Фотоэлектрический преобразователь перемещений в код

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам преобразования аналоговой информации. Цель изобретения повышение функциональной надежности преобразования. В фотоэлектрический преобразователь перемещений в код, содержащий фотоприемник из n+4 пар кодовых дорожек, каждая из которых выполнена в виде чередующихся светочувствительных и светонечувствительных участков, n пар кодовых дорожек выполнены в соответствии с кодом Грея, четыре пары кодовых дорожек идентичны паре кодовых дорожек младшего разряда кода Грея, в каждой паре кодовые дорожки смещены одна относительно другой на шаг квантования этих дорожек и разделены информационным электродом, пары дорожек разделены электродами питания, общими для соседних пар, а также содержащий n основных и шесть дополнительных компараторов, а также элемент ИЛИ и три элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, дополнительно введены три компаратора и три элемента И. Четыре пары кодовых дорожек смещены относительно пары кодовых дорожек младшего разряда кода Грея и одна друг относительно другой на четверть шага квантования. Их выполнение совместно с вновь введенными элементами и соответствующими связями между ними позволяют достичь поставленной цели. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам преобразования аналоговой информации.

Известен преобразователь угла поворота вала в код. В основу работы преобразователя положен метод возбуждения световым штрихом локальной зоны многоэлементного фотоприемника, кодирующие свойства которого обеспечивает специальная кодовая топология. Фотоприемник на n двоичных разрядов преобразования выполнен в виде нанесенных на изоляционную подложку из стекла или ситалла n+1 кольцевых токоведущих электродов с расположенными между ними n кодовыми дорожками, размеры и расположение фоточувствительных ячеек в которых соответствует коду Грея. За формирование одного двоичного разряда отвечает одна кодовая дорожка. Данный преобразователь чувствителен к паразитным влияниям внешней среды, к колебаниям напряжения источника питания, к старению полупроводникового материала фотоприемника. Указанных недостатков лишен фоточувствительный преобразователь угла поворота вала в код, который содержит фотоприемник и оптическую систему, формирующую световой штрих. Кодовый фотоприемник выполнен в виде расположенных между электродами дискретных дорожек с чередующимися чувствительными и нечувствительными к световому потоку ячейками, причем дорожки одного разряда сдвинуты относительно друг друга так, что чувствительные к свету ячейки одной дорожки расположены против нечувствительных ячеек другой. Для реализации n-разрядного кода используется 2n разрядных дорожек. Каждый разряд преобразования выполнен в виде трех электродов, внешние электроды соседних разрядов являются общими и предназначены для подачи положительного и отрицательного напряжения источника питания, тем самым осуществляя попарно-дифференциальное включение дискретных фоточувствительных дорожек, а внутренний электрод является сигнальным и предназначен для съема информации. Оптическая система содержит источник света, коническое зеркало, цилиндрический модулятор, формирующий световой штрих и жестко закрепленный на валу, положение которого измеряется. Преобразователь обладает высоким быстродействием, нечувствителен к оптическим паразитным подсветкам, также к колебаниям температуры благодаря попарно-дифференциальному включению разрядных дорожек, нечувствителен к колебаниям напряжения питания и не содержит ошибок преобразования связанных с естественным старением фоточувствительного материала фотоприемника. Однако он обладает низкой разрешающей способностью и невысоким процентом выхода годных изделий, обусловленных трудоемкостью технологии изготовления младших разрядов фотоприемника преобразователя, а также сложностью изготовления оптической системы, связанной с получением штриха узкой ширины.

