12.3. Преобразователи с арктангенсным пзу

Одним из важных направлений в совершенствовании ЦПП является расши­рение их функциональных возможностей за счет получения в отсчетной части не только кода угла, но и кодов тригонометрических функций этого угла [49]. «Использование таких ЦПП в робототехнике при преобразовании координат эко-номит машинное время. Его затраты на функциональное преобразование самой микроЭВМ значительны. Так, например, в системе управления роботами «Унн-версал-15» и ПРЭМ-25 для исполнения только операции sin X, cos X микроЭВМ «Электроника-60» требуется 4300 икс, а —3100 мкс [51], что ограничивает быстродействие системы.

Поэтому в системах, где требуется повышенное быстродействие при форми­ровании цифровых эквивалентов кода угла и его составляющих, следует отда-вать предпочтение тригонометрическому ЦПУ, в котором используется функцио­нальный арктангенсный преобразователь [а. с. 1076935 (СССР)]. В этом случае на первом этапе осуществляется преобразование выходных сигналов СКВТ в код тангенса угла —угол поворота СКВТ, приведенный в первый октант).

Одновременно формирователь кода тангенса ФКТ осуществляет получение трех старших разрядов кода угла Ф (рис. 12.9).

На входы аналогового коммутатора АК и выявителя октантов ВО посту­пают через преобразователь П два сигнала постоянного тока, пропорциональные синусу и косинусу входного угла. Предварительное преобразование осуществляют либо отдельные демодуляторы каждого выхода СКВТ, либо паковые детекторы типа выборка — память. Три старших разряда кода угла 6 формируются из но-мера октанта. Путем сравнения выходных сигналов СКВТ между собой и с ну­левым уровнем определяют номер актанта, в котором находится угол в поворо­та вала СКВТ. Первым принят октант, в котором

Номер октанта возрастает против часовой стрелки. По известному но­меру октанта определяют сигналы, пропорциональные синусу и косинусу угла в, приведенного в первый октант, по выражениям

Путей линейного аналого-цифрового преобразования определяют код тан­генса угла (рис. 12.9), при этой в качестве опорного сигнала в АЦП исполь­зуется сигнал, пропорциональный а в качестве измеряемого— Бы­стродействие и точность такого ЦПУ определяются показателями ФКТ, на вход которого поступают сигналы от первичного датчика СКВТ или СКДУ.

Первичный сянусно-косинусный датчик угла СКДУ включает СКВТ с обыч­ной запиткой и последующим фазочувствительным выпрямлением либо с запит-кой трапецеидальным или прямоугольным напряжением типа «меандр». Возмож­но использование функционального потенциометра с питанием постоянным на­пряжением.

Построение ФКТ на интегральных микросхемах представлено на рис. 12.10.

Напряжения постоянного тока, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота 6 СКДУпоступают на входы блоков перемены знака БПЗ, имеющих идентичное построение и состоящих каждый из компа­ратора, инвертора напряжения и коммутатора. Напряжения сравни­ваются на компараторах с нулевым уровнем напряжения. В результате на вы­ходах БПЗ формируются логические сигналысоответствующие знакам синусного и косинусного напряжений. Нулевой уровеньсигналовсоответствует положительному значению напряжений и Коммутаторы БПЗ управляются по знаку функций, выявленному на компа­раторах. При нулевом уровне обеспечивается прямая, а при единич­ном — инверсная передача напряженийна выходы БПЗ. Тем самым на выходах БПЗ формируются модуля напряжений

а постоянство полного входного сопротивления блока, равного обеспечивает симметричную нагрузку выходов СКДУ.

Напряжения сравниваются на компараторе в блоке перемены функций БПФ, в результате чего на его выходе формируется логический сигнал

Коммутатор БПФ управляется

сигналом чек обеспечивается формирование на выходахБПФ напряжений, приведенных в первый октант:

Напряженияпоступают на измерительный и опорный входы АЦП отношения напряжений в код последовательных приближений, состоя­щего из преобразователя код — ток, компаратора и генератора импульсов, В конце цикла АЦП, состоящего из л-разрядных я двух вспомогательных так­тов, сигнал рассогласования на входе компаратора равен нулю, т. е,

а на цифровом выходе АЦП формируется двоичный кодпропорциональныйтангенсу углаСчитывание кода с выхода АЦП осуществляется по

сигналу Конец преобразования.

