книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

система (обычно щелевая диафрагма), фотоэлементы, усилители считываемых электрических сигналов, кодирующий диск, жестко связанный с входным валом, который вращается пропорционально преобразуемой величине х.

В качестве источников света применяются главным образом лампы накаливания и газоразрядные (импульсные) лампы. Лам­ пы накаливания с вольфрамовой нитыо являются источниками по­ стоянного света. Они обеспечивают непрерывное облучение диска и фотоэлементов и позволяют получать как точечные, так и ли­ нейные источники света. Газоразрядные лампы — это импульсные

Рис. 11.8. Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений

вкод:

а— схема преобразователя; б — кодирующий диск с маской двоичного четы­

рехразрядного кода

источники света, что весьма ценно для применения их в АЦП, так как становится возможной модуляция источника света и, сле­ довательно, прерывание светового потока в интервалах между циклами преобразования. Наиболее известны стробоскопические импульсные лампы — строботроны, представляющие собой стек­ лянные или кварцевые колбы, заполненные инертным газом, кото­ рый легко ионизируется при протекании тока между электродами. Излучаемая строботронами за время вспышки энергия намного превышает энергию, излучаемую за то лее время лампой накали­ вания. Это дает возможность значительно уменьшить размеры оптических щелей и, следовательно, увеличить разрешающую спо­ собность преобразователя при тех же размерах кодирующего ди­ ска или уменьшить размеры диска при той же разрешающей спо­ собности преобразователя.

Фотоэлементы АЦП должны быть малогабаритными, иметь вы­ сокую чувствительность, низкое напряжение питания, минималь* ную инерционность, большой срок службы, нормально работать при изменении температуры и влажности окружающей среды. Наи­ более полно этим требованиям отвечают фотодиоды, фототранзи­ сторы и фоторезисторы, поэтому они и применяются в качестве чувствительных элементов фотоэлектрических преобразователей.

350

На диск, выполненный из оптического стекла, фотохимическим способом нанесена маска двоичного кода или одного из специаль­ ных кодов в виде концентрических дорожек с прозрачными (код1) н непрозрачными (код 0) для световых лучей участками. Фотоэле­ менты, как правило, располагаются вдоль радиуса диска, так как при этом существенно облегчается формирование узкого светового луча считывания. От источника свет попадает на оптическое устройство, формирующее луч считывания, и далее через диск на фотоэлементы. В зависимости от углового положения диска, а следовательно, от значения преобразуемой величины х действию света подвергаются те или иные фотоэлементы, в результате чего формируются электрические сигналы, представляющие числовой код — эквивалент данного значения величины х.

На рис. 11.8,6 изображен диск с маской обычного 4-разряд-

Если кольцам присвоить порядковые номера, начиная с внутрен­ него, то число светлых и темных участков можно найти из соот­ ношения

При вращении диска между щелевой диафрагмой и блоком фотоэлементов располагается один из 16 его секторов, пронумеро­ ванных от 0 до 15. На рис. 11.8, а это десятый сектор, поэтому дей­ ствию светового потока подвергаются только фотоэлементы ФЭз

иФЭ4, и на. выходе преобразователя образуется код числа 1010. Считывание информации с диска, несущего маску обычного

двоичного кода, может происходить с большими ошибками. Дей­ ствительно, в двоичном коде два соседних числа могут различать­ ся значениями всех своих разрядов. Поэтому при разбиении диска на кодовые участки оказывается, что два сектора, представляю­ щие эти числа, различаются по всем своим участкам. Так, на гра­ нице седьмого и восьмого секторов во всех разрядах светлые участки сменяются темными и наоборот. Так как фотоэлементы устанавливаются с некоторыми ошибками и сами они обладают ограниченной разрешающей способностью, то на границе двух различных участков диска может быть считан как 0, так и 1.

Устранение ошибок неоднозначности при считывании дости­ гается за счет применения кодирующих дисков с масками спе­ циальных кодов. В качестве таких кодов используются коды с по­ следовательным изменением одной единицы и двоично-сдвинутые коды.

