В. Г. Домрачев,

В. Р. Матвеевский,

Ю. С. Смирнов

Схемотехника

цифровых

преобразователей

перемещений

СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1987

ББК 32.976

Д 66

УДК 681.586:007.2(035.5)

Рецензент Н. Е. Конюхов

Домрачеи В. Г. и др.

Д 66 Схемотехника цифровых преобразователей пе-ремещений: Справочное пособие/ В. Г. Домрачев, В. Р. Матвеевский, Ю. С. Смирнов — М.: Энерго-атомиздат, 1987. — 392 с: ил.

Систематизированы сведения о принципах действия я особен-ностях первичных преобразователей перемещений. Подробна рассмот-рены методы и ориентированные на интегральную, в том числе мик-ропроцессорную, технику схемы построевня вторичных преобразова-телей перемещений (считывания, фаза — код, временной интервал — код, амплитуда —код), скорости и ускорения. Показаны их особен-ности и возможности примеяения.

Для инженерно-технических и научных работников, а также сту-дентов старших курсов вузов, специализирующихся в области систем управления, робототехники, измерения и контроля.

СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ

ВИЛЕН ГРИГОРЬЕВИЧ ДОМРАЧЕВ

ВЛАДИМИР РОСТИСЛАВОВИЧ МАТВЕЕВСКИЙ

ЮРИИ СЕРГЕЕВИЧ СМИРНОВ

Схемотехника цифровых преобразователей перемещений

Редактор Н. П. Волков

Редактор издательства 3. И. Михеева

Художественный редактор Т. А. Дворецкова

Технический редактор В. В. Хапаева

Корректор Г. А. Полонская

ИБ № 2560

Сдано в набор 26.11.86 Подписано в печать 28.01.87 Т 05230

Формат 60 X 9О'/и Бумага типографская № 2 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. печ. л. 24.5 Усл. кр-отт. 24,5 Уч.-изД. л. 32,17 Тираж 35000 экз. Заказ 5338 Цена 1 р. 90 к.

Энергоатом из дат. 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10

Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Зна­мени МПО «Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова» Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 113054, Москва, Ва­ловая, 28.

© Энергоатомиздат, 1987

Предисловие

Внастоящее время и в перспективе одной из актуальных и техническисложных задач является цифровое измерение угловых и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления раз­личными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи пере­мещений (ЦПП).

В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких тех­нических требований. К их числу в первую очередь относятся большая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низ-кое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и низкая стоимость- Диапазон этих требовании чрезвычайно широк, что создает серьезные препятствия на пути унификации ЦПП, являющейся организационно-технической задачей первостепенной важ­ности.

Бурное развитие автоматизации производственных процессов, появление ГАП и робототехнических комплексов открыли новую и очень широкую сферу применения ЦПП.

Известно, что ЦПП в аппаратуре обычно работают по разомкнутой схеме, поэтому выдаваемая ими измерительная информация не корректируется в последующем. Это предъявляет к таким изделиям дополнительные требова­ния по достоверности выходной информации.

Развитие ЦПП — поставщиков первичной информации в значительной степе­ни обусловлено повсеместным использованием управляющих микроЭВМ и раз­личных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других БИС и СБИС.

ЦПП строятся на разных физических и структурных принципах. При их создании используется огромное число конкретных схемотехнических решений. Вместе с тем, как показывает практика последних лет, наибольший вклад в развитие ЦПП вносит микроэлектроника, применение которой позволяет кардинально решить проблему технологичности, обеспечив максимальное упро­щение, как правило, прецизионных механических узлов. Поэтому современный ЦПП состоит из. относительно простого, насколько это возможно для обеспечения заданной точности, электромеханического первичного преобразователя, непосредственно воспринимающего измеряемое перемещение, и вторичного преобразователя—электронного узла, обрабатывающего полученную информацию и представляющего ее в цифровой форме.

Вследствие высоких технических требований к ЦПП первичный, преобразователь, как правило, является прецизионным электромеханическим изделием, а электронный узел строится на основе самой современной' микроэлектронной элементной базы, включающей такие БИС, как ЦЛП,АЦП, память, микропроцессорные наборы и т. д.