Указанных недостатков лишен выбранный в качестве прототипа фотоэлектрический преобразователь перемещений в код, который содержит источник света, элементы ИЛИ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, n+j-разрядный кодовый фотоприемник, группу основных и группу дополнительных 2(j-1) компараторов, 2(j-1) дополнительных элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. n-разрядная часть фотоприемника содержит по две пары кодовых дорожек на каждый разряд. Эти пары кодовых дорожек идентичны паре кодовых дорожек младшего разряда n-разрядной части фотоприемника, выполненной в соответствии с кодом Грея, и сдвинуты относительно пары кодовых дорожек младшего разряда n-разрядной части фотоприемника на величину ±l L/2^j+1. Данное выполнение j-разрядной части фотоприемника и соответствующая обработка сигналов, снимаемых с кодовых дорожек, позволяет расширить разрядность преобразователя, т. е. повысить его точность. Однако этот преобразователь обладает низкой функциональной надежностью из-за использования в качестве опорных сигналов компараторов постоянного напряжения ряда независимых внешних источников питания.

Целью изобретения является повышение функциональной надежности преобразователей перемещения в код при неизменной технологии изготовления путем использования практической неразличимости электрофизических параметров фоточувствительных элементов выполненных на одной подложке на основе единого технологического процесса и использования аналоговых информационных электрических сигналов фотоприемника в качестве опорного напряжения при формировании выходного кода преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известный фотоэлектрический преобразователь перемещений в код, содержащий фотоприемник из n+4 пар кодовых дорожек, каждая из кодовых дорожек выполнена в виде чередующихся, одинаковых в каждой паре, светочувствительных и светонечувствительных участков, в каждой паре кодовые дорожки смещены относительно друг друга на величину участка этой пары и разделены информационным электродом, кодовые дорожки в каждой паре размещены между электродами питания, общими для соседних пар кодовых дорожек, нечетные электроды питания соединены с отрицательным выводом первого источника питания положительный вывод которого соединен с шиной общего потенциала и с отрицательным выводом второго источника питания, положительный вывод которого соединен с четными электродами питания, n пар кодовых дорожек выполнены в соответствии с кодом Грея, четыре пары кодовых дорожек идентичны паре кодовых дорожек младшего разряда n-разрядного фотоприемника, информационные электроды n пар кодовых дорожек соединены с первыми входами соответствующих основных компараторов, вторые входы которых, кроме основного компаратора младшего разряда, соединены с шиной общего потенциала, а выходы этих основных компараторов, кроме основного компаратора младшего разряда, являются основными выходами преобразователя, два выхода первого и второго дополнительных разрядов, информационные электроды первой и второй пар кодовых дорожек из четырех соединены с первыми входами соответственно первого и второго дополнительных компараторов, информационный электрод третьей пары кодовых дорожек из четырех соединен со вторым входом третьего и первым входом четвертого дополнительных компараторов, информационный электрод четвертой пары кодовых дорожек из четырех соединен с первым входом пятого и вторым входом шестого дополнительных компараторов, выход второго дополнительного компаратора соединен с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй и третий элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены со входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом второго дополнительного разряда преобразователя, введены седьмой, восьмой и девятый дополнительные компараторы и три элемента И, при этом четыре пары кодовых дорожек, идентичных паре кодовых дорожек младшего разряда n-разрядного фотоприемника, смещены относительно этой пары и относительно друг друга на четверть длины участка этих кодовых дорожек, информационный электрод пары кодовых дорожек младшего разряда n-разрядного фотоприемника соединен с первым входом третьего, седьмого и со вторым входом второго дополнительных компараторов, информационный электрод первой пары кодовых дорожек из четырех соединен с первым входом шестого, восьмого и со вторым входом седьмого дополнительных компараторов, информационный электрод второй пары кодовых дорожек из четырех соединен с первым входом девятого и со вторыми входами пятого и восьмого дополнительных компараторов, информационный электрод третьей пары кодовых дорожек из четырех соединен с вторыми входами первого и девятого дополнительных компараторов, информационный электрод четвертой пары кодовых дорожек из четырех соединен с вторым входом четвертого дополнительного компаратора и со вторым входом основного компаратора младшего разряда, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого дополнительного компаратора, а выход является выходом младшего разряда основных выходов преобразователя, выход пятого дополнительного компаратора соединен со вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого является первым дополнительным выходом преобразователя, выходы третьего и восьмого дополнительных компараторов соединены со входами второго элемента И, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу седьмого дополнительного компаратора, выходы шестого и девятого дополнительных компараторов соединены со входами третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого дополнительного компаратора.

