книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник

ется (положительная обратная авя-зь. Вследствие этого умень­ шение коллекторного тока три водит к повышению потенциала базы, а следовательно, ,к еще большему затиранию триода. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению коллекторного тока. Про­ исходит лавинообразный переход триода в режим отсечки. На выходе схемы появляется кратковременный импульс, совпадаю­ щий по времени с моментом равенства ип= их. Напряжение Еа используется для настройки схемы.

Если входное .напряжение знакопеременное, то в цифровом коде необходимо предусмотреть знаковый разряд. Учет знака может производиться различными способами, наиболее просты­ ми из них являются инвертирование входного напряжения и напряжения пилообразной формы. Управление инвертором осу­ ществляется .схемой учета знака.

Рассмотрим (кратко сущность принципа поравр ядно-го коди­ рования, .применяемого для построения преобразователей .напря­ жения (Вцифровой код. Независимо от вида 'схемы и .конструкции ПНК этого типа принцип действия заключается в .следующем: входное напряжение сравнивается с суммой эталонных напря­ жений, имеющихся внутри П.НК. Эта оумма изменяется до тех 'пор, пока .не станет равной с заданной точностью входному (на­ пряжению. В момент равенства эталонных и входного напря­ жений на выходе ПНК образуется цифровой код. Более подробно об этом принципе можно прочитать в [19].

§19.5. Преобразователи перемещения в цифровой код

Внастоящее время в автоматизированных и автоматических системах управления с ЦВМ широкое применение .нашлн изме­ рительные устройства л датчики, выдающие .информацию о зна­ чениях измеряемых величин в виде пропорционально изменяю­ щихся перемещений (линейных и угловых). Для ввода 'инфор­ мации в ЦВМ необходимы преобразователи перемещения в циф­

ровой код. Среди этих преобразователей наиболее широкое рас­ пространение получили преобразователи угла в двоичный код.

Преобразователи перемещения в код применяются в .системах программного управления станками, в системах телеуправления и .контроля, в системах ■радиолокационной обработки информа­ ции и т. п. Они должны удовлетворять ряду специфических тре­ бований, предъявляемых к перечисленным системам, а также требованиям со стороны ЦВМ.

Высокая точность преобразования информации!, малая дли­ тельность цикла .преобразования, малые габариты и высокая надежность обычно являются основными требованиями к пре­ образователям.

Классификация преобразователей. Угловые и линейные пе­ ремещения как машинные переменные преобразуются в коды

550

по одним и тем же п,рнищигам. Важное значение имеют лишь пределы этих перемещений, т. е. диапазоны изменения 'преобра­ зуемых аналоговые величин. Ло характеру зависимости между цифровым кодом и перемещением преобразователи разделяются на линейные и функциональные. В функциональных преобразо­ вателях (например, синусных и косинусных) код на выходе из­ меняется в функции угла. Ниже рассматриваются линейные . преобразователи.

По принципам построения преобразователи 'перемещений в коды (подразделяются на два типа: преобразователи последова­ тельного счета и преобразователи считывания. По сравнению с преобразователями первого типа преобразователи считывания обладают рядом положительны» качеств: .независимостью ре­ зультата преобразования от предыдущего положения кодового диска, отсутствием возможности накопления погрешностей и сравнительной простотой электронной части схемы, так как ло­ гика преобразования заложена в кодовой маске.

Преобразователи угла в код последовательного счета

Эти преобразователи в свою очередь подразделяются на на­

на поверхность барабана или плоскость диска. Величина угло­ вого перемещения определяется по числу квантов, которые под­ считываются 'счетчиком. Например, дорожка из магнитных ме­ ток наносится на диске, а считывание меток осуществляется воспроизводящей головкой. Второе считывающее устройство, сдвинутое относительно первого на 1/4 периода, позволяет опре­ делить направление .перемещения.

Основными элементами накапливающего преобразователя являются: равномерно квантованная шкала, считывающий эле­ мент, элемент для определения (направления движения входной оси, 'реверсивный счетчик. Существенным недостатком накапли­ вающих преобразователей является возможность появления сис­ тематической погрешности при пропадании одного или несколь­ ких сигналов считывающего элемента.

Преобразователи угла в код циклического типа. Угол пово­ рота вала в этих устройствах предварительно преобразуется во временной интервал, частоту шли фазу напряжения. Затем.вре­ менной интервал преобразуется в цифровой код рдосмотренНЫ1МИ выше способами. Возможность накопления погрешностей в этих преобразователях исключается.

