Многоканальный преобразователь угол-временной интервал

 

изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при измерении перемещений посредством-индуктивных датчиков. Цель изобретения - расширение области применения за счет многоканального режима работы. Цель достигается за счет введения в известный преобразователь, содержащий генератор импульсов, два делителя частоты, источник синусоидального квадратурного напряжения, датчик, шесть ключей, два запоминающих элемента, два фильтра низкой частоты, два компаратора и формирователь временного интервала, двух мультиплексоров и адресного счетчика, седьмого ключа и управляющего им блока анализа начальной фазы и триггера разрешения . При этом схема управления образована формирователем старт-импульсов, счетчиком и блоком анализа фазы, состоящим из последовательно соединенных фазовращателей , компаратора, блока выделения фронтов и формирователя импульса . Вновь введенные блоки позволяют организовать многоканальный режим работы преобразователя, с максимальным быстродействием за счет обеспечения переключения каналов в момент равенства нулю начальной фазцопорного напряжения и стробирования формирования временного интервала при заданном значении измеряемого сигнала. 1 з,п. ф-лы, 2 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (I () ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (21) 4769027/24 (22) 11.12,89 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Ленинградский институт ядерной физики им.Б,П.Константинова (72) М.Л. Кручин ин (53) 681.325(088.8) (56) Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: .

Энергоатомиздат, 1987, с.248.

Авторское свидетельство СССР

N 1166307, кл, Н 03 M 1/50, 1984. (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГОЛ-ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ (57) Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано при измерении перемещений посредством индуктивных датчиков.

Цель изобретения — расширение области применения за счет многоканального режима работы. Цель достигается за счет введения в известный преобразователь, содержащий генератор импульсов, два деИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при построении отсчетной части преобразователя угол — фаза-временной интервал — код при проведении нейтронструктурных исследований на яде рн ых реа кторах, кристалл-дифра к ционных исследованиях, при решении задач, связанных с навигацией, требуются измерения линейных и угловых перемещений с высокой степенью точности.

Цель изобретения — расширение области применения преобразователя за счет (s»s Н 03 М 1/50, 1/64 лителя частоты, источник синусоидального квадратурного напряжения, датчик, шесть ключей, два запоминающих элемента, два фильтра низкой частоты, два компаратора и формирователь временного интервала, двух мультиплексоров и адресного счетчика, седьмого ключа и управляющего им блока анализа начальной фазы и триггера разрешения. При этом схема управления образована формирователем старт-импульсов, счетчиком и блоком анализа фазы, состоящим из последовательно соединенных фазовращателей, ком паратора, блока выделения фронтов и формирователя импульса. Вновь введенные блоки позволяют организовать многоканальный режим работы преобразователя. с максимальным быстродействием за счет обеспечения переключения каналов в момент равенства нулю начальной фазь(опорного напряжения и стробирования формирования временного интервала при заданном значении измеряемого сигнала, 1 з.п. ф-лы. 2 ил. обеспечения многоканального режима работы преобразователя данного типа.

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу при углах, близких к 360 (или 00) (to — l5), и при углах, близких 90 (тБ — ts).

Преобразователь содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, источник 3 синусоидального квадратурного напряжения, делитель 4 частоты, дешифратор 5, ключи 6-11, синусно-косинусные датчики 12 угла, мультиплексоры 13, 14, фазоинверто3

1716603 ры 15, 16, запоминающие элементы 17, 18, фильтр 19 низкой частоты, компаратор 20, формирователь21 старт-импульсов, счетчик

22, формирователь 23 временных интервалов, триггер 24 разрешения, ключ 25, фильтр 26 низкой частоты, компаратор 27, блок 28 анализа начальной фазы, содержащий фазовращатель 29, компаратор 30, блок 31 выделения фронтов, формирователь