На фиг. 1 показан фрагмент кодового фотоприемника преобразователя; на фиг.2 электронный блок обработки электрических сигналов.

Кодовый фотоприемник преобразователя выполнен в виде нанесенных на диэлектрическую подложку 1 металлических электродов, на одни из которых (2) подается положительное напряжение, а на другие (3) отрицательное напряжение от источников 4 питания, третьи электроды 5 являются информационными. Между электродами располжены фоточувствительные 6, 7 и нефоточувствительные 8 ячейки фотоприемника, соответствующие электрические сигналы с которых, при попадании на них светового штриха 9, поступают на вход электронного блока обработки электрических сигналов, показанного на фиг.2. Электронный блок обработки электрических сигналов состоит из первого блока компараторов, первые входы которых соединены с информационными электродами разрядов основного фотоприемника до (n-1)-го разряда включительно. Вторые входы этих компараторов соединены с шиной нулевого потенциала. Один из компараторов этого блока (n-1)-й показан вверху на фиг.2. Второй блок, состоящий из десяти компараторов 10-19, обрабатывает сигналы младшего разряда фотоприемника и четырех дополнительных кодовых дорожек. Там же показаны три 20-22 схемы И, три 23-25 схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и схема 26 ИЛИ. Цифрами 0, 1, 2, 3 и 4 обозначены информационные шины соответственно младшего разряда основного фотоприемника (0), первой (1), второй (2), третьей (3) и четвертой (4) дополнительных кодовых дорожек фотоприемника.

В основу работы преобразователя положен метод возбуждения световым штрихом локальной зоны многоэлементного фотоприемника, кодирующие функции которого обеспечивает специальная топология. Световой штрих формируемый оптической системой, попадает на рабочее поле фотоприемника и перекрывает кодовые дорожки основного фотоприемника и четырех дополнительных дорожек по линии считывания. На нагрузочном резисторе возникает сигнал, являющийся алгебраической суммой сигналов с первой и второй дорожек. Поскольку направления токов в дорожках при этом различны, то суммарный темновой ток отсутствует и на нагрузочном резисторе при движении светового штриха будет возникать периодическая последовательность положительных и отрицательных сигналов первичного фототоков проводимости. Форма сигналов с младшего разряда основного n-разрядного фотоприемника и всех дополнительных кодовых дорожек является пилообразной, форма сигналов с более старших разрядов будет трапецеидальной. Сигналы с кодовых дорожек (n-1)-разрядов основного фотоприемника поступают на первые входы основного блока компараторов, вторые входы которых соединены с шиной нулевого потенциала. Кодовые сигналы старших (n-1)-разрядов формируются по уровню нулевого потенциала. Сигналы младшего разряда основного фотоприемника и четырех дополнительных кодовых дорожек поступают как на первые входы, так и на вторые входы второго блока компараторов в соответствии со схемой приведенной на фиг.2. Для второго блока компараторов при формировании цифровых сигналов используется не постоянное опорное напряжение, а переменное напряжение, являющееся функцией положения светового штриха. В момент равенства соответствующих сигналов компаратор формирует сигнал логического нуля, при превышении в данный момент опорным сигналом информационного сигнала, подаваемого на первый вход компаратора, либо же сигнал логической единицы в противном случае. Далее выходные сигналы компараторов поступают на соответствующие входы схемы И и входы схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (фиг. 2). Так, выходные сигналы компараторов 10 и 11 поступают на вход первой 20 схемы И, выходной сигнал которой является сигналом n-го разряда преобразователя. Выходные сигналы компараторов 12 и 13 поступают на входы первой 23 схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой является выходом (n+1)-го разряда преобразователя. (N+2)-й разряд преобразователя получаем следующим образом. Выходные сигналы компараторов 15 и 16 поступают на вход второй 21 схемы И, выходной сигнал с которой совместно с выходным сигналом компаратора 14 поступает на вход второй 24 схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Аналогично выходные сигналы компараторов 18 и 19 поступают на входы третьей 22 схемы И, выходной сигнал которой совместно с выходным сигналом компаратора 17 поступает на входы третьей 25 схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выходы второй 24 и третьей 25 схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ объединены со входами 26 схемы ИЛИ, выходные сигналы с которой являются выходами (n+2)-го разряда преобразователя.