Старший (1р) разряд кода угла 6 совпадает со значением сигналаВто­рой (2р) и третий (Зр) разряды угла 6 формируются в логическом блоке, осу­ществляющей преобразования

Предложенное построение ФКТ дает возможность реализовать его полно­стью на аналоговых в цифровых схемах широкого применения. В качестве ком­параторов применены ИМС типа К521САЗ, коммутатора — ИМС типа К590КНЧ, инверторы напряжения построены на ОУ типа К153УД6, преобразователь код-ток реализован на БИС типа К572ПВ1, логический блок — на ИМС типа К564ЛП2. Блок ФКТ имеет два подстроечных элемента, которыми устанавли­вается единичный коэффициент преобразования в нуль шкалы АЦП.

Формирователь кода тангенса в нормальных условиях имеет следующие ха­рактеристики: информационную емкость 12 бит, максимальную приведенную по­грешность воспроизведения уровней квантования 0,1%, время преобразования 140 икс, максимальную амплитуду входных сигналов В, напряжения пи-

тания

Блок ФКТ является одним из основных элементов, определяющих точность и производительность ряда циклических амплитудных преобразователей: триго­нометрического, функционального и масштабирующего [63]. Поэтому целесо­образно реализовать его в виде заказной БИС [68]. Ее построение предусмат­ривает оптимизацию схемного решения с точки зрения как минимизации эле­ментного состава, так и обеспечения максимальных возможностей такой инте­гральной микросхемы.

Из ФКТ (см. рис 12.9) кодпоступает на адресные входы постоянного запоминающего устройстваПЗУ, запрограммированного по закону арктангенса в диапазоне углов ПЗУ осуществляет функциональное преобразование

входной величины т. е. формирует на выходе код угла

(рис. 12.11). Нулевому входному коду соответствует нулевой код угла а максимальному входному кодусоответствует максимальный код угла — разрядность ПЗУ. Код тангенса приведенного углапо­ступает на адресные входы ПЗУ, которое используется в устройстве преобразо­вания кода в код параметраназываемом цифровым функциональным

преобразователен (ЦФП). Функциональная схема ЦФП приведена на рис. 12.12.

Преобразователь осуществляет преобразование двоичного кода, поданного навход устройства, в цифровой двоичный код в соответствии с функцией

В нашем случае —входная величина, код которой поступает на вход ЦФП, причем это п-разрядный двоичный код (п=10). На выходе ЦФП получаем также цифровой код величины F(X), т. е. угла в, поскольку F(X)= Количество разрядов в выходном коде т=10. Число разрядов во входном и выходном кодах обеспечивают необходимые точности представления непрерывных величиндискретными квантовыми уровнями.

Из сказанного ясно, что имеемуровня (числовые значения на отрезке [0,1]); уровня (числовые значения на отрезке [0,45°]).

Поскольку в отдельно взятое ПЗУ можно записывать 8-разрядные слова {кодовые комбинации), для получения 10-разрядного выходного коданеобхо­димо минимум три ПЗУ БИС К505РЕЗ. Тогда в ПЗУ1 (рис. 12.12) запишутся

512 кодовых слов по 8 разрядов каждое, причем это будут 8 младших разрядов выходного кода аналогично в ПЗУ2 запишутся 512 ходовых 8-разрядных слов, и в итоге будем иметь 1024 значения угла

Оставшиеся два старших разряда выходного кода записаны в ПЗУЗ. Размещение этих двух разрядов в ячейках ПЗУЗ осуществляется следующий образок. На выходах 0 и 1 записывается 512 кодовых 2-разрядных слов, соот­ветствующих кодовым словам в ПЗУ1, т. е. совмещением этих слов получаем-выходной 10-разрядный код угла а на выходах 2 и 3 дублируем кодовые слова выходов 0 и 1. Такое дублирование разрядов позволяет в случае нека­чественной прошивки разрядов на выходах 0 и 1 пользоваться выходами 2 и 3 и наоборот. Аналогично на выходах 4 и 5 записаны остальные 512 кодовых 2-разрядных слов (старшие разряды), соответствующих кодовым словам в ПЗУ2, причем также осуществляется дублирование кодовых слов.

