книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник

лях угла в код широко применяются 'способы, основанные на попользовалии избыточной информации, получаемой при уста­ новке дополнительных чувствительных элементов во всех раз­ рядах, кроме младшего. Эти способы позволяют исключить считывание с того чувствительного элемента, который .при дан­ ном значении угла поворота вала стоит на .границе между двумя соседними делениями кодовой маски.

■Наиболее (простым способом применения двух 'чувствитель­ ных элементов в каждом разряде, кроме младшего, является так называемый способ «двойной щетки». Для реализации его необходимо кодовую маску выполнить в обычном двоичном коде (рис. 19.16,а) и во всех разрядах, кроме младшего, уста­ новить по два чувствительных элемента. Чувствительный эле­ мент младшего разряда оставить на ЛСК.

Чувствительные элементы старших разрядов сдвигаются вправо и влево относительно ЛСК, проходящей через чувстви­ тельный элемент младшего разряда, на половину ширины эле­ мента кода младшего разряда:

Чувствительные элементы группы А, смещенные относительно ЛСК в сторону возрастания отсчета, образуют «'опережающие» иодрнзряды, чувствительные элементы группы Б, смещенные в иротивоположмую сторону, — «запаздывающие» иодразряды.

Выбор той или иной группы, с помощью которой необхо­

пы Б. При таком способе считывания неоднозначность возникает только в младшем разряде, когда чувствительный элемент этого

5 6 0

разряда находится па границе смены кода, тан как чувстви­ тельные элементы остальных разрядов удалены от соответству­

ющих границ минимум на ± ]^q. Иampимар, если :в момент счи­

тывания кода маска располагается относительно ЛСК так, как показано на рис. 19.16,а, то считываемый код будет 0001 или 1110, что 'соответствует 8 дли 7.

Недостатком способа «двойной щетки» является малый ин­ тервал .между чувствительными элементами старших разрядов. Достоинством этого апособа является возможность париллельного считывания кода во всех разрядах преобразователя.

При съеме с преобразователя последов>ательного кода ‘вмес­ то способа «двойной щетки» широко применяется способ У-кода, получивший такое название благодаря расположению чувстви­ тельных элементов в виде латинской буквы У (рис. 19.16,6). Этот способ по существу является усовершенствованием спосо­ ба «двойной щетки». Его часто называют кодом Баркера по имени английского ученого, предложившего привило логичес­ кого выбора элементов съема двоичного кода.

Способ Баркера (У-код) также основан на применении двух чувствительных элементов во всех разрядах, кроме младшего. Однако образование подразрядов групп А и Б У-кода осуществ­ ляется ггутем смещения чувствительных элементов старших раз­ рядов (начиная со второго) относительно ЛСК на расстояние

± j 2"~2 (« = 2,3,4,...),

где п — номер разряда.

На рис. 19.16,6 изображена четырехразр ядная маска, выпол­ ненная в обычном двоичном коде, с расположением чувстви­ тельных элементов по способу У-кода. Логика считывания ин­

элемента .подразряда Б. Первый разряд сохраняется без изме­ нения.

Преобразование У-кода в обычный двоичный код произво­ дится с помощью специальных логических схем, которые более сложны, чем три способе «двойной щетки». ‘Важное достоин­ ство преоб.р'авователей с У-кодом заключается в -возможности считывания кода при непрерывном изменении угла на входе.

Иногда по конструктивным соображениям может возникнуть необходимость расположения всех чувствительных элементов на

одной линии. В этом случае следует соответствующим образом изменить рисунок кодовой маски для правильного считывания кода. При этом получаются так называемые двоично-сдвинутые коды. ^

Для повышения жесткости кодового диска также применя­ ется двоично-вдвинутый код. Развертка маски жесткой кон­ струкции, выполненной в двоично-вдвинутом коде, представлена на рис. 19.17. Из этогорисунка видно-, что по сравнению с

Рис. 'Ю.17.

рис. 19.16,6 кодовая дорожка второго разряда сдвинута вместе с чувствительными элементами 2А -и 2Б вправо ,на величину 0,5 q. Кодовая дарож;ка третьего разряда вместе со своими чув­

К-кодом. В случае необходимости чувствительный элемент 2Б может быть перемещен в положение 2/Б, а чувствительный эле­ мент З Б — в положение З'Б. При описанном сдвиге кодовых дорожек вместе ,с чувствительными элементами работа кодиру­ ющей системы (рис. 19-.17) совершенно аналогична системе с К-,кодом '(рис. 19.16). Для преобразования К-кода в двоичный также необходима схема пересчета.