32 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

B моменты перехода через ноль опорного сигнала, т.е, сигнала, формируемого из квадратурного напряжения элементами 6, 7, 18, 19, формирователь старт-импульса 21 создает на своем выходе старт-импульсы (фиг. 2а), которые изменяют состояние счетчика 22, управляющего работой мультиплексоров 13, 14, а также состояние триггера 24 разрешения, При этом два мультиплексора и блоки управления ими обеспечивают последовательное подключение датчиков на время; определяемое циклом измерений, а введенный в известное устройство ключ и управляющий им блок анализа начальной фразы сигнала позволяют минимизировать переходные процессы, искажающие результаты измерений. Возможность такой минимизации возникает при учете того обстоятельст- ва, что длительность переходного процесса при подключении синусоидального напряжения к RC-цепи (которой можно условно заменить ФНЧ) зависит от момента включения, т.е. от начальной фазы этого напряжения и от сдвига фаз между током и напряжением в данной RC-цепи, Так как свободная составляющая напряжения на емкости определяется выражением где а — начальная фаза напряжения; ф — сдвиг фаз RC-цепи между током и напряжением;

0пi — амплитуда прикладываемого к RCцепи напряжения и известно, что переходной процесс отсутствует при. U«= О, то условие отсутствия переходного процесса запишется в виде а = — — у или а = n z + 2 — p, (2) =Л

2 где и = 1, 2, .... Именно в момент, когда начальная фаза сигнала преобразованной частоты а достигает значения, определяемого выражением (2), необходимо. подключить сигнал к ФНЧ и в аналогичнь и момент выключить, что приведет к отсутствию переходного процесса.

5 . Работа схемы с момента to (фиг. 2), когда по очередному старт-импульсу (фиг. 2а) счетчик 22 переходит в очередное устойчивое состояние. На фиг. 2б изображено состояние одного из разрядов счетчика 22. Муль10 типлексоры 13, 14 подключают к своим выходам синуеный и косинусный выходные сигналы очередного датчика. Управляемые дешифратором 5 ключи 8-11 открываются с частотой fo (частота импульсов на выходе

15 делителя 4) и пропускают на свой объеди. ненный выход отрезки выходных сигналов датчика, из которых на запоминающем элементе 17 образуется синусоида (фйг.2в), частота которой равна fo - fo, где fn близкая к

20 fo частота на выходе делителя частоты 2. Для подавления высших гармоник синусоида (фиг. 2в) через ключ 25 подается на вход

ФНЧ 26, имеющий значительную постоянную времени гф, примерно равную периоду

25 сигнала Тсигн.

Однако ключ 25 с целью минимизации переходных процессов открывается только тогда, когда фаза сигнала на запоминающем элементе 17 станет равной заданному

30 значению. Для определения этого момента служит блок 28 анализа начальной фазы сигнала. В момент to, когда по очередному старт-импульсу, как это описывалось ранее, счетчик 22 переходит в следующее устойчи35 вое состояние, мультиплексоры 13, 14 подключают к своим выходам датчик угла, На запоминающем элементе 17 возникает синусоида (фиг. 2в), Она проходит через фазовращатель 29, который сдвигает ее по

40 фазе таким образом, чтобы в момент t1, когда упомянутая синусоида (фиг, 2в) дос1 игнет заданного значения, в соответствии с выражением(2) и при учете фазового сдвига ФНЧ р =л, вспомогательный сигнал, снимае45 мый с выхода фазовращателя (фиг, 2г), проходил через О, Этот сдвиг фаз, создаваемый фазовращателем 29, постоянен и устанавливается один раз при настройке преобразователя. В момент t> срабатывает

50 компаратор 30 (фиг. 2д), по перепадам сигнала которого формируются блоком

31 короткие импульсы (фиг. 2е) по положительному перепаду первого же такого импульса формирователь 32 открывает ключ

55 25, высоким уровнем на своем выходе (фиг.

2ж), подключая тем самым сигнал к входу фильтра 26 в момент наименьшей длительности переходного процесса, так как длительность импульса формируемого блоком

1716603

31 может быть очень малой (г < 50 нс). Одновременно сигнал с выхода формирователя 32 поступает на вход сброса триггере 24 разрешения, что позволяет ему опрокиды-. ваться. Первый же старт-импульс в момент 5

tz по своему отрицательному перепаду переводит этот триггер в состояние "1" (фиг.

