Преобразователь угла поворота вала в код

 

Преобразователь вала в код относится к измерительной технике и автоматике и может быть использован для преобразования сигналов с датчиков типа СКТ. Цель изобретения - увеличение быстродействия и точности, а также разрядности выходного кода. Цель достигается введением последовательно соединенных первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и инвертора, счетчика и блока электронного нониуса и второго компаратора, а также новыми связями. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и автоматике и может использоваться для преобразования сигналов с датчиков типа СКТ и им подобных в цифровой двоичный код.

Известен цифровой преобразователь перемещений, реализующий развертывающее преобразование угол-амплитуда-временной интервал-код [1].

Источниками погрешности преобразования амплитуды сигнала во временной интервал в нем являются аналоговые демодуляторы, дифференциальный усилитель, перемножающие ЦАП и формирователь кодов синуса и косинуса на основе ПЗУ с синусной прошивкой.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь угла поворота вала в код с промежуточным преобразованием амплитуды во временной интервал, содержащий генератор импульсов высокой частоты, блок питания синусно-косинусного датчика угла (СКДУ), состоящий из последовательно включенных делителя частоты и фильтра, коммутатор октантов, фазосдвигающий элемент, двухполупериодные выпрямители, компаратор, измеритель временных интервалов [2] .

Источником погрешности в прототипе являются двухполупериодные выпрямители, искажающие как величину, так и форму выпрямляемых сигналов.

Целью изобретения является повышение точности преобразования при сохранении высокого быстродействия.

Для достижения цели при наличии типичных для датчиков типа СКТ преобразуемых сигналов U_s = U_m sinΘsin ωt; U_c = U_m cosΘsinωt; = -U_mcosΘsinωt,, (1) где U_m - амплитуда сигнала; Θ - угол поворота оси датчика; ω - несущая частота, предлагается первый из сигналов линейно преобразовать в вид U_s^* = U_m sinΘ cosωt ₍₂₎ (например, с помощью инвертирующего интегратора), сравнить на двух компараторах с двумя оставшимися входными сигналами и по результатам сравнения с помощью элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ выделить временной интервал, пропорциональный углу Θ.

Для этой цели в известный преобразователь, содержащий формирователь старших разрядов, например формирователь квадрантов, ключ, компаратор, интегратор и генератор импульсов, введены второй компаратор, два логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и инвертор, счетчик, блок электронного нониуса,а также новые связи.

На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя угла поворота вала в код; на фиг.2 - схема блока определения квадранта; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу блока определения квадранта.

Преобразователь содержит формирователь старших разрядов, выполненный в виде блока 1 определения квадранта, ключ 2, счетчик 3 импульсов, интегратор 4. компараторы 5 и 6, элементы ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ 7 и 8, инвертор 9, генератор 10 импульсов, блок 11 электронного нониуса и СКДУ 12.

Блок 1 определения квадранта содержит компараторы 13, 14 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15.

Для увеличения быстродействия преобразователя в качестве формирователя старших разрядов может быть использован наряду с блоком 1 определения квадрантов и селектор октантов.

Введение в преобразователь генератора 10 позволяет увеличить точность преобразования. Введение в преобразователь блока 11 электронного нониуса с дополнительным счетчиком позволяет увеличить разрядность преобразователя без повышения тактовой частоты.

Блок 1 формирует два старших разряда кода угла, соответствующие углам 180 и 90^о.

В качестве синхронизированного генератора 10 может быть использована микросхема 564ГГ1.

Преобразователь работает следующим образом.

С помощью инвертирующего интегратора 4 сигнал U_s=U_msinΘsinωt преобразуется в сигнал U_s^* = U_m sinΘ cosωt (фиг.3а).

Компараторы 5, 6 сравнивают сигналы U_c, и U_s^* и выделяют на входе ключа временные интервалы t_и= . (3)
Временные интервалы заполняются частотой f_т (фиг.3б, в,г) и на счетчике 3 импульсов образуется код всех остальных младших разрядов.

Полное время одного цикла преобразования не превышает половины периода несущей частоты и может быть еще уменьшено при использовании в качестве формирователя 1 не формирователя квадрантов, а селектора октантов.

Из формулы (3) следует, что в преобразователе отсутствуют все главнейшие методические погрешности, включая дифференциальную нелинейность, и основной погрешностью является стабильность несущей частоты, которая при стабилизации кварцем может достигать величины порядка 10^-6-10^-7. Но и эта погрешность может быть уменьшена при синхронизации несущей и тактовой частот, так как код угла
N_Θ= .

Как уже упоминалось выше, разрядность преобразования может быть увеличена без повышения тактовой частоты и времени преобразования с помощью использования электронного нониуса.

Инструментальная погрешность определяется в основном погрешностями интегратора и компараторов, что при современной элементной базе позволяет достигать величин порядка 10^-5-10^-6, т.е. точного преобразования 18-20 двоичных разрядов.

Лучшие современные измерительные приборы и цифровые вольтметры переменного тока имеют точность не более 0,01%.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий синусно-косинусный датчик угла, синусный и косинусный выходы которого соединены с блоком определения квадранта, выходы которого являются выходами старших разрядов преобразователя, первый компаратор, ключ, интегратор, генератор импульсов, отличающийся тем, что, с целью увеличения его быстродействия и точности, а также разрядности выходного кода, в него введены второй компаратор, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор, счетчик, блок электронного нониуса, косинусный и инверсный косинусный выходы синусно-косинусного датчика угла соединены с прямыми входами соответственно первого и второго компараторов, выходы которых соединены с входами первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с одним входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого через инвертор соединен с управляющим входом ключа и входом блока электронного нониуса, выход ключа соединен с входом счетчика, выходы которого и выходы блока электронного нониуса являются выходами младших разрядов преобразователя, синусный выход синусно-косинусного датчика угла через интегратор соединен с инверсными входами первого и второго компараторов и непосредственно с входом синхронизации генератора импульсов, выход которого соединен с информационным входом ключа, выход младшего из старших разрядов блока определения квадранта соединен с другим входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3