Рассмотренные выше способы исключения ошибок неодно­ значности считывания кода весьмаэффективны, они позволяют увеличить допуски на выполнение кодовых масок и установку чувствительных элементов-. Причем при .переходе к каждому следующему старшему разряду, начинаясо второго, допуск увеличивается вдвое-. Заметим, что. код Грея и Г-код можно считывать с.маски, выполненной в обычномдвоичном коде или в двоично-вдвинутом коде. Следовательно, кодовая маска, инва­ риантна относительно применяемого в преобразователе кода.

Функциональная схема семиразрядного трансформаторного преобразователя угла в код представлена .на рис. 19.18. Пре­ образователь состоит из-элемента-задержки (31-)-, усилителей — формирователей F по числу .разрядов, чувствительных-- эяем-еи- тов-— спаренным- тра-нсформаторны% первичида обмоток-- (ПО)' под-равридов- А-и- камедом рааряде и. аналогичных транс­

5 § 2

форматорных вторичных обмоток (ВО), кодового диска (КД) из нем апнитного ,материала и схемы преобразования К-кода в обычный двоичный код (СП).

Рис. 19.1®.

Для считывания кода на выходе преобразователя в соответ­ ствии с устанавливаемыми значениями угла а на вход элемента задержки подаются импульсы запуска (ИЗ) определенной час­ тоты. Величина, обратная этой частоте, равна периоду кван­ тования Тк, т. е. 'Интервалу .времени .между двумя последова­ тельными преобразованиями угла в код.

В правом дополнительном поле у каждого выхода элемента задержки, указываются цифры, условно обозначающие числен­ ные значения задержки по каждому тактовому импульсу (ТИ1УТИ7) по отношению к импульсу запуска в микросекундах. Период следования тактовых импульсов т3 зависит от установ­ ленной величины задержки. Длительность цикла преобразования Ta = nz3 (где п — число разрядов) определяет временной ин­ тервал между моментом поступления импульса запроса я мо­ ментом выдачи цифрового кода. В преобразователях многока­ нальных систем обычно Тп Тк.

Далее тактовые импульсы поступают на соответствующие yenлптели-формшраватели для получения импульсов задроса, одинаковы» по длительности п амплитуде. Кратковременные импульсы тока, последовательно проходя через первичные транс­ форматорные обмотки А н Б, в каждом разряде наводят мас­ цитные потоки.

Вторичные об,мотки трансформаторов группы А п группы Б всех разрядов (кроме 1Б) соединены последовательно и обра­ зуют два канала А и Б.

Маска кодового диска выполнена в двоично-сдвинутом коде. Чувствительные элементы подразрядов А и Б установлены не­ подвижно в соответствии с рнс. 19.17. В зависимости от поло­ жения кодового диска относительно чувствительных элементов (значения угла а) во вторичных обмотках А и Б возникают (1) или не возникают (0) импульсы.

При таком способе считывания в каналах А и Б получают две последовательности 'импульсов, соответствующие V-коду. Временная диаграмма работы преобразователя угла в код изоб­ ражена на рис. 19.19. Она соответствует положению кодового диска и чувствительных элементов на рис. 19.18.

КО д : ///ООО /(2) = НЗ(,о): ос г 323 °

Рис. Ю.19.

Преобразование V-кода в обычный последовательный дво­ ичный код осуществляется с .помощью специальной логической схемы (рис. 19.18). Схема преобразования содержит усилители У1 и У'2 в каналах А и Б, элементы ЗАПРЕТ (ЗП), И, ИЛИ и элемент задержки 32 в цепи обратной связи. Работа схемы происходит так. На вход элемента ЗАПРЕТ последовательно, начиная с первого разряда, подаются импульсы с чувствитель­