Кодами с последовательным изменением одной единицы назы­ вают такие коды, в которых при переходе от изображения одного числа к изображению соседнего старшего или младшего числа

351

изменяется на одну единицу значение цифры только одного раз­ ряда. К числу этих кодов принадлежит циклический двоичный код (код Грея), получивший в технике аналого-цифрового преобра­ зования широкое распространение.

Циклический код можно образовать для чисел, записанных в системе счисления с любым основанием р. Для этого необходимо воспользоваться следующим правилом.

Если для числа А р с основанием системы счисления р Ар = = апа п- 1а„-г>• • • ai+ 1 aiai-1 • ■• a7ai 'необходимо получить его цик­ лический код Дц = ап ап_гап_2 .. . а/+1 агаг_ х... а2а1, т0 образование

значений разрядов циклического кода следует осуществлять, на­

двоичных чисел в циклический десятичный и циклический двоич­ ный коды соответственно.

Т а б л и ц а 111,

Обратный переход от изображения числа в циклическом кодеДц к его обычному изображению Ар в системе счисления с основа­ нием р начинается также со старшего разряда. Значения разрядов числа Ар определяются по правилу:

352

В преобразователях механических перемещений в код маска кода Грея наносится заранее на кодирующий диск или барабан. Поэтому приходится только автоматически преобразовывать код Грея в обычный двоичный код. Такое преобразование может быть выполнено довольно простым устройством, если воспользоваться следующей формулой для образования значений разрядов двоич­ ного числа.

Применительно к двоичному коду общее правило образования значений разрядов числа Ар из его циклического кода можно за­

Из рассмотрения маски кода Грея видно, что при переходе от одного числа к соседнему младшему или старшему только в одном разряде приходится пересекать границу светлого и темного уча­ стков, где имеет место неопределенность (неоднозначность) вовре­ мя считывания. Следовательно, ошибка считывания, обусловлен­ ная этой неоднозначностью, не будет превышать единицы млад­ шего разряда. Другое преимущество кода Грея по сравнению с обычным двоичным кодом состоит в том, что при его использо­ вании вдвое повышается разрешающая способность преобразова­ теля. Действительно, длина светлых и темных участков по каждой дорожке маски кода Грея в два раза больше соответствующих участков маски двоичного кода.

В отличие от циклических кодов, которые можно отнести к ка­ тегории аналитических, двоично-сдвинутые коды являются

353

построптельными. Известны две разновидности двоично-сдвинутых кодов:

—двоично-сдвинутый код с расположением чувствительных элементов по способу «двойной щетки»;

—двоично-сдвинутый код с расположением чувствительных

AJ 3-й разряд

Рис. 11.9. Маски кодов:

а — двоичного; б — кода Грея; в — кода Баркера

Код Баркера строится следующим образом:

— для представления каждого разряда, кроме младшего, отво­ дится две дорожки—дорожки подразрядов Л и В с одинаковыми по длине кодовыми участками в каждом разряде;

— кодовые участки подразряда A i-го разряда, начиная со вто­ рого, сдвинуты влево относительно линии считывания на величину, равную !Д длины кодового участка этого разряда; кодовые участ­ ки подразрядов В всех разрядов сдвинуты вправо относительно линии считывания на такую же величину.

Управление съемом данных с чувствительных элементов при использовании кода Баркера производится согласно правилу:

— если в I-м разряде считан 0, то в (i + 1)-m разряде считы­ вание происходит с чувствительного элемента подразряда А;

354

■— если в i-м разряде считана 1, то в (i+l)-M разряде считыва­ ние осуществляется с чувствительного элемента подразряда В.

На рис. 11,9,0 фотоэлементы расположены на границе между кодами 00111 и 01000. Если в младшем разряде, где имеет место неоднозначность при считывании, считан 0, то на выходе будет получен код 01000. Если же в младшем разряде считана 1, полу­ чаем код 00111. Легко убедиться, что при любом другом положении фотоэлементов ошибка, обусловленная неоднозначностью при счи­ тывании, не будет превышать единицы младшего разряда.

