Функциональный преобразователь угловых перемещений

 

1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий поворотный модулирующий диск,выполненный из непрозрачного материала с фигурным окном, и неподвижный считывающий элемент, вход которого соединен с первым выводом токозадающего резистора, а выход подключен к . информационному входу блока преобразования считанного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения технологии изготовления преобразователя,он содержит ключевой транзистор и последовательно включенные генератор импульсов элемент задержки и , первый и втпоой инверторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами блока преобразования считанного сиг- . нала, подключенного третьим управляющим входом к генератору импульсов, коллектор ключевого транзистора подсоединен к шине постоянного напряжения , а его база и эмиттер подключены соответственно к выходу элемента задержки и к второму выводу токозадающего резистора, поворотный модулирующий диск покрыт токопроводящим слоем, а неподвижный считывающий элемент выполнен в виде размещенных на общем проводящем основании двух полосковых трансформаторов , один из которых расположен радиально вдоль поворотного модулирующего диска, а другой - за его пределами , первичные шины полосковых трансформаторов соединены последовательно и согласно и включены между входом неподвижного считывающего элемента и шиной нулевого потенциала, а их вторичные шины - последователь но и встречно и являются выходом (Л неподвижного считывающего элемента. 2. Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что в нем . блок преобразования считанного си|- (нала содержит диодно-резистивный делитель напряжения, первый и второй транзисторные токовые переключите- 4 СО 05 ли,накопительный конденсатор и истоковый повторитель, выход которого является выходом блока, первый транзисторный токовый переключатель -содержит три транзистора с общим эмитСО терным резистором, подсоединенным к шине постоянного напряжения, база первого из трех транзисторов первого транзисторного токового переключателя и выход диодно-резистйвного делителя напряжения являются информационным входом блока, базы второго и третьего транзисторов первого транзисторного токового переключателя являются соответственно третьим и первым управляющими входами блока, а их коллекторы объединены и под|5люче

„„SU„„1043679

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН з(ю G 06 G 7/26; С 08 С 9/РР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 1 .и (21) 3454206/18-24 (22) 15.06.82 (46) 23.09.83. Бюл. 1 35 (72) А. Д. Бах, А. П. Ганин,В. В.Чернецкий и С. П. Сергеев (71) Ордена Ленина институт кибернетики АН Украинской ССР (53) 681 ° 3(088.8) (5 ) 1 . Авторское свидетельство СССР

N 748840, кл. 6 08 С 9/04, 1978.

2. Свечников С. В. и др. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы, М., "Советское радио", 1975, с. 184 (прототип). (54) (57) 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержа-. щий поворотный модулирующий диск,выполненный из непрозрачного материала с фигурным окном, и неподвижный считывающий элемент, вход которого соединен с первым выводом токозадающего резистора, а выход подключен к информационному входу блока преобразования считанного сигнала, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения технологии изготовления преобразователя, он содержит ключевой транзистор и последовательно включенные генератор импульсов элемент задержки и первый и вт ооой инверторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами блока преобразования считанного сиг- . нала, подключенного третьим управляющим входом к генератору импульсов, коллектор ключевого транзистора подсоединен к шине постоянного напряжения, а его база и эмиттер подключены соответственно к выходу элемента задержки и к второму выводу токозадающего резистора „поворотный модулирующий диск покрыт токопроводящим слоем, а неподвижный считывающий элемент выполнен в виде размещенных на общем проводящем основании двух полосковых трансформаторов, один из которых расположен радиально вдоль поворотного модулирующего диска, а другой - за его пределами, первичные шины полосковых трансформаторов соединены последовательно и согласно и включены между входом неподвижного считывающего элемента и шиной нулевого потенциала, а их вторичные шины - последовательно и встречно и являются выходом неподвижного считывающего элемента.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что в нем, блок преобразования считанного сиг нала содержит диодно-резистивный де- 3 литель напряжения, первый и второй транзисторные токовые переключате- CD ли,накопительный конденсатор и ис- 4 токовый повторитель, выход которого С О является выходом блока, первый тран- ф;) зисторный токовый переключатель содержит три транзистора с общим эмит- ф терным резистором, подсоединенным к шине постоянного напряжения, база первого из трех транзисторов первого транзисторного токового переключателя и выход диодно-резистявного делителя напряжения являются информационным входом блока, базы второго и третьего транзисторов первого трлнзисторного токового переключателя являются соответственно третьим и первым управляющими входами блока, а их коллекторы объединены и подключе10ч36 ны к входу диодно-резистивного делителя напряжения и шине постоянного напряжения, второй транзисторный токовый переключатель содержит два транзистора с общим эмиттерным резистором, подсоединенным к шине постоянного напряжения и через опорный диод-к базе первого транзистора второго транзисторного токового переключателя и к первой обкладке накопитель79 ного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с коллекторами первых транзисторов первого и второго транзисторных токовых переключателей и с входом истокового повторителя, коллектор второго транзистора второго транзисторного токового переключателя подключен к шине нулевого потенциала, а его база является вторым управляющим входом блока.

