Фотоэлектрический преобразователь угол - код

 

Изобретение относится к оптико-механической промышленности, а именно к средствам преобразования угловых подвижек в код, и может использоваться в средствах фотозаписи, в системах наведения на цель, преимущественно в случаях требований особо точных преобразований прерывистых или монотонно постоянных угловых подвижек. Технический результат состоит в снижении энергозатрат при работе и повышении точности преобразователя, для чего преобразователь содержит подвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной растр и реперный элемент, соосный этому лимбу неподвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной и вспомогательный растры и реперный элемент, излучатели, фотоприемники, триггеры, пороговые элементы, дешифратор, блок сравнения, дискретно управляемый формирователь тока, коммутаторы и компаратор, при этом упомянутые растры и реперные элементы выполнены определенным образом. 11 ил.

Изобретение относится к оптико-механической промышленности, а именно к средствам преобразования угловых подвижек в код, и может использоваться в средствах фотозаписи, в системах наведения на цель, преимущественно в случаях требований особо точных преобразований прерывистых или монотонно постоянных угловых подвижек.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является преобразователь угол-код (авт. св. СССР N 849267, кл. Н 03 М 1/54, опубл. 1981). В преобразователе на неподвижном 5 и подвижном 6 лимбах на разных радиусах выполнены основные растры в виде равномерно расположенных групп растровых элементов, вспомогательный растр в виде реперных элементов 14 и реперный элемент 15 нулевого положения, источники 8 излучения установлены против групп растровых элементов основного растра и реперных элементов неподвижного лимба и оптически связаны через основные растры и реперные элементы подвижного и неподвижного лимбов с одноименными фотоприемниками 9, а также в преобразователе имеются триггеры 23. Этот преобразователь не обладает необходимой для ряда случаев точностью преобразования угловой координаты в код, имеет повышенное энергопотребление ввиду того, что в нем не предусмотрен импульсный характер работы излучателей, потребляющих большую долю суммарного энергопитания. Реперный элемент нулевого положения в нем не обеспечивает прецизионной точности, и эта погрешность суммируется с остальными погрешностями преобразования угловой координаты.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат при работе устройства и повышение точности преобразования.

Для достижения технического результата фотоэлектрический преобразователь угол-код содержит подвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной растр и реперный элемент, соосный этому лимбу неподвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной и вспомогательный растры и реперный элемент с возможностью взаимодействия соответственно с растром и реперным элементом подвижного лимба, при этом элементы растров и реперные элементы обоих лимбов соосны, а на неподвижном лимбе основной растр выполнен в виде равномерно расположенных групп элементов растра, (n+2) излучателей, оптически связанных через основной, вспомогательный растры и реперный элемент неподвижного лимба и основной растр и реперный элемент подвижного лимба с (n+2) фотоприемниками, и триггеры. В отличие от прототипа, в него введены (n+1) пороговых элементов с заданным порогом срабатывания, пороговый элемент с пониженным порогом срабатывания, дешифратор, блок сравнения, дискретно управляемый формирователь тока, (n+1) коммутаторов и компаратор, вспомогательный растр неподвижного лимба выполнен в виде одной группы элементов растра, идентичной группе элементов основного растра, смещенной относительно нее на часть шага расположения элементов растра в группе основного растра, реперный элемент неподвижного лимба выполнен в виде группы элементов растра с различными шагами расположения элементов растра в группе и представляет собой зеркальное отображение элементов растра, образующего реперный элемент подвижного лимба, выходы фотоприемников, установленных против вспомогательного растра и смежной с ним группы элементов основного растра неподвижного лимба, соединены со входами компаратора, выход которого соединен с S-входом первого RS-триггера, выход которого соединен с входами коммутаторов, выходы которых соединены с входами излучателей, установленных против n групп элементов растра основного и вспомогательного растров неподвижного лимба, выходы n фотоприемников, установленных против групп элементов растра основного и вспомогательного растров, соединены с входами n пороговых элементов с заданным порогом срабатывания, выходы которых соединены с входом дешифратора, выход которого является одним выходом преобразователя и соединен с R-входом первого RS-триггера и с первым входом блока сравнения, выход которого соединен с S-входом второго RS-триггера, выход которого соединен с первым входом дискретно управляемого формирователя тока, выход которого соединен с излучателем, установленным против реперного элемента неподвижного лимба, выход оптически связанного с ним фотоприемника соединен с входами порогового элемента с пониженным порогом срабатывания и (n+1)-го порогового элемента с заданным порогом срабатывания, выход которого является другим выходом преобразователя и соединен со вторым входом блока сравнения и с R-входом второго RS-триггера, выход порогового элемента с пониженным порогом срабатывания соединен со вторым входом дискретно управляемого формирователя тока.