Отметим следующие положительные качества фотоэлектриче­ ских преобразователей:

—высокая разрешающая способность (на выходе АЦП можно получить 18- и даже 20-разрядный двоичный код);

—бесконтактный съем информации и в связи с этим незначи­ тельный момент, необходимый для вращения диска (0,6—0,8 Гем против 50—60 Гем для контактных АЦП);

—менее заметное, особенно по сравнению с трансформаторны­ ми преобразователями, проявление краевого эффекта при переходе

от кодового участка 1 к участку 0 или наоборот;

—относительная простота изготовления дисков (не нужны точные механические операции, необходимые при изготовлении ди­ сков для контактных и трансформаторных АЦП).

Недостатки фотоэлектрических преобразователей:

—сложность фотоэлектрической системы считывания;

—ограниченность частоты считывания кодов при использова­ нии в качестве источника света импульсных ламп.

Преобразователи последовательного счета. Из преобразовате­ лей угловых перемещений в код последовательного счета наи­ большее распространение получили циклические преобразователи с двойным промежуточным преобразованием: сначала аналоговая величина (угол поворота входного вала) преобразуется в угол сдвига фазы синусоидально изменяющегося напряжения, которому затем ставится в соответствие временной интервал, а временному интервалу — код.

В одноотсчетиом преобразователе такого типа (рис. 11.10) входной вал, вращающийся пропорционально преобразуемой ве­ личине х, жестко связан с ротором фазовращателя ФВ. На статор­ ные обмотки фазовращателя подается трехфазное синусоидальное напряжение со сдвигом по фазе между напряжениями в 120°. Одно из них принимается в качестве эталонного или опорного иоп. Напряжение «р, снимаемое с ротора ФВ, сдвигается по фазе относи­ тельно «оп пропорционально углу х. При переходе напряже­ ний Поп и ир через нуль от отрицательных значений к положитель­ ным нулевые детекторы НД1 и НД2 формируют управляющие импульсы УИ) и УИг.

Начало цикла преобразования соответствует появлению сигна­ ла УИЬ которым триггер Тг устанавливается в единичное положе­ ние. При этом вентиль В открывается и пропускает на счетчик импульсы от генератора синхронизирующих импульсов ГСИ

355

стабильной частоты. Сигнал УИ2 возвращает триггер в нулевое по­ ложение, вентиль закрывается и подсчет импульсов прекращается. В счетчике фиксируется число, пропорциональное временному ин­ тервалу /Пр между сигналами УИ( и УИ2, который в свою очередь пропорционален сдвигу фаз напряжений и0п и ир. Следовательно, можно записать, что

где Тип— период опорного напряжения.

Рис. 11.10. Одноотсчетный циклический преобразователь последователь ного счета типа угол — фаза — временной интервал — код:

с — схема преобразователя; б — временн4я диаграмма работы

Необходимая частота импульсов генератора ГСИ /си опреде­ ляется по заданной разрешающей способности 1гх и известной ча­ стоте опорного напряжения f0B:

В одноотсчетных преобразователях с двухполюсным фазосдви­ гающим устройством точность преобразования невысока: на вы­ ходе можно получить лишь 7—8-разрядный двоичный код. Основ­ ные источники ошибок — фазовращатели и нулевые детекторы.

Существенное повышение разрешающей способности достигает­ ся при использовании высокоскоростных многополюсных фазовра­ щателей специальной конструкции, в которых фаза напряжения, снимаемого с ротора, изменяется с гораздо большей скоростью, чем скорость изменения углового перемещения ротора. В я-полюс- ном фазовращателе при повороте ротора на 360° происходит сдвиг по фазе напряжения ир на 360 электрических градусов на каждую пару полюсов. Поэтому разрешающая способность я-полюсной си­ стемы будет

(11.18)

Для устранения многозначности отсчета необходима «грубая» кодирующая система (аналогично грубому и точному отсчетам в

т. е. необходима «грубая» кодирующая система на пять раз­ рядов.

Из высокоскоростных фазовращателей — датчиков угловых пе­ ремещений в преобразователях находят применение индуктивные многополюсные фазовращатели (индуктосины) и емкостные.

В индуктосинах, как и в обычных датчиках угловых перемеще­ ний (вращающиеся трансформаторы, обычные индукционные фа­ зовращатели и др.), используется принцип электромагнитной ин­ дукции. Отличие заключается в том, что в индуктосине нет же­ леза, а его обмотки имеют специальную конструкцию.