Изобретение относится к преобразователям форм представления информации, а именно к функциональным преобразователям (ФП) угловых перемещений вала в напряжение постоянного тока, Известны синусно-косинусные фП нв

S вращающихся трансформаторах(1 ).

Однако они пригодны, в основном, для преобразования угла в гармонический сигнал, Кроме того, они сложны в производстве и материалоемкости, по- скольку содержат многовитковые обмотки и магнитные материалы, Точность преобразования на их основе невысока вследствие недостаточно высокой повторяемости конструктивных параметров при изготовлении, Наиболее близким по техническому решению к изобретению является функциональный преобразователь угловым перемещений, содержащий считывающий элемент в виде фоточувствительного резистора, соединенный через регистр с источником постоянного напряжения, источник подводимой энергии в виде осветителя, установленного над резистивным элементом и состоящего из лампы накаливания и линзы, модулирующий элемент в виде непрозрачной маски, укоепленной на валу преобразователя и перемещающейся между резистивным элементом и щелевым осветителем, а также блок преобразования считанного сигналаГ2. .

Недостатком такого преобразователя является относительно невысокая точность и сложность изготовления.

Целью изобретения является повы" шение точности и упрощение технологии изготовления преобразователя, 2

Поставленная цель достигается тем, что функциональный преобразователь угловых перемещений, содержащий поворотный модулирующий диск,выполненный иэ непрозрачного материала с фигурным окном, и неподвижный считывающий элемент, вход которого соединен с первым выводом токозадающего резистора, а выход подключен к информационному входу блока преобразования считанного сигнала,, содержит ключевой транзистор и последовательно включенные генератор импульсов, элемент задержки и первый и второй инверторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами блока преобразования считанного сигнала, подключенного третьим управляющим входом к генератору импульсов, коллектор ключевого транзистора подсоединен к шине постоянного напряжения,. а его база и эмиттер подключены соответственно к выходу элемента задержки и ко второму выводу токозадаю" щего резистора, поворотный модулирующий диск покрыт токопроводящим слоем, а неподвижный считывающий элемент выполнен в виде размещенных на общем проводящем основании двух полосковых трансформаторов, один из которых расположен радиально вдоль поворотного модулирующего диска,а другой - за его пределами, первичные шины полосковых трансформаторов соединены последовательно и согласно и включены между входами неподвижного считывающеro элемента и шиной нулевого потенциала, а их вторичные шины " последовательно и встречно и являются выходом неподвижного считывающего элемента.

Блок преобразования считанного сигнала содержит диодно-резистивный делитель напряжения, первый и второй транзисторные токовые переключате" ли, накопительный конденсатор и ис" токовый повторитель, выход которого является выходом блока, первь!й транзисторный токовый переключатель содержит три транзистора о общим эмиттерным резистором, подсоединенным к шине постаянного напряжения, база первого из трех транзисторов первого транзисторного токового переключател и выход диодно-резистивного делителя напряжения являются информационным. входом блока, базы второго и третьего транзисторов первого транзисторного токового переключателя являются соответственно третьим и первым. управляющими входами блока, а их коллекторы объединены и подключены ко входу диодно-резистивного де" лителя напряжения и шине постоянного напряжения, второй транзисторный токовый переключатель содержит два тра зистора с общим эмиттерным резистором, подсоединенным к шине постоянно

ro напряжения и через опорнйй диодк базе первого транзистора второго транзисторного токового переключателя и к первой обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с коллекторами первых транзисторов первого и. второго транзисторных токовых переключателей и со входом истокового повторит ля, коллектор второго транзистора второго транзисторного токового переключателя подключен к шине нулевого потенциала, а его база являет" ся вторым управляющим входом блока.