Как указывалось выше, смена выходного кода преобразователя происходит в моменты равенства аналогового сигнала одного из разрядов фотоприемника, зависящего от положения светового штриха относительно фотоприемника, и опорного сигнала соответствующего данному разряду компаратора. При воздействии на преобразователь внешнего (внутреннего) дестабилизирующего фактора (температуры, например), оказывающего различное воздействие на составные части преобразователя (фотоприемник и источники опорного напряжения), положение расчетных координат смены кода, соответствующих данным аналоговому и опорному сигналам, изменяются. Так, например, если реальный опорный сигнал превышает расчетный, то это приводит к уширению сигнала логической единицы и соответственно к сжатию сигналов логического нуля, либо наоборот, в случае другого знака отклонения опорного сигнала относительно расчетного. В изобретении природа аналоговых сигналов фотоприемника и опорных сигналов десяти компараторов 10-19 (фиг.2) абсолютно идентична, и, кроме того, они являются сильно связанными, поскольку одни и те же сигналы фотоприемника одновременно используются как в качестве информационных (при подаче их на первые входы компараторов), так и в качестве опорных (при подаче тех же сигналов на вторые входы других компараторов). Поэтому воздействие любого дестабилизирующего фактора в изобретении приводит к абсолютно одинаковым возможным отклонениям как аналоговых сигналов, так и опорных, что в результате не вызывает смещения координат смены кода относительно их расчетного значения. Отсутствие дополнительных погрешностей преобразования и нечувствительность к внешним воздействиям позволяют сделать вывод о том, что изобретение обладает по сравнению с выбранным прототипом более высокой функциональной надежностью.

П р и м е р. С использованием известной групповой технологии был изготовлен 10-разрядный кодовый фотоприемник для преобразователя линейных перемещений в код согласно предлагаемому техническому решению. Восемь старших разрядов были изготовлены по обычной технологии, т.е. фоточувствительные ячейки были расположены в соответствии с кодом Грея, а остальные два младших разряда, т.е. 9-й и 10-й разряды, были получены путем добавления четырех кодовых дорожек, аналогичным кодовым дорожкам 8-го разряда, последовательно сдвинутыми относительно друг друга и относительно ячеек 8-го разряда на четверть длины последних.

Изготовленный кодовый фотоприемник имеет следующие конструктивно-топологические размеры, мм: Диапазон преобразования 20,48 Ширина индиевых электродов 0,1 Ширина межэлектродного расстояния 0,1 Ширина фотоприемника 4,9 Ширина ячеек восьмого разряда и фоточувствительных ячеек четырех кодовых дорожек 160 мм. Освещенность в плоскости светового штриха, ширина которого 160-5 мк, составляла 900-1000 лк. Сопротивление нагрузочных резисторов равнялось 10⁴ Ом. Измерения проводились при подаче положительного и отрицательного напряжения 5-10 В на электроды фотоприемника, предварительно распаянного на печатной плате. Амплитуда выходных сигналов с разрядных кодовых дорожек фотоприемника в среднем 170-150 мВ. Наличие и отсутствие логических "1" и "0", возникающих на выходах соответствующих разрядов, фиксировались визуально с помощью светодиодов электронного блока обработки сигналов при перемещении светового штриха вдоль рабочего поля фотоприемника. При измерении исследовалось наличие всех кодовых слов и последовательность их возникновения, что является признаком функциональной пригодности преобразователя, и которая затем сравнивалась с таблицей кодовых слов для десятиразрядного кода Грея. Для одного образца проводилось несколько измерений при различных напряжениях питания из диапазона его изменения 5-10 В, а также изменялась освещенность в плоскости светового штриха. Количественное измерение освещенности при каждом измерении не проводилось. Изменение освещенности регулировалось путем изменения напряжения питания источника излучения. Было установлено, что при различных напряжениях питания фотоприемника и освещенности в плоскости светового штриха в выбранных диапазонах их изменений количество кодовых слов и последовательности их возникновения полностью соответствует дестиразрядному коду Грея. Проводились температурные измерения в камере тепла и холода в диапазоне (-50)-(+70)^оС. В указанном интервале температур смещения координат смены кода не наблюдалось, что подтверждает высокую функциональную надежность предложенного устройства.