Широкое применение нашли циклические преобразователи угол-фаз а-временной интервал-код. Угловая величина вначале

5 5 1

преобразуется в угол сдвига фаз с ,по,мощыо фазовращател'я. Функциональная схема в .временные диаграммы таково преобразователя .изображены на рис. 19.12,с и б.

*4 ___ № _____

*****1)11111111

Рис. 19.12.

Входной вал, угол поворота а которого преобразуется в 'цифровой код, связан с ротором фазовращателя (ФВ). На ста­ торные обмотки фазовращателя подается трехфазное напряже­ ние переменного тока со сдвигом фаз в 120°. Одна из фаз при­ нимается за опорное напряжение щ. Напряжение, снимаемое с роторной обмотки 'фазовращателя мф, при вращении входного вала сдвигается относительно и0 на угол ср, .пропорциональный а. Так осуществляется .сдвиг фазы 'гармонического колебания 'про­ порционально углу поворота входного вала. Далее с помощью электронных схем выделения нуля (СВНИ и СВН-2) сдвиг фаз представляется в виде двух импульсов (х{—.старт и х 2— стоп). При этом сдвиг фазы <р преобразуется во временной интервал т, а З'атем — в цифровой код.

Цикл преобразования (рис. 19.12,о) начинается после по­ ступления тактового импульса от управляемого генератора 0. При этом счетчик очищается импульсом УСТ. «0» и с некоторой задержкой, обеспечиваемой элементом задержки (3), триггер Ti устанавливается в состояние «1», открывая элемент Hi для по­ дачи старт-импульса. После выдачи старт-импульса триггер Т] переходит в состояние «0», не давая возможности пройти сле­ дующим старт-импульсам в этот же цикл преобразования. Рабо­

552

та триггера Т2, геяератора .счетных 'Импульсов (ГИ), элемента И2 л счетчика СТ2 подробно описана выше при изучении пре­ образователя временного интервала в код (рис. 19.9).

Временные диаграммы (рис. 19.12,6) поясняют работу схем ■выделения нулей. Эти схемы вырабатывают .импульсы при пе­ реходе напряжений и0 и через нули от положительных к от­ рицательны^ значениям. Количество импульсов на выходе счет­ чика пропорционально временному интервалу т и углу а.

■Величина кванта преобразователя зависит от отношения час­ тоты напряжения и частоты генератора счетных импульсов, а также от диапазона изменения входной величины а и коли­ чества разрядов цифрового двоичного кода на выходе преобра­ зователя.

Период квантования Т к — интервал времени между двумя последовательными преобразованиями — зависит от частоты генератора тактовых 'импульсов G и должен быть не менее пе­ риода опорного напряжения и0, если угол а изменяется неогра­ ниченно в пределах 360°.

Точность работы описанного выше преобразователя зависит от точности фазовращателя и схем выделения нулей, .стабиль­ ности частоты генератора счетных импульсов.

Одноотсчетные .преобразователи угла в фазу обеспечивают сравнительно невысокую точность преобразования, соответствую­ щую 6-=-8 двоичным разрядам. Для .повышения точности пре­ образования применяются двухотсчетные системы, аналогичные следящим системам с «точным» и «грубым» сельсинами. При этом точность преобразования угла в фазу повышается на вели­ чину передаточного числа i редуктора, соединяющего оси гру­ бого и точного фазовращателей. В двухотсчетных циклических

.преобразователях утла в код можно получить точность, соот­ ветствующую 12-М4 разрядам двоичного кода.

Для устранения погрешностей, связанных с изменением час­ тоты напряжения и0 н частоты генератора счетных импульсов, эти частоты делают 'пропорциональными, применяя умножители и делители частоты.

Преобразователи угла в код, построенные по принципу считывания

Преобразователи угла в код, построенные по принципу счи­ тывания, .относятся к числу наиболее широко применяемых пре­ образователей информации. В рассмотренных выше АЦП прин­ цип 'считывания практически не' применялся, .поэтому целесооб­ разно начать с более подробного рассмотрения его особенностей.

Для осуществления принципа считывания в преобразователе угла в код необходимо создать кодирующее устройство, деления которого различаются на квант. При этом каждому положению входного вала должен соответствовать вполне определенный

553

цифровой код. Этот принцип иногда .называют пространственным кодированием угла. Ми-ним-альное угловое перемещение, 'соот­ ветствующее смене кода в младшем разряде, называется диск­ ретностью по уровню.