Дублирование старших разрядов выходного кода возможно вследствие на­личия свободных ячеек в ПЗУЗ, использование которых в данном конкретном случае для записи какой-либо другой информации не представляется возможный. Как видно из рис. 12.12, считывание кодаизПЗУ осуществляется подачей на адресные шины А0—А8 девяти младших разрядов входного кодаа выбор этого ПЗУ — подачей на шнну Выбор ИС старшего разряда входного кода (или же его инверсии). Дополнительно можно отметить, что считывание информации с ПЗУ происходит через схемы и

Схема реализуется на трех БИС К505РЕЗ 0054—0056, в которых прошиты значения кодов, соответствующие ПЗУ1—ПЗУЗ на рис. 12.12. Такой ЦФП обес­печивает преобразование входного 10-разрядного кодав 10-разрядный дво­ичный код угла

В той случае, когда разрядность выходного кода Ф ЦПУ составляет 11 бит, что соответствует разрядности приведенного угла 8 бит, ЦФП может быть реализован на одной БИС К505РЕ30053. Последняя имеет прошивку, обеспечи­вающую преобразование 9-раэрядного входного двоичного кодав 8-разряд­ный двоичный код угла

Следует отметить, что в этом случае объем памяти ПЗУ сокращается в 2 раза по сравнению с вариантом ЦПУ, предусматривающим использование ПЗУ с оинусно-косинусной прошивкой, например К505РЕ30О51 и 0052, н обес­печивающий одинаковую разрядность выходного кода ЦПУ.

Код угла поступает на вход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, другой вход которой управляется младшим разрядом кода октантов. Таким образом, в нечетных октантах, когда младший разряд кода октантов равен нулю, на вы­ход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ проходит прямой код углаа в четныхоктантах, когда младший разряд кода октантов равен единице, на выходе этой схемы формируется инверсный код угладополняющий уголдо т. е.

равный С выхода схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ код углаили

подается на один вход регистра хранения кода РХК (см. рис. 12.9), на другой вход которого от ФКТ с ВО поступает код октантов. В результате суммирования кодов на выходе РХК формируется код угла Ф [а. с. 1076935 (СССР)].

В отличие от преобразователя [а. с. 826385 (СССР)], обладающего сопоста­вимым быстродействием и реализующим для вычисления угла приближенную зависимость

этот вариант преобразователя не имеет методической составляющей ошибки. Более чем двукратное повышение точности преобразования достигается при одновременном упрощении его схемного построения. Снижение инструментальной составляющей ошибка за счет исключения дополнительного преобразователя код —напряжение дает увеличение точности не менее чем в 2 раза, а исключе­ние методической составляющей ошибки позволяет еще более повысить точ­ность ЦПП,

С точки зрения упрощения наиболее существенным следует считать исклю­чение высокоточного резистивного делителя с нестандартным соотношением плеч, требующего специальной разработки в прецизионной подгонки при изготовлении. Построение ЦПУ (рис. 12.9) предусматривает применение только стандартных интегральных микросхем, что снижает его стоимость. Существенным преимуще­ством такого построения является его реализуемость на стандартной элементной базе без применения дополнительных корректирующих логических устройств ПЗУ [62], что ведет к упрощению устройства и повышению технологичности его изготовления в виде набора БИС.

Немаловажным фактором является и экономия емкости ПЗУ, которая при одинаковой разрядности выходного кода ЦПУ составляет не менее 25 % по сравнению с вариантом синусио-косинусного ФЦАП. Это в сочетании с дубли­рованием части разрядов повышает надежность а технологичность устройства. При импульсной запитке ПЗУ [54] снижается потребляемая мощность, что спо­собствует реализации устройства в виде модуля на основе гибридной или инте­гральной технологии.

Быстродействие этого ЦПУ близко к 10⁴ преобразований в секунду и oпpe-деляется скоростью работы АЦП. Повышению быстродействия последних в на­стоящее время уделяется большое внимание, поэтому в ближайшем будущей реально достижимо увеличение их скорости работы на порядок. Дальнейшее повышение быстродействия достигается в параллельных АЦП, иногда называе­мых блиц-преобразователями [61]. Приборы этого типа выполняют операцию преобразования всего за два цикла и поэтому превосходят по быстродействию АЦП последовательного приближения.

Прогресс в сфере ИМС преобразователей информации обусловлен совершен-ствоваанем технологических процессов и разработкой новых схемотехнических решений. Созданае интегральных приборов, работающих с высокими скоростью и разрешающей способностью, дает ряд преимуществ, среди которых уменьшение стоимости изделий а расширение их функциональных возможностей.

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