Изобретение обладает упрощенной конструкцией и высокой технологичностью.

Формула изобретения

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В КОД, содержащий фотоприемник из n+4 пар кодовых дорожек, каждая из кодовых дорожек выполнена в виде чередующихся одинаковых в каждой паре светочувствительных и светонечувствительных участков, в каждой паре кодовые дорожки смещены одна относительно другой на величину участка этой пары и разделены информационным электродом, кодовые дорожки в каждой паре размещены между электродами питания, общими для соседних пар кодовых дорожек, нечетные электроды питания соединены с отрицательным выводом первого источника питания, положительный вывод которого соединен с шиной общего потенциала и с отрицательным выводом второго источника питания, положительный вывод которого соединен с четными электродами питания, n пар кодовых дорожек выполнены в соответствии с кодом Грея, четыре пары кодовых дорожек идентичны паре кодовых дорожек младшего разряда кода Грея, информационные электроды n пар кодовых дорожек соединены с первыми входами соответствующих основных компараторов, вторые входы которых, кроме основного компаратора младшего разряда, соединены с шиной общего потенциала, а выходы основных компараторов, кроме основного компаратора младшего разряда, являются основными выходами преобразователя, два выхода первого и второго дополнительных разрядов, информационные электроды первой и второй пар кодовых дорожек из четырех соединены с первыми входами соответственно первого и второго дополнительных компараторов, информационный электрод третьей пары кодовых дорожек из четырех соединен с первыми входами третьего и четвертого дополнительных компараторов, информационный электрод четвертой пары кодовых дорожек из четырех с первыми входами пятого и шестого дополнительных компараторов, выход второго дополнительного компаратора соединен с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй и третий элементы ИСКЛЮАЧЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом второго дополнительного разряда преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения функциональной надежности преобразователя, в него введены седьмой, восьмой и девятый дополнительные компараторы, три элемента И, а четыре пары кодовых дорожек, идентичных паре кодовых дорожек младшего разряда кода Грея, смещены относительно этой пары и одна относительно другой на четверть длины участка этих кодовых дорожек, информационный электрод пары кодовых дорожек младшего разряда кода Грея соединен с первым входом седьмого дополнительного компаратора и с вторыми входами второго и третьего дополнительных компараторов, информационный электрод первой пары кодовых дорожек из четырех соединен с первым входом восьмого дополнительного компаратора и с вторыми входами шестого и седьмого дополнительных компараторов, информационный электрод второй пары кодовых дорожек из четырех соединен с первым входом девятого дополнительного компаратора и с вторыми входами пятого и восьмого дополнительных компараторов, информационный электрод третьей пары кодовых дорожек из четырех соединен с вторыми входами первого и девятого дополнительных компараторов, информационный электрод четвертой пары кодовых дорожек из четырех с вторыми входами четвертого дополнительного компаратора и основного компаратора младшего разряда, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого дополнительного компаратора, а выход является выходом младшего разряда основных выходов преобразователя, выход пятого дополнительного компаратора соединен с вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого является первым дополнительным выходом преобразователя, выходы третьего и восьмого дополнительных компараторов соединены с входами второго элемента И, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу седьмого дополнительного компаратора, выходы шестого и девятого дополнительных компараторов соединены с входами третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого дополнительного компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2