Наиболее распространен способ осуществления принципа считывания при помощи- кодового диска, жестко связанного с входным валом преобразователя. В плоскости диска концентрично расположены кодовые дорожки. Их число обычно .равно числу разрядов .цифрового двоичного кода. На кодовых дорожках расположены метки («ванты). Длина меток на дорожке каж ­ дого разряда определяется «весом» данного разряда. Наличие меток (например, прорезей в диске) соответствует единицам, а отсутствие—.нулям .кода. ,Совокупность кодовы» дор-ожек обра­ зует кодовую маску преобразователя.

В неподвижном корпусе .преобразователя .напротив дорожек располагаются чувствительные элементы, которые в моменты считывания распознают метки н выдают сигналы, соответствую­ щие -цифрам в разрядах кода. Сочетание полученных цифр пред­ ставляет собой выраженный в двоичном коде угол поворота начала отсчета кодового диска (входного вала) преобразова­ теля относительно линии считывания, на которой расположены чувствительные эле менты.

Основными типами преобразователей считывания, в зависи­ мости от применяемых чувствительных элементов, являются кон­ тактные, фотоэлектрические, индуктивные, трансформаторные

иемкостные.

Вконтактных преобразователях цифровой код получается при помощи электрического контакта чувствительных элементов (щеток), которые скользят по барабану или диску с нанесенным кодом в виде проводящих и непроводящих пластин.

В фотоэлектрических преобразователях (рис. 19.13,а) кодо­ вый диск (КД) выполнен из оптического стекла, на него на­

554

несена модоюая маска в виде сочетания /прозрачных! и непрозрач­

ответствует разрядности кода. Источники света ИС формируют луч .считывания при подаче на них импульсов считывания исч определенной 'частоты. Если между источником света и фото­ элементом 'находится .прозрачный участок диска, то свет от источника проходит через оптическое устройство, формирующее луч считывания, и попадает на фотоэлемент. Фотоэлемент бу­ дет находиться в проводящем состоянии, что соответствует еди­ нице в данном разряде кода. При перекрытии луча считывания непрозрачным участком кодового диска состояние фотоэлемента соответствует нулю.

В индуктивных и трансформаторных преобразователях кодо­ вый диск (барабан) 'выполняется из материала с высокой маг­ нитной щронищаемо'Стыо или .из немагнитного материала. Чувст­ вительные элементы 'представляют собой сердечники с намо­ танными на ник обмотками.

Трансформаторный преобразователь (рис. 19.13,6 и в) вклю­ чает в себя кодовый диск из немагнитного .материал а (например, ив меди), у которого .маска .выполнена из чередующихся окон и перемычек. Толщина диска составляет 0,5 1 мм. Чувстви­ тельные элементы— 'спаренные сердечники .П-образной формы. На сердечниках располагаются трансформаторные обмотки wt и до2Кратковременные импульсы тока, .проходя через первич­ ную обмотку доь под действием сигнала запроса и3„ наводят магнитный .поток, который замыкается через воздушный зазор и второй сердечник, если он расположен напротив окна. Во вторичной обмотке до2 возникает импульс ивых, обозначающий 1 в выходном коде. Если зазор между .сердечниками перекрыт, то ■магнитный поток во .втором сердечнике мал и это .приводит к падению э.д. с. в обмотке до2, что соответствует 0 в выходном коде.

Технология .изготовления контактных преобразователей в настоящее время весьма .совершенна, и они находит широкое применение. Преобразователи угла .в код средней точности (7-г 1,3 разрядов) могут быть реализованы как трансформатор­ ные или индуктивные. Если требуемая точность обеспечивается 74-10 разрядами, то эти преобразователи выполняются одноотсчетнымн, а при точности 10У 14 двоичных разрядов — двухоточетными. Емкостные .'преобразователи пока ,не получили ши­ рокого распространения.

В табл. 19.1 представлены основные характеристики рас­ смотренных выше преобразователей угла в код.

Анализ табл. 19,1 показывает, что фотоэлектричеокие чув­ ствительные элементы позволяют создавать одноотсчетные пре­ образователи! высокой точности на .184-20 разрядов при сравни-

5 55

тельно 'небольших размерах. Однако относительная стоимость таких! преобразователей большая.

Способы исключения ошибок неоднозначности в преобразова­ телях. П.р,и сравнительной простоте построения преобразователей угла в код по принципу считывания в них возможно появление грубых ошибок, если в маске применить обычный двоичный код и чувствительные элементы расположить на одной линии. Эти ошибки называются ошибками неоднозначности.