На фиг.1 дана общая функциональная схема устройства; на фиг.2 схема расположения растров; на фиг.3 выноска элементов растра в увеличенном масштабе; на фиг. 4 кадр динамического состояния растров в момент формирования строб-импульса текущей координаты; на фиг.5 элемент функциональной схемы в развернутом виде, поясняющий импульсную работу излучателей; на фиг.6 -диаграммы, поясняющие работу компаратора; на фиг.7 -фрагменты развернутой функциональной схемы, поясняющей работу коммутатора; на фиг.8 фрагмент развернутой функциональный схемы, поясняющей работу блока сравнения и дискретно управляемого формирователя тока; на фиг.9 кадры динамического состояния реперных элементов; на фиг.10 и 11 сигнал фотопреобразования, данный в сравнении для узких и широких окон растра при одинаковом светопропускании.

Устройство содержит подвижный 1 (фиг.1) и неподвижный 2 лимбы с нанесенными на них соответственно растрами: на подвижном лимбе 1 (фиг.2 и 3) выполнен основной растр 3 и реперный элемент 4, на соосном неподвижном лимбе 2 на разных радиусах ρ₁, ρ₂ и ρ₃ выполнены основной 5, вспомогательный 6 растры и реперный элемент 7 с возможностью их взаимодействия, при этом элементы растров и реперные элементы обоих лимбов соосны, реперные элементы 4 и 7 выполнены на радиусе ρ₃ (фиг.2 и 9) и сформированы из группы элементов растра, распределенных в группе с переменным шагом, представляющих собой зеркальное отображение один относительно другого, а основной растр 5 (фиг.2) неподвижного лимба 2 сформирован из n групп элементов растра, распределенных равномерно по окружности, при этом ρ₁> ρ₂ (n+2) излучателей 8 (фиг.1), оптически связанных через растры лимбов с (n+2) фотоприемниками 9, RS-триггеры 10, 11; (n+1) пороговых элементов 12 с заданным порогом срабатывания; пороговый элемент 13 с пониженным порогом срабатывания, дешифратор 14, блок сравнения 15, дискретно управляемый формирователь тока 16, (n+1) коммутаторов 17 и компаратор 18.

Блок сравнения 15 (фиг.1 и 8) включает в себя цифровой компаратор 19 с подключенными к нему устройством памяти 20 и счетчиком 21.

Дискретно управляемый формирователь тока 16 (фиг.1 и 8) включает в себя операционный усилитель 22 с двумя каналами 23 и 24 обратной связи и коммутатор 25 излучателя 8.

Фотоприемник 9 (фиг.1, 5 и 7) содержит фотодиод с отрицательным смещением U_см и усилитель 26.

Основной растр 5 (фиг.2) неподвижного лимба выполнен в виде равномерно распределенных n групп элементов растра с к-числом элементов в каждой группе.

Излучатели 8 (фиг.1 и 5) оптически связаны с фотоприемниками 9, подключены к пороговым элементам 12 и 13.

Основной растр 3 (фиг.3) подвижного лимба 1 сформирован из равномерно распределенных по окружности градаций с постоянным шагом Т, основной растр 5 (фиг. 2) неподвижного лимба 2 сформирован из n групп элементов растра, распределенных равномерно по окружности на радиусе ρ₁ вспомогательный растр 6 представляет собой единичную группу элементов растра на радиусе ρ₂, сдвинутых по отношению к элементам растра группы основного растра 5 на угол ϕ.