2з), что позволит формирователю 23 по по-. ложительному перепаду этого же старт-импульса начать формирование временного 10 интервалв(в данном случае он равен О, фиг.

2и). По приходу следующего старт-импульса; в момент tz триггер 24 вновь вернется в состояние "0", запрещая формирование временного интервала формирователем 23 15 (фиг, 2з). B момент.14(фиг. 2ж) заканчивается временной импульс, сформированный формирователем 32 импульса, ключ 25 закрывается.. Происходит это опять-таки в момент,, когда сигнал на запоминающем элементе 20

17 имеет фазу, равную заданному значению, таким образом достигается минимальная,длительность переходного процесса при отключении сигнала от фильтра 26. В момент времени t5 счетчик 22 вновь изменя- 25 ет свое состояние, так как в этот момент счетчик отсчитал заданное количество старт-импульсов и мультиплексоры 13, 14 подключают к своим, выходам следующий датчик угла, Весь описанный выше цикл no-. 30 вторяется. до момента тв. Всего на фиг, 4 изображены три цикла опроса датчиков, начинающиеся соответственно в момент to, t5, tg. Условно принято, что углы, измеряемые каждым датчиком, отличаются друг от друга 35 на 90 в моменты подключения этих датчиков. Соответственно начальные фазы сигналов на запоминающем элементе 17 также сдвинуты на тг /2 (фиг. 2в), Однако подключение этих сигналов к фильтру 26 ключом 25 40 равно как и отключение упомянутого сигнала от фильтра 26, происходит только в моменты, когда фаза сигнала равна заданному значению, при котором наблюдается минимальный переходный процесс. 45

Привязка работы схемы к положительным и отрицательным перепадам импульсов необходима для устранения нежелательных временных совпадений, Так, например, формирование в момент t< 50 сигнала, позволяющего опрокидываться триггеру 24 разрешения (фиг. 2ж) происходит по положительному перепаду импульсов (фиг, 2е). Само же опрокидывание триггера 24 происходит по отрицательному 55 перепаду старт-импульсов. Это сделано для того, чтобы данный триггер не мог сработать от того же старт-импульса, по приходу которого подключается очередной датчик перемещений и временной интервал, формируемый формирователем 23 по его разрешающему сигналу (фиг. 2з), был защишен от влияния погрешностей коммутации.

Формирователь 32 сработает по фронту первого же импульса, сформированного блоком 31 в момент достижения фазой измерительного сигнала заданного значения (момент t1). Этот импульс не может появиться раньше, чем будет подключен датчик угла к, преобразователю. Далее формирователь

32 отсчитывает заданное количество импульсов с выхода блока 31, держа таким образом ключ 25 открытым время деизм достаточное для измерения угла. Отсчитав заданное количество импульсов с выхода блока 31 (фиг. 2е), в момент t4 прихода очередного импульса также по его фронту происходит обратное срабатывание формирователя 32, и ключ 25 закрывается также в момент достижения фазой измерительного сигнала заданного значения, что уменьшает переходные процессы при отключении данного датчика. Таким образом, длительность выходного сигнала формирователя 32 — тз2 должна лежать в пределах

1изм.мах.< t32< Сподкл.. где сподкл, Время подключения датчика к преобразователю; деизм.мах. максимальная длительность формируемого предлагаемым устройством временного интервала, пропорционального углу поворота.

В данном случае (изображен на фиг.

2) деизм.мах. равно периоду опорного сигнала (ибо из него формируются старт-импульсы)

1подкл. = 31изм.мах., изм. мах.