На рис. 19.14,а и б изображены соответственно четырехраз­ рядная кодовая маска и ее развертка, построенная в обычном двоичном коде. Чувствительные элементы (1ДЧ-4Д) установ­

сительно ЛСК на 180° так, что чувствительные элементы стоят на границе между значениями чисел 7 и 8. Заштрихованные участки маски соответствуют единицам, а светлые — нулям кода. При изменении положения кодового диска относительно неподвижной ЛСК 'чувствительные элементы фиксируют эти изменения и выдают числа в двоичном коде от 0000 до 1111, соответствующие 0 и 15. Следовательно, при (Переходе от числи 7 к числу 8 и от числа 0 к числу 15 код меняется одновременно во всех разрядах.

Незначительные технологические отклонения в изготовлении

556

маски илiii расположении чувствительных элементов приводят к появлению грубых ошибок три считывании информации вбли­ зи границы смены цифр в коде. Эти ошибки могут достигать

50% максимальной величины, .снимаемой .с преобразователя. Так, например, на границе между 0111 и 1000 (рис. 10.14,а) можно получить любое число от 0000 до 1111. Ужесточение допусков на изготовление кодовой маски и установку чувстви­ тельных элементов не позволяет избежать ошибок неоднознач­ ности, так как при .переходе от одного числа ряда к соседнему в любой позиционной системе счисления могут измениться не­ сколько цифр в соседних разрядах.

Существует несколько способов исключения ошибок неодно­ значности в преобразователях■угла в код. Основные из них: способ фиксации кодового диска и применение специальных кодов.

Способ фиксации кодового диска относительно ЛСК в мо­ мент считывания кода в положении, когда она делит квант младшего разряда на две равные части, позволяет исключить из рассмотрения участки смены кода.

5 5 7

Однако введение фиксаторов усложняет 'преобразователь и резко -снижает его быстродействие. Поэтому этот способ в на­ стоящее время применяется редко.

Весьма эффективные способы исключения ошибок неодно­ значности основаны на примет еннн onвитальных кодов, называе­ мых отраженными (рефлексными) и двои1чно-сдвинуты1ми ко­ дамп.,

Ра.с1простр'аненны;м из отраженных кодов является двоичный отраженный код, на основе которого в 1953 году Ф. Греем был предложен преобразователь угла в код. Этот код часто называ­ ют кодом Грея, хотя он был известен и ранее.

Дли -перехода от двоичного числа к двоично-отраженному необходимо сложить заданное двоичное число по '-модулю два с этим же числом, но сдвинутым вправо на один разряд (.млад­ ший разряд сдвинутого числа не учитывается).

В табл. 19.2 приведены изображения чисел от 0 до 11 в дво­ ичном отраженном коде, там же для сравнения дан двоичный код.

код

Основной особенностью двоичного отраженного кода явля­ ется то, что два -соседних числа представляются так, что -они различаются цифрой только в одном разряде. Поэтому ошибки ■неоднозначности не возникают, а 'погрешность при считывании не превышает единицы младшего разряда.

Раз-вертка четырехразрядной кодовой маски, выполненной в двоичном отраженном коде, представлена на рис. 19.15. Чув­ ствительные элементы 1Г-Т4Г установлены на JIGKКак видно -из рисунка, последовательный переход от одного числа к дру­ гому связан с изменением шифры только в одном разряде. Если

5 5 8

ЛСК установить между числами 7 и 8, то левая половши трех разрядов маски будет зер1кальньш отражением ее правой по­ ловины.

Отраженный двоичный код можно считывать с маски, вы­ полненной в обычном двоичном коде. Для этого чувствительные элементы 1Г-г5Г (рис. 19.14) должны быть сдвинуты относи­

(рис. 19.14, элемент 5Г) на. ЛСК.

Переход от отраженного двоичного кода к обычному пози­ ционному двоичному ноду осуществляется в соответствии с

Следовательно, для .перехода от отраженного к обычному двоичному коду необходимо -применять, травило: юсе цифры в старших разрядах (до (первой единицы) двоичного кода такие же, как в отраженном; дли остальных разрядов цифры совпадают, если перед данным разрядом со стороны .старших разрядов отраженного кода было четное число единиц; если число еди­ ниц было нечет-ным, то данная цифра заменяется ее дополне­ нием, т. е. 0 на 1 или 1 на 0.

Схемы .преобразования отраженного двоичного кода в по­ зиционный двоичный код строятся в соответствии с (19.20) по двум известным (принципам: комбинационному и накапливаю­ щему. В практическиXI схемах отраженный двоичный код не на­ шел широкого применения' из-за сложности схем его преобра­ зования в обычный двоичный код.

Для исключения ошибок неоднозначности в преобразовате­

559