564

ных элементов подразряда А. На .первый вход элемента И по­ даются имигульсы с чувствительных элементов под-разряда Б. Сигнал С, определяющий, с какого канала (А-или Б) .произвести выборку ( + 1 разряда кода, подается по цепи обратной связи с выхода элемента задержки на инверсный .вход элемента ЗА­ ПРЕТ и на второй вход элемента И одновременно с поступле­ нием сигналов ; + 1 разряда подразрядов А и Б, так как его за­ держка равна v Элемент И пропускает импульс .канала Б, если С='1. Элемент ЗАПРЕТ пропускает импульс, если С=0. Такшм образом, схема построена на основе рассмотренного выше травила преобразования К-кода в двоичный код. Числовой при­ мер такого 'преобразования приведен на рис. 19.19. Импульсы, соответствующие единицам кода, на рисунке .показаны сплош­ ными -отрезками, а соответствующие нулям (отсутствие импуль­ сов) — пунктирными отрезками.

Одной лгз основных характеристик преобразователя угла в код, кроме периода квантования Тк и длительности цикла .пре­ образования Гц, является его точность. Как известно из § 19.1, точность АЦП характеризуется погрешностями квантования и и-нст.рументаль-ной погрешностью.

Оценим погрешность квантования по уровню .преобразовате­ ля угла в код. За полный диапазон изменения угла в этом преобразователе принимается угол, ранный 360°. Поэтому число уровней квантования

где D — диаметр кодового диска;

q' — дискретность преобразователя, -выраженная в линейных единицах.

В случае применения двоичного поразрядного кода шаг квантования в угловых единицах определяется по формуле

360°

В табл. 19.3 приведены данные, характеризующие зависи­ мость ша.га .кв-а.нтавания по уровню преобразователя угла в код от числа разрядов п.

565

Максимальная величина 'Погрешности квантования по уров­ ню равна шагу квантования ■

^ашах = Я•

При симметричном расположении кода относительно начали отсчета угла, чего всегда добиваются при настройке (преобразо­ вателя, значение этой погрешности можно уменьшить до

Поскольку начальная установка преобразователя осуществ­ ляется с некоторой .погрешностью, а также существует инстру­ ментальная погрешность, которую свести к нулю невозможно, то максимальную погрешность преобразователя обычно счита­ ют (равной шагу квантования.

Для (преобразователей считывания .погрешностями, возника­ ющими в результате квантования по времени, можно прене­ бречь, так как частота квантования FK всегда выбирается зна­ чительно выше предельной частоты в спектре входной вели­ чины.

Двухотсчетный преобразователь угла в код. Из табл. 19.3 ■видно, что при малом числе разрядов п погрешности .преобра­ зования угла в код весьма велики. Например, у семиразрядного (преобразователя q —2,8°. Такая* точность во .многих практичес­ ких применениях .считается неудовлетворительной. Увеличение, числа п в одноотсчетиом преобразователе также связано с труд­ ностями, одна из них — необходимо увеличивать диаметр кодо­ вого диска и габариты всего преобразователя. Следовательно, имеется противоречие между требованиями уменьшения габа­ ритов и повышения точности преобразователя.

Существует два способа повышения точности преобразовате­ ля угла в код: применение многоотсчетных преобразователей и установка дополнительных чувствительных элементов над до­ рожкой младшего разряда. Например, если поставить в млад­ шем 'разряде два чувствительных элемента., сдвинутых один

относительно другого на р Я ,-где р — целое число квантов, то

это позволяет получить дополнительный разряд.

Многоотсчетные преобразователи состоят из двух или не­ скольких преобразователей угла в код, которые связаны ме­ жду собой механическими, электрическим и или оптическими редукторами.

В двухотсчетном преобразователе имеются преобразователь грубого отсчета (ГО) и преобразователь точного отсчета (ТО). Одному обороту вала преобразователя грубого отсчета соответ­ ствует г = оборотов вала преобразователя точного отсчета,

5 6 6

где i — передаточное число повышающего редуктора, т — число разрядов преобразователя грубого отсчета.

Так, например, если трансформаторный преобразователь ТО имеет 7 разрядов, а преобразователь ГО — т — Ъ разрядов, то с двух преобразователей снимается ,12-р.азрядный код. Переда­ точное число редуктора между преобразователями ГО и. ТО должно быть i—'25=32. Это значит, что одному обороту вала преобразователя ГО соответствует 32 оборота вала преобразо­ вателя ТО. Шаг квантования по уровню в таком двухотсчетном преобразователе с п==il2 составляет q='b' . .

