +65 Соимеют вох ьтовую магниточувствительность щ = 11,66, а другой (кривые С и у) имеет магниточувствительность Ув = 26,66 при этом отношение магниточувствительностей их равно /в,2,2. Иэ фиг.4 также видно, что перепад напряжений на магнитодиодах иа уровне 1 Ф 15 мА (точкн а и Г, равен 2,35 В. Разность напряжений, приложенная к входам сумматора в устройстве-прототипе, напряжениесрабатывания которого равно 2 Щ транзисторов сравнения, приводит к ложной инФормации на выходе преобра эователя. Это в свою очередь приводит к необходимости сужения диапазона изменения напряжения дистанционного питания преобразователей и, соответственно, ограничению диапаэона расстояний размещения преобразователей на объектах от контролиру-. емого пункта телемеханики. Таким об разом, для устройства-прототипа диапазон изменения напряжения питания находится в пределах 1,2 В (точки 6 и в), что составляетф(б)% от номинального значения. 15В предлагаемом устройстве перепад напряжений на магнитодиодах ф уменьшен до 1 В (точки Ь и В) ,причем разность напряжений, приложенная к входам сумматора 7, составляет всего 0,7-0,8 В, что в 3-4 раза меньше напряжения срабатывания. Как видно на Фиг.4, преобразователь устойчиво работает в широком диапазонеизменения напряжения дистанционного питания от Еф фкцб 3 В до Е ф 10 3 В, при этом колебания ьЕ составляют 1(24-25)Ъ от среднего значения, что в 3-4 раэа расширяет диапазон изменения дальности раположения преобразователей от контролируемого пункта, осуществ- З 0 ляющего сбор инФормации при дистанционном питании группы рассредоточенных объектов. узлов наиболее прогрессивным способомна основе твердотельной технологиипроизводства микросхем. Включение паРаллельно считывающим магнитодиодом 3 дополнительных ключей с активной нагрузкой улучшает равномерность квантования при заданной разрешающей способности, т.е. улучшает метрологические характеристики преобразователя. Действительно, в 40 устройстве-прототипе перепад напряжений на входах сумматоров, определяемый разбросом Ц-(В=О), входит с разным знаком в зависимости от йаправле-. ния вращения, т.е. от последователь ности, в которой магнитодиоды, например 3 и 3, входят в рабочий зазор с индукцией В 8. Следовательно, абсолют ной величине приращения угла/Ь,( соот ветствуют различные абсолютные эначения перепада напряжений на входах сумматоров. Измеренная в устройстве- прототипе погрешность квантования равна +7 при величине кванта 22,5 ,В предлагаемом устройстве ключи 5 всегда заперты отрицательным потенциалом (в случае В=О), что видно иэ Внг.4, где ВАХ ИД при В=О расположе)ы слева от линии смещения Н,.причем 0 не зависит от направления вращени%, а зависит от приращения индук ции ЬВ. Следовательно, напряжение на входах сумматора 7 в предлагаемом пре. обраэователе равно либо падению напряжения на резисторе б, либо перепадунапряжений в случае, когда оба магнитодиода 3 находятся в магнитном поле,при этом величина тока резисторов б(ключей 5) не зависит от направлениявращения. Отсюда погрешность квантования в предлагаемом преобразователепостоянна, а величина ее, для одних,и тех же условий и магнитодиодов вдва раза меньше и составляет 3. Другим техническим преимуществом предлагаемого устройства является воэможность применения твердотельно 1технологии производства и микросхемного исполнения электрической схемы преобразователя, поскольку в приведенной схеме отсутствуют полевые транзисторы, а используются лишь биполярные транзисторы и резисторы, величины сопротивлений которых не ,превышают 8-10 кОм, что также соответствует требованиям твердотельной технологии производства микросхем. Действительно, как видно иэ схемы, приведенной на Фиг.З, стабилизаторы 4 тока выполнены на парных биполярных транзисторах, базы которых через"резисторы подключены к одному общему стабилитрону 12, прямое напряжение которого на 0,1 В превышает напряжение У 8 транзисторов 13.Кроме того (фиг.З), для Формирования сигналов "1" в разрядах 2 и 2 в случаях, когда магнитодиоды 34 или 38 находятся в магнитном поле с индукцией В, дополнительного источника опорного напряжения не требует-ся. В устройстве-прототипе в качестве такого источника используется магнитодиод и стабилизатор тока, выполненный на полевом транзисторе КПЗОЗ В, в истоковой цепи которого включен переменный резистор типа СП 5-2, служащий для выбора оптимальной рабочей точки на ВАХ МД, обеспечивающей.срабатывание одного, двух, а в случае двухотсчетного преобразователя и трех инверторовПреимуществами предлагаемого преобразователя являются следующие: надежность работы устройства в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды до с р 65 фС и напряжения дистанционного питания 4 Е= = 25% что позволяет располагать преобразователи на объектах измерения параметров, удаленных на различные расстояния (до 1 км) от контролируемого пункта без дополнительной уста:новки стабилизаторов напряжения на ;каждом преобразователе, в 2,33 раза меньше погрешность квантования, возможность производства считывающих