Реперные растры 4 и 7 в дискретных кадрах динамического состояния лимбов (фиг.9) формируют сигналы фотопреобразования малой амплитуды в моменты единичных совпадений элементов растра, что происходит ввиду переменного шага расположения этих элементов, а в момент совпадения всех элементов растра - сигнал максимальной амплитуды. Малая ширина окон (фиг.10) при одинаковом светопропускании, в сравнении с широким окном устройства-прототипа (фиг.11), увеличивает крутизну сигнала фотопреобразования и, следовательно, повышает точность преобразования.

Сигнал фотопреобразования малой амплитуды достаточен для срабатывания порогового элемента 13 (фиг.1) с пониженным порогом срабатывания и создает тем самым возможность активизации излучателя нулевого положения в малой угловой области b (фиг.2 и 3), а в остальной период энергопотребление практически отсутствует. Упомянутый сигнал малой амплитуды недостаточен для срабатывания порогового элемента 12 (фиг.1) с заданным порогом срабатывания, который срабатывает только при сигнале большой амплитуды в кадре полного совпадения зеркальных растров (фиг.9, положение 1). Формируется строб-импульс О-перехода с высокой точностью ввиду высокой крутизны сигнала фотопреобразования.

Взаимодействующие растры текущей координаты обеспечивают импульсный характер работы излучателей 8 (фиг.1), а скважность определяется углом смещения основного 5 и вспомогательного 6 растров (фиг.2 и 3) при сканировании n групп элементов растра неподвижного лимба элементами растра 3 (длинными окнами) подвижного лимба. Импульсный характер работы излучателей определяет их пониженное энергопотребление, а распределение групп основного растра по окружности возможность осреднения сигнала фотопреобразования по n-группам на дешифраторе 14 (фиг.1).

Работает преобразователь следующим образом.

Пусть лимбу придано вращение, а элементы растра подвижного и неподвижного лимбов занимают положение на фиг.2 и 3. Сигнал на компараторе 18 (фиг.1 и 6) в рассматриваемой области положения растров (фиг.3) представлен диаграммами U₁ и U₂ (фиг.6, А, Б) один убывает, а второй возрастает. Это приводит к изменению состояния компаратора 18 (фиг.6, диаграмма В) и определит состояние RS-триггера 10 по его S-входу. Коммутаторы 17 (фиг.1 и 7) обеспечивают возбужденное состояние излучателей 8, исключая излучатель в месте реперных элементов. В следующем кадре динамического состояния, когда сигнал фотопреобразования достигает области максимальной амплитуды (фиг.4), срабатывают пороговые элементы 12 заданного порога срабатывания (фиг.1), формируя импульсы, осредняемые по фазе на дешифраторе 14. На выходе дешифратора и выходе преобразователя формируется строб-импульс, ограниченный по заданному фронту (фиг. 4), так как формируемым импульсом RS-триггер 10 перебрасывается в исходное состояние по R-входу. Излучатели 8 вновь возвращаются в невозбужденное дежурное состояние, так как происшедшее переключение триггера 10 посредством коммутаторов 17 (фиг.1) определяет это состояние. Упомянутое дежурное состояние излучателей определяет минимальное потребление энергопитания, которое однако должно быть достаточно для обеспечения работы компаратора 18 (фиг. 1 и 5). Оптимальный компромисс здесь достигается при большом коэффициенте передачи оптопар излучатель-фотоприемник, а это в свою очередь определяет целесообразность усилителей 26 в составе фотоприемников 9.

Рассмотрим работу преобразователя при формировании сигнала О-переход. Пусть в регистры (фиг.8) устройства памяти 20 введено число, соответствующее числу одноименных градаций основного растра 5 минус единица.