1з2 2 фиг. 2ж, интервал t1- t4. При таких соотношениях между моментами подключения и отключения датчика (to и tg) и моментами начала и конца формирования временного интервала, пропорциональого измеренному углу, (tz и tz), имеется защитный промежуток, равный t<».мах. В данном случае он равен 3,2 мс, что вполне достаточно, как показывает опыт, для затухания остаточных переходных процессов, вызванных подключением и отключением датчика. В случае необходимости все временные интервалы могут быть соответственно изменены npv сохранении соотношения между ними.

1716603

На фиг. 2 показано, что при измерении угла

0 (to - t5) — подключен датчик 1; угла 90 (tg - тв) — подключен датчик 1 2; угла 180 (начиная с te) — подключен датчик 3. Указанные соотношения между временными ин- 5 тервалами сохраняются, что и обеспечивает измерение угла.

Таким образом, данный преобразователь позволяет организовать в известном преобразователе многоканальный режим с 10 высоким быстродействием, несмотря на плохую переходную характеристику этого преобразователя, заключается, как это следует из фиг. 2 в том, чтобы подключать сигнал к ФНЧ лишь в определенные моменты 15 времени, характеризующиеся минимальным переходным процессом, и лишь после этого разрешать формирование и кодирование временного интервала. Это разрешение дается по очередному старт-импульсу, при- 20 шедшему после подключений очередного датчика к преобразователю, по сигналам со старших разрядов счетчика 22 и снимается по "следующему старт-импульсу триггером разрешения, что обеспечивает исключение 25 формирования ложных временных интервалов, позволяет разнести во времени моменты коммутации аналогового сигнала и начала формирования временного.интервала, что исключает влияние погрешностей 30 коммутатора (мультиплексора) на формируемый временной интервал.

Формула изобретения

1. Многоканальный преобразователь угол-временной интервал, содержащий один синусно-косинусный датчик угла, генератор импульсов, выходы которого соединены с входами первого и второго делителей 40 частоты, выход первого делителя частоты через источник синусоидального квадратурного напряжения соединен с входами одного синусно-косинусного датчика угла, выходы источника синусоидального квадра- 45 турного напряжения соединены с информационными входами соответственно первого и второго ключей, выходы которых объединены и соединены с входом первого запоминающего элемента и входом первого 50 фильтра низкой Частоты, выход которого через первый компаратор соединен с первым входом формирователя временных интервалов, выход второго делителя частоты соединен с входом дешифратора, выходы которого с первого по четвертый соединены соответственно с управляющими входами ключей с третьего по шестой, выходы которых объединены и соединены с входом второго запоминающего элемента, первый и второй выходы дешифратора соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, второй фильтр низкой частоты через второй компаратор соединен с вторым входрм формирователя временных интервалов, первый и второй фазоинверторы, выходы которых соединены с информационными входами соответственно пятого и шестого ключей, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения многоканального режима работы, в преобразователь угол-временной интервал введены и-1 синусно-косинусных датчиков угла, где и — число каналов, два мультиплексора, счетчик, седьмой ключ, блок анализа начальной фазы, триггер разрешения, одни выходы всех синуснр-косинусных датчиков угла, соединены с информационными входами первого мультиплексора, другие выходы всех синусно-косинусных датчиков угла соединены с информационными входами второго мультиплексора, выход первого компаратора соединен с входом формирователя старт-импульсов, выход которого соединен со счетными входами триггера разрешения и счетчика, выходы старших разрядов которого соединены с адресными входами первого и второго мультиплексоров, вход второго запоминающего элемента соединен с входом блока анализа начальной фазы и информационным входом седьмого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу. блока анализа начальной фазы, а выход соединен с входом второго фильтра низкой частоты, выход блока анализа начальной фазы соединен,с входом сброса триггера разрешения, выход которого соединен с управляющим входом формирователя временных интервалов.

2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок анализа начальной фазы содержит последовательно соединенные фазовращатель, компаратор, блок выделения фронтов и формирователь импульсов.

1716603

1716603

Составитель M.Ñèäîðoâà

Техред М.Моргентал Корректор С.Шевкун

Редактор М.Товтин

Заказ 618 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101