Очевидно, что в этих условиях, а также из-за участия в создании ЦПП большого числа специалистов динамика развития ЦПП в настоящее время очень высока, что имеет свои положительные и отрицательные стороны. С одной стороны, технические показатели ЦПП по совокупности функциональных возможностей неуклонно растут. Но с другой стороны, усиливается разунификация разработок. В этих условиях решением проблемы является создание электронных модулей, гибридных и твердотельных БИС, полностью или в наибольшей степени решающих задачу преобразования аналоговой информа­ции в ЦПП.

Хотя по ЦПП имеются обширные сведения, пользоваться ими неудобно, так как их основная часть разбросана по различным периодическим изданиям и патентным источникам. Книги по ЦПП, которые несомненно способствовали их развитию, либо изданы давно, как, например, [1.22], либо посвящены в основном теоретический вопросам [23], либо затрагивают отдельные аспекты создания ЦПП [3, 11].

Цель настоящей книги—изложить в сконцентрированном обобщенном виде схемотехнику современных и перспективных ЦПП, не вдаваясь во многие детали, с которыми можно ознакомиться на основе приведенных данных о первоисточнике информации.

Книга содержит четыре части. Первая часть посвящена первичным преоб­разователям перемещений, построенным на различных физических принципах и во многом определяющим структуру схемотехники ЦПП в целом. Остальные части несут информацию только по электронным схемам ЦПП. При этом повы­шенное внимание уделено относительно мало освещенным в литературе ампли­тудным принципам построения, широко распространенным за рубежом (о чем свидетельствуют материалы обзора в [39-]) и активно развивающимся в нашей стране. В краткой форме изложены вопросы использования ЦПП в микропро­цессорных системах, что, в частности, имеет большое значение для робототехнических систем.

Как уже отмечалось, перемещение может быть линейным (поступатель­ным) и угловым (вращательным). Хотя с первого взгляда они различны, между ними существует много общего. Более того, в значительном числе слу­чаев линейное перемещение образуется из углового путем использования простейших механизмов: рейка — шестерня или гайка — ходовой винт. Поэтому в книге без заметного ущерба для общности приведенных схемотехнических решений их описание дано в основном на примере цифровых преобразователей угловых перемещений.

В книге приведено большое число технических решений по построению ЦПП. Авторы, с одной стороны, старались дать информацию по классическим схемам, имеющим уже богатый опыт использования, и, с другой стороны, стремились уделить повышенное внимание наиболее перспективным, на наш взгляд, новым идеям. Поэтому, а также из-за ограниченного объема книги некоторые принципы построения ЦПП, например на основе оптико-электронных

сканирующих приборов, интерферометров, адаптивных методов преобразования, здесь не рассмотрены.

Материал книги, с одной стороны, является обобщением известных резуль­татов, а с другой, базируется на собственных исследованиях и разработках авторов. Во всех случаях дается ссылка на первоисточник информации, с тем чтобы можно было конкретизировать ее суть и получить более развернутые данные. Однако в тех случаях, когда непосредственно не использовался кон­кретный материал, в целях сокращения библиографии авторы не делали ссылок на многие известные работы в области преобразовательной техники, например на работы Д. И. Агейкина, В. А. Ацюоковского, А. В. Фрэнке и др. Вместе с тем было бы ошибочным не признать их большой роли в развития ЦПП, особенно на ранних этапах формирования изделий этого класса.

Авторы искренне благодарят всех специалистов, любезно предоставивших в наше распоряжение информацию о своих разработках в области ЦПП, и прежде всего докторов техн. наук А. Д. Беха, В. С. Жабреева и А. В. Косинского, кандидатов техн. наук В. Б. Богдановича, Я. М. Великоона, Г. И. Кап­луна, Н. В. Синицына, В. Д. Шаповалова, А. П. Шпиня, инж. В. А. Ларионова . а других.

Мы с признательностью отмечаем большую работу, проделанную рецензен­том доктором техн. наук, проф. Н. Е. Конюховым и научным редактором канд. техн. наук, доцентом Н. П. Волковым.

Авторы будут благодарны всем, кто сочтет возможным высказать свой замечания или предложения по улучшению книги, направив их в адрес изда­тельства: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

Авторы