Б=А-1 В динамическом состоянии преобразователя в счетчике 21 накапливается числовая информация, которая за неполный оборот достигает значения Б, а срабатывание цифрового компаратора 19 произойдет в области угловой меры 2π. Сработавший цифровой компаратор 19 обеспечивает переключение RS-триггера 11 в S(1)-состояние, что переводит операционный усилитель 22 в рабочее состояние. Взаимодействующие реперные элементы 4 и 7 (фиг.9) в области О-перехода формируют сигналы фотопреобразования малой, например 20% ной, амплитуды, достаточной для срабатывания порогового элемента 13 с пониженным порогом срабатывания. Далее импульс сработавшего порогового элемента 13 по каналу обратной связи изменяет коэффициент передачи операционного усилителя (ОУ) 22, причем постоянная времени возврата операционного усилителя в исходное состояние выбрана такой, что осуществляется некоторая задержка по прекращению импульса порогового элемента 13. При измененном коэффициенте передачи ОУ 22 (фиг. 8) ток излучателя 8 возрастает, но не настолько, чтобы сработал пороговый элемент 12 с заданным порогом срабатывания. Далее в области полного совпадения градаций реперных элементов 4 и 7 (фиг.9) сигнал фотопреобразования вызывает срабатывание порогового элемента 12. Передний фронт этого импульса является выходным сигналом О-перехода и этим же фронтом RS-триггер 11 возвращается в исходное S(O) состояние, а счетчик 21 обнуляется. На шине выхода по каналу О-перехода формируются импульсы реперной метки при каждом обороте подвижного лимба. На шине выхода дешифратора 14 формируются осредненные импульсы текущей координаты с дискретом, соответствующим числу одноименных растровых элементов.

Импульсный характер работы излучателей позволяет существенно уменьшить энергопотребление, уменьшить нагрев элементов конструкции, не используя специальные меры охлаждения. Осреднение фазы импульсов по n каналам позволяет получить высокую точность при упрощенной схемной реализации.

Формула изобретения

Фотоэлектрический преобразователь угол код, содержащий подвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной растр и реперный элемент, соосный с подвижным лимбом неподвижный лимб, на котором на разных радиусах выполнены основной и вспомогательный растры и реперный элемент с возможностью взаимодействия соответственно с растром и реперным элементом подвижного лимба, при этом элементы растров и реперные элементы обоих лимбов соосны, а на неподвижном лимбе основной растр выполнен в виде равномерно расположенных n групп элементов растра, n + 2 излучателей, оптически связанных через основной, вспомогательный растры и реперный элемент неподвижного лимба и основной растр и реперный элемент подвижного лимба с n + 2 фотоприемниками, и триггеры, отличающийся тем, что в него введены n + 1 пороговых элементов с заданным порогом срабатывания, пороговый элемент с пониженным порогом срабатывания, дешифратор, блок сравнения, дискретно управляемый формирователь тока, n + 1 коммутаторов и компаратор, вспомогательный растр неподвижного лимба выполнен в виде одной группы элементов растра, идентичной группе элементов основного растра, смещенной относительно нее на часть шага расположения элементов растра в группе основного растра, реперный элемент неподвижного лимба выполнен в виде группы элементов растра с различными шагами расположения элементов растра в группе и представляет собой зеркальное отображение элементов растра, образующего реперный элемент подвижного лимба, выходы фотоприемников, установленных напротив вспомогательного растра и смежной с ним группы элементов основного растра неподвижного лимба, соединены с входами компаратора, выход которого соединен с S-входом первого RS-триггера, выход которого соединен с входами коммутаторов, выходы которых соединены с входами излучателей, установленных напротив n групп элементов растра основного и вспомогательного растров неподвижного лимба, выходы n фотоприемников, установленных напротив групп элементов растра основного и вспомогательного растров, соединены с входами n пороговых элементов с заданным порогом срабатывания, выходы которых соединены с входами дешифратора, выход которого является одним выходом преобразователя и соединен с R-входом первого RS-триггера и с первым входом блока сравнения, выход которого соединен с S-входом второго RS-триггера, выход которого соединен с первым входом дискретно управляемого формирователя тока, выход которого соединен с излучателем, установленным напротив реперного элемента неподвижного лимба, выход оптически связанного с ним фотоприемника соединен с входами порогового элемента с пониженным порогом срабатывания и (n + 1)-го порогового элемента с заданным порогом срабатывания, выход которого является другим выходом преобразователя и соединен с вторым входом блока сравнения и с R-входом второго RS-триггера, выход порогового элемента с пониженным порогом срабатывания соединен с вторым входом дискретно управляемого формирователя тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11