2.3.3. Одноканальные растровые интерполяторы

Рассмотренные схемы относятся к многоканальным фазовым растровым ФПП, так как в них растровый модулятор РМ представляет собой совокупность нескольких модуляторов (образующих в общем случае л-канальную систему). Для достижения высокой точности работы такого многоканального ФПП тре­буются достаточная точность работы каждого модулятора, идентичность пара­метров этих модуляторов, а также высокая точность их взаимного расположе­ния. Как видно из рис. 2.7, 2.8, в состав РМ входит оптическая система, вклю­чающая в себя несколько конденсоров и фокусирующих линз, а также не­сколько растровых сопряжений(по числу фаз—от двух до л).

Кроме того, сама структура построения ФПП с использованием такого РМ определяет наличие или нескольких источников излучения, или нескольких фо­топриемников. Указанная сложность оптико-электронной части схемы многока­нальных ФПП приводит к возникновению дополнительных погрешностей: за счет неодинаковости потерь света в линзах и их расфокусировки, неточности уста­новка начальных сдвигов индикаторных растров, изменения темповых токов и чувствительности фотоприемников или неодинаковости выходных харак­теристик источников излучения. Таким образом, дальнейшее повышение точности многоканальных ФПП во многом определяется конструкцией растровых модуля­торов и технологией их изготовления, а не той точностью, которая необходима. При этом, во-первых, применение прецизионного оборудования удорожает изго­товление, а во-вторых, это оборудование также обладает определенной конечной точностью.

Указанные недостатки многоканальных фазовых преобразователей можно преодолеть, если использовать одноканальную структуру построения ФПП. Прин­цип построения одноканальных ФПП заключается в том, что в них применяется всего один растровый модулятор, а для получения в общем случае остальных п—1 законов модуляции используются специальные электронные устройства осу­ществляющие фазовый сдвиг модулирующего сигнала. При этом совершенно очевидно, что в одноканальных ФПП отсутствуют перечисленные выше погреш­ности, присущие многоканальным преобразователям.

Принципам построения н анализу одноканальных фазовых растровых ФПП посвящен ряд работ [14, 27, 28], в которых дается анализ и синтез структурных схем такого типа преобразователей, описывается принцип действия различных вариантов построения структурных схем, рассматриваются вопросы проектиро­вания и приводятся результаты экспериментальных исследований одноканаль­ных ФПП.

Преимуществами одноканальных ФПП ло сравнению с многоканальными являются, как уже указывалось, существенная простота оптоэлектрической части и отсутствие ряда погрешностей. К недостаткам относится некоторое усложне­ние электронной части схемы за счет введения дополнительного узла — фазорасщепителя модулирующего сигнала (ФРМ.).

Но числу фаз несущего сигнала одноканальные ФПП, как и многоканаль­ные, делятся на двух-, трех- и п-фазные. Наиболее перспективными являются двух- и трехфазные ФПП.

Рассмотрим более подробно принцип действия одноканальных фазовых рас­тровых ФПП на примере наиболее простого двухфазного преобразователя с вве­дением несущих колебаний в электронной части. Функциональная схема такого преобразователя представлена на рис. 2.9 [14]. Преобразователь работает сле­дующим образом. Постоянный световой поток_ от источника светаИИ посту­пает на одноканальный растровый модулятор ОРМ, где модулируется по перио­дическому закону перемещением X, Конструктивно ОРМ состоит из оптической системы 1, одного измерительного растра 2 и одного индикаторного (неподвиж­ного) растра 3, совмещенного с диафрагмой. Период изменения светового по­тока равен шагу растров, фаза зависит от относительного сдвига индикаторно­го растра, форма — от конструктивных параметров растров, диафрагмы я апер­туры оптической системы. При синусоидальном законе модуляции характеристика прозрачности ОРМ определяется выражением (2.2) при

Промодулированный перемещением X в ОРМ световой поток фокусируется на входном зрачке фотоприемника ФП и после усиления поступает на фазорасщепителъ модулирующего сигнала ФРМ;

С выхода ФРМ снимаются два модулирующих напряжения, сдвинутых отно­сительно друг друга по фазе на

где

Выходные напряжения модуляторов M1, M2 при этом определяются следую­щими выражениями:

Эти напряжения подаются на модуляторы Ml, M2, где модулируют но амплитуде поступающие с выхода ФРН несущие колебания, которые также сдвинуты по фазе относительно друг друга на

После суммирования в суммирующем устройстве СУ выходных напряжений фазорасщепителя ФРН и модуляторов Ml и М2 получаем выходное напряжение преобразователя (2.5):

где

Таким образом, фаза выходного напряжения преобразователя линейно зави­сит от перемещения X.