На чертеже приведена схема функци онального преобразователя угловых перемещений, Преобразователь содержит неподвиж ный считывающий элемент 1 со входом

2, выполненный в виде двух идентичных полосковых трансформаторов 3 и

4, каждый иэ которых содержит расположенные в параллельных плоскостях индуктивно связанные вторичные и первичные шины 5 и 6. Проводящее основание 7 является общим для всех шин полосковых трансформаторов 3 и 4

Один вывод первичных шин 6 через токоэадающий резистор 8 соединен с ключевым транзистором 9, а другой в вод соединен с заземленным проводящим основанием 7, выходы вторичных

1043679 4 шин полосковых трансформаторов 3 и

4 - с делителем. напряжения, состоящим из резистора 10 и диода .11. и входящим в состав блока 12 преобразования считанного сигнала. Блок 12 преобразования состоит также из транзисторного токового переключателя на транзисторах 13-15 и резисторе 16,. транзисторного токового переключате10 ля на транзисторах 17, 18 и резисторе 19, накопительного конденсатора 20,, истокового повторителя на полевом я транзисторе 21, резисторе 22 и конденсаторе 23 и опорного диода 24. Пре15 образователь содержит также поворотный модулирующий диск 25 с фигурным окном, генератор 26 импульсов, соединенный с базой транзистора 18 и через элемент 27 задержки - с базой транзистора 19. Выход элемента 27 задержки через первый инвертор 28 соединен с базой транзистора 15; выход первого инвертора через второй weepтор 29, соединен с базой транзистон 5 ра 14.

Преобразователь работает следующим образом.

Генератор 26 импульсов создает периодические .импульсные сигналы прямоугольной формы, служащие для открывания транзистора 9, который преобразует импульсы напряжения в импульсы тока возбуждения считывающего элемента 1, амплитуда которого

35 определяется токозащищающим резистором 8, поскольку сопротивление первичЪ ных шин 6 мало. В момент нарастания g

Фронта тока воэбуждения1 1 (4 " )

8 В

40 где 3>-амплитуда ТоКа; ная времени нарастания, вокруг первичных шин 6 создается нарастающее во времени практически с постоянной магнитное поле.

Поскольку между шинами 5 и 6 cy.45 ществует погонная взаимная индуктивность величины Н о, то во вторичных шинах 5 в момент нарастания фронта тока индуцируется напряжение считан,50 ного сигнала. На участке вторичной шины 5 длиной g индуцируемое напряжение равно а е =М

8 о 34

При этом амплитуда напряжения

55 считанного сигнала в момент t = 0

ы» 8, равна 8 =М . Поскольку

0 трансформаторы 3 и 4 идентичны и

1043 возбуждаются током одинаковой величины, то при отсутствии проводящего слоя на модулирующем диске 25 над трансформатором 4 сигналы е е, н и си гнал с 1 2= О, 5 поскольку вторичные шины трайсформаторов включены .встречно.

Рассмотрим работу трансформаторов при условии, что проводящий слой модулирующего диска 25 распола- 10 гается над трансформатором 4 и имеет ширину Ь(Ч) .. Этот проводящий слой располагается на .значительно меньшем расстоянии от шин 5 и 6, чем высота несимметричных полосковых линий,об- 15 разованных этими шинами, диэлектриком и проводящим основанием 7. Поэтому магнитное поле рассеивания первичных шин 6 эффективно охватывает не только вторичные шины 5, но и взаи-2р модействует с проводящим слоем модулирующего диска 25. В результате проникновения магнитного поля в металл проводящей поверхности модулирующего диска 25 в ней возникают -вихревые 25 токи (Фуко), магнитное поле которых по закону Ленца направлено встречно магнитному полю первичных шин 6. В результате вычитания полей потокосцепление шин .5 и 6 будет уменьшено. щ

Это уменьшение характеризуется коэффициентом модуляции магнитного по м ля, где Им- погонная взаимо ная индуктивность шин 5 и 6 при на- 35 личии проводящей поверхности на модулирующем диске 25.

Амплитуда напряжения на выходе полоскового трансформатора 4 е йrn

3 40

М Ь(М) Е+М ж Ь(МИ в, Результирующее напряжение на выходе чувствительного элемента

-м,(s-ъ{чЦ = (м,-и„,)ъ(ч), Подставив значение d", получим м,(q- г)з, е, Ь(Ч), где коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного напряжения и шириной модулирующего элеменN0(4 d 6 та Ь (т) К = i Полученное

1 Ь импульсное найряжение амплитудой

619 Ь е„преобразуется блоком 12 в напряжение постоянного тока 0 (1 ) пропорциональное ширине модулирующего элемента Ь(М), Такое преобразование достигается запоминанием амплитудных значений е на интервале

cm времени, равном периоду следования импульсов возбуждения считывающего элемента 1.