С чувствительных элементов преобразователя ТО считыва­ ются коды младших 7 разрядов, а с чувствительных элементов преобразователя ГО — следующие по порядку разряды от вось­ мого до двенадцатого. Если преобразователь ГО гао своей кон­ струкции тоже 7-разрядный, то в нем задействуются 3-г7-й раз­ ряды. ' /

Для образования полного поразрядного кода считывание с каналов А и Б обоих преобразователей необходимо .производить по схеме последовательного соединения одноименных вторичных трансформаторных обмоток подразрядов А и Б преобразовате­ лей ТО ,и ГО. Схема преобразования Г-кода в двоичный код такая же, как и в одноотсчетном преобразователе. Длитель­ ность цикла преобразования, естественно, возрастает.

При увеличении числа разрядов п существенно повышаются требования к точности изготовления редуктора двухотсчетного преобразователя. Это связано с возможностью появления зна­ чительных погрешностей, аналогичных погрешностям неодно­ значности считывания, ори наличии люфта в редукторе. Высо­ кие требования к люфту редуктора ограничивают разрядность деухоточетных преобразователей 12-г 14-ю разрядами!.

§ 19.6. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи обеспечивают сопряже­ ние ЦВМ е управляемыми объектами, аналоговыми вычисли­ тельными машинами и устройствами отображения информации. ЦАП обеспечивают преобразование .выходных данных машины, представленных в цифровом коде, в непрерывно изменяющиеся аналоговые величины: напряжение, временной интервал, угло­ вое или линейное перемещение. Принципы построения ЦАП рассмотрены в § 19Л.

Всоответствии с принципами построения различают:

1)преобразователи, основанные на суммировании единич­ ных приращений аналоговых величин (квантов); 2) преобразо­ ватели, основанные на -суммировании аналоговых величин с учетом веса разрядов цифрового кода: В преобразователях пер­ вого тина коды первоначально ‘преобразуются в соответствующее

567

число импульсов, а в преобразователях второго типа входные сигналы представляются н етср едетвечно в цифровом двоич­ ном коде.

На 'Практике нашли широкое применение :преобразователи кода в напряжение., преобразователи кода в перемещение m циф­ ровые следящие системы.

Преобразователи кода в напряж ение

Существует большое разнообразие схем 'преобразователей кода -в напряжение (ПКН). 0.ни построены по принципу сум­ мирования напряжений или токов с учетом веса разрядов кода. Выходное .напряжение ПКН должно быть пропорционально пре­ образуемому цифровому коду. Распределение суммируемых на­ пряжений (таков) по степеням числа 2 обеспечивается эталон­ ными нсточникамаи напряжения' или специальными резисторны­ ми декодирующими матрицами (сетками).

Функциональная схема преобразователя кода в напряжение с п эталонами изображена на рис. 19.20. Преобразуемый л-раз-

Рнс. 19.20.

рядный код (х} ~ х п) записывается в триггерный регистр RG. Выходы триггеров (l/i-Gy,,) связаны с переключателями напря­ жения (ПН) — ключами, с помощью которых на входные ре­ зисторы R1~ -R n суммирующего усилителя (У) могут быть по­ даны ..при наличии единиц в соответствующих разрядах эталон­ ные напряжения-' Щ-ь ип.

Напряжения их ~ ип должны быть строго стабилизированы, а их величины пропорциональны целым степеням числа 2:

Выходное напряжение суммирующего усилители при равных сопротивлениях Rt = R:

5 6 8

где N — значение преобразуемого кода;

xt — цифры кода в разрядах (нули или единицы). Погрешность преобразования определяется погрешностями

этал'онных напряжений и, и суммирующего усилителя.

На рис. 19.21 представлена схема преобразователя с одним разнополярным эталонным напряжением и0. В этой схеме тре­ буется, чтобы величины сопротивлений резисторов Ri R„ на входе суммирующего усилителя соответствовали зависимости

Яг

2'->

где i —номер разряда преобразуемого .кода от 1 до п.

На выходе суммирующего усилителя получается напряжение

где xt— цифры заданного числа N. Следовательно,

Яре u0N.

П ?7“°

Масштаб 1преобразоваяяя кода в напряжение

" ■ - f e - j s " -

569