Фазорасщепители модулирующего сигнала ФРМ, которые могут быть исполь­зованы в одноканальных ФПЛ, имеют различную структуру и разделяются на ФРМ непрерывного действия и импульсные.

Фазорасщепители непрерывного действия строятся на основе линейных ре­шающих элементов (РЭ) с параметрической компенсацией н с отрицательной обратной связью, аналоговых счетно-решающих устройств (АСРУ), построите­лей координат, квадраторов, множительных устройств, а также с использованием одного или нескольких нелинейных элементов (НЭ). Импульсные ФРМ могут быть построены на основе использования компараторов (двух и более в зависи­мости от числа фаз. несущего я модулирующего сигналов) или одного компаратора (нуль-органа) и нескольких линий задержки (ЛЗ). Перечисленные устрой­ства, применяемые в качестве ФРМ, в настоящее время могут быть построены с достаточной степенью точности и, как показывают исследования, проведенные в [27, 28], вполне удовлетворяют заданным условиям точности всего преобразо­вателя в целом. Следует отметить, что наиболее перспективным является применение импульсных ФРМ с использованием компараторов (нуль-органов), по­скольку схемы нуль-органа (НО) в настоящее время в. достаточной степени, отра­ботаны и обладают высокой точностью [26, 28, 29—31, 34, 35].

В качестве иллюстрации рассмотрим схему одноканального ФПП с исполь­зованием фазорасщепителя на НО (рис, 2.10) [28].

Постоянный световой поток Фо от источника света ИИ поступает на ОРМ (построенный аналогично ОРМ на рве. 2.9), где модулируется по периодическому закону перемещением X. Характеристика прозрачности ОРМ имеет вид (2.6), я усиленное выходное напряжение ФП определяется выражением {2.7), Это на­пряжение поступает на схемы HОt, где сравнивается по амплитуде с предвари­тельно расщепленными с помощью фазорасщепителя ФРИ по фазе насигналами ГНЧ вида

где—номер фазы.

Подставив (2.7) и (2.8) в (2.9), после преобразований найдем

Момент времени равенства амплитуд сигналов, поступающих с выход» усилителя У и фазорасщепителя ФРН, соответствует условию

Полученные в моменты равенства амплитуд модулирующего (2.7) и несущих (2.8) сигналов последовательности импульсов с выходов HOi поступают на со­ответствующие формирователи Фi, на вторые входы которых подается сигнал несущей частоты с выхода ФРН:

Формирователи Фi образуют импульсы стабильных форм, амплитуды и дли­тельности. В рассматриваемой схеме применяются с выхода которых сни­маются прямоугольные импульсы длительностьюс периодом следования Т= сдвинутые один относительно другого по фазе наи определяемые

следующими условиями:

где—длительность импульса.

По формулам разложения в ряд Фурье периодической функции такого вида

получаем

где— порядковый номер гармоники.

На выходе полосового фильтра ПФ после суммирования в сумматоре СУ выходных напряжений Фi, описываемых (2.10), получаем сигнал, фаза которого линейно зависит от перемещения X (2.5):

где—начальный фазовый сдвиг.

Рассмотренная схема одноканального фазового растрового ФПП достаточно проста и отличается тем, что может работать в практически неограниченном диа­пазоне частот инфранизкочастотного модулирующего сигнала.

Следует отметить, что одноканальные ФПП могут быть построены по схе­мам с модуляцией источника излучения, а также с импульсным питанием. Раз­личные варианты построения структурных схем одноканальных ФПП и времен­ные диаграммы, поясняющие их принцип действия, приведены в [14, 27, 28, а. с. 488058 (СССР)].

Взаключение необходимо подчеркнуть, что результаты ряда работ отечест­венных и зарубежных авторов [1, 3, 4, 6—10, 16, 27] позволяют считать реаль­ным создание фазовых растровых ФПП, как многоканальных, так и одноканаль­ных,с абсолютной погрешностью, не превышающей +0,1 мкм при шаге растров