Блок 12 преобразования работает следующим образом.

Напряжение е воздействует на базу трайзистора 13.. В начальный момент действия сигнала транзисторы 13 и 15 заперты положительным напряжением на эмиттере транзистора 14.В момент нарастания считанного сигнала до амплитудного значения е транс пч зистор 14 запирается, а транзистор

13 отпирается вследствие протекания тока эмиттера по сопротивлению ре-ь зистора 16. Напряжение смещения делителя 10, 11 выбрано таким образом, что в момент максимального считанного сигнала транзистор 15 остается запертым. При этом ток коллектора транзистора 13 заряжает конденсатор 20. В начале уменьшения амплитудного значения входного сигнала

l открывается транзистор 15, а транзистор 13 запирается. Напряжение заряженного конденсатора 20 воздействует на затвор полевого транзистора 21, который обеспечивает малый ток заряда и практически неизменное выходное напряжение u(V) на период следования импульсов возбуждения.

Транзисторы 17 и 18 обеспечивают разряд конденсатора 20 перед началом считывания. На интервале запоминания открыт транзистор 18, а транзистор 17 заперт, Выходной импульс генератора 26 запирает транзистор 18, и на время действия импульса отпирается транзистор 17, через который происходит разряд конденсатора 20.

Поскольку элемент 27 задержки производит задержку импульса на время, большее его длительности; то переключатель тока на транзисторах

17 и 18 возвращается в исходное состояние к моменту поступления c÷èтанного сигнала. Переключательный режим работы транзисторов 17 и 18 обеспечивается опорным диодом (стабилитроном) 24. Конденсатор 23 .на выходе блока 12 обеспечивает сглаживание выходного напряжения.

1043679 8 ры схемы управления. Иетоды температурной стабилизации этих параметров достаточно эффективны.

Основные технические параметры функционального преобразователя на основе полоскового трансформатора следующие: пс гонная индуктивность Ио= .=О, 7 a0 ; коэффициент модуляtO ции d 0,5, амплитуда тока возбужд nocTosHHaa вре ни нарастания фронта тока С =10 с.

При максимальной ширине модулирующего элемента Ь(г) =25 мм максимальная амплитуда сигнала е 262 мм. Если посСьч тоянная времени фронта ь 10 нс, то глубина проникновения вихревых токов в проводящую поверхность модулятора, например из меди, не превышает .15 мкм. Поэтому элементы полосковой линии и модулятор выполняются из обычных фольгированных диэлектриков, применяющихся при печатном монтаже.

Среднеквадратическое значение шумов, приведенное ко входу схемы преобразования, составляет В<д 20 скВ.Приняв пикофактор E = 3,Ug, получим количество уровней квантования по ширине модулирующего элемента е 262

2 и = 3 0,02 -4400

7 .

Если коэффициент передачи блока

12 преобразования считанных сигналов равен Кп, то выходное напряжение U (Ч ) К К..Ь() . Таким об- .

ii разом, точность преобразования блока 12 определяется стабильностью коэффициентов К и, К, 0

Поскольку К 0 то не7 посредственно из формулы следует,что величина К практически не зависит от положения модулирующего элемента,так как погонная индуктивность и коэффициент модуляции одинаковы по длине полосковой линии, поскольку она не содержит практически никаких неоднородностей. Ее сопротивление для электрического така одинаково,учитывая что геометрические размеры легко выдержать с высокой точностью, применяя,например, технологию фотохимического травления фольгированных диэлектриков по фотошаблону.При этом. не требуется новой технологии, отличной от технологии межсоединений, хорошо освоенной в электронике.

Этим достигается упрощение изготов" пения преобразователя.

Считывающий элемент 1 совершенно нечувствителен к воздействиям внешней среды. Благодаря тому, что он работает на принципе воздушного трансформатора; коэффициент передачи не зависит от попадания влаги и пыли в воз,душный зазор между модулируоцим и 35 считывающим элементами. Поэтому преобразователь не нуждается в герме)тизации и беспылевой технологии сбор ки. Температура окружающей среды воздействует на электрические парамет - 40 и разрешающую способность по перемещению модулируоцего элемента

| с1Ь(Ч) =-ц;-= 6 мкм.

Ь (Щ 250

И

Полученные значения разрешающей способности практически недостижимы в фоторезистивных преобразователях.

1043679

Составитель И. Шелилова

Редактор Н.Егорова Техред И,Иетелева Корректор.А. Тлско

Заказ 7340/53 Тираж 706 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул . Пооектная, 4