Если статор индуктосина составлен из двух многополюсных секционированных обмоток, сдвинутых одна относительно другой на 90 электрических градусов, а ротор представляет собой еди­ ничную многополюсную обмотку, то напряжение ротора «р(ср) является суммой напряжений, индуктированных в его обмотке двумя статорными обмотками. Амплитуды этих напряжений из­ меняются по синусоидальному закону в зависимости от угла по­

где Ки— комплексный коэффициент передачи индуктосина; £/р, 9 Р — амплитуда и начальная фаза напряжения ротора;

ис1, ис2— напряжения питания соответственно первой и второй обмоток статора индуктосина, причем

где п — электрическая редукция (число периодов изменения фазы напряжения ротора за один его полный оборот).

357

Учтя (11.20) и (11.21), из (11.19) получаем

Up s in (wt + срр) = K nU c s in (wi -j- <р).

Отсюда, принимая во внимание (11.22),

<Р = <Р= пх.

Из (11.23) видно, что амплитуда напряжения ротора не изме­ няется при его вращении, а скорость изменения фазы этого на­ пряжения в п раз больше по сравнению с изменением угла х. От­ сюда также следует, что погрешность фазы может быть допущена

вп раз большей по сравнению с заданной точностью по углу х.

Внастоящее время преобразователи с многополюсными фазо­ вращателями обеспечивают образование на выходе 15-разрядного двоичного числа, т. е. точность преобразования углового переме­ щения в код составляет около 0,003%.

Оценивая различные типы преобразователей угловых переме­ щений в код, можно отметить, что по точности в лучшую сторону выделяются фотоэлектрические преобразователи и преобразова­ тели с высокоскоростными многополюсными фазовращателями. Однако первые будучи хорошо обработанными в технологическом отношении для построения многоканальных преобразователей мало

пригодны, так как вся основная аппаратура была бы индивидуаль­ ной для каждого канала.

§ 11.6. Преобразователи напряжения в код

Из всего многообразия различных типов преобразователей на­ пряжения в код рассмотрим наиболее распространенные — цикли­ ческие преобразователи с промежуточным преобразованием во вре­ менной интервал и преобразователи сравнения и вычитания с об­ ратной связью.

Циклические преобразователи напряжения в код с промежу­ точным преобразованием во временной интервал. В таких преоб­ разователях четко выделены два этапа преобразования:

— преобразование входного напряжения их во временной ин­ тервал;

— преобразование временного интервала в код.

В течение первого этапа происходит сравнение преобразуемого напряжения их (рис. 11.11, а) с непрерывным линейно изменяю­ щимся напряжением Иф, которое вырабатывается генератором пи­ лообразного напряжения ГПН или фантастроном. Напряжение «ф принимает значения, соответствующие уровням сетки квантования в дискретные фиксированные моменты времени. Генератор ГПИ запускается сигналом УГГ от делителя частоты, на который посту­ пают импульсы от генератора синхронизирующих импульсов ГСИ. Сигналы УИ[ определяют начало временного интервала, пропор­

358

ционального преобразуемому напряжению. В момент совпадения амплитуд напряжений их и /./ф схемой сравнения вырабатывается сигнал УИ2> который определяет конец этого временного интер­ вала.

Из временной диаграммы (рис. 11.11,6) видно, что

6

Рис. 11.11. Циклический преобразователь напряжения в код с про­ межуточным преобразованием во временной интервал:

а — схема преобразователя; б — временная диаграмма работы

где UхЬ Ux2 — мгновенные значения напряжения их в момент совпадения его с напряжением «ф;

а = const — скорость изменения напряжения и$\

t u t2 — временные интервалы, пропорциональные соот­ ветственно напряжениям Uxi и UX2 -

Очевидно, что напряжение их по амплитуде не должно превы­ шать Ыф.

Во время второго этапа временной интервал преобразуется в код с помощью уже известной схемы, включающей триггер 'Гг, генератор ГСИ, вентиль В, счетчик.

Суммарная погрешность преобразования напряжения в код складывается из погрешностей первого и второго этапов преобра­ зования, однако удельный вес ошибок первого этапа неизмеримо больше. Преобразование временного интервала в код может быть

359