15.2. Многоканальные циклические цпу с пзу

Один из вариантов построения многоканального циклического ЦПУ с ПЗУ описывается в [а. с. 1120383 (СССР)].

Функциональная схема преобразователя представлена на рис. 15.3.

Он содержит п СКВТ, п преобразователей отношения напряжений ПОН в код, каждый из которых содержит фазочувствительные выпрямители ФЧВ1 ^и ФЧВ2, блок нормирования напряжений БНН, инвертор умножающий¹

цифро-аналоговый преобразователь УЦАП, элемент И —ИЛИ, компаратор К, регистр формирователь кода ФК, состоящий из генераторасчетчикаформирователей кода тангенса ФКТ1 и ФКТ2 и инвертора Блок БНН (рис. 15.4) включает в себя шесть постоянных резисторов операционные усилители ОУ1 и ОУ2, компараторы К1—КЗ, инвертор Инв, элемент» ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 1—4 и аналоговые ключи Кл1—Кл6.

Многоканальный преобразователь работает следующим образом.

Выходные напряжения СКВТ, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота, поступают напреобразователь отношения напряжений в код, где определяется момент равенстваприведенного синусного напряжения приведенному косинусному напряжению, умноженному на код тангенса. В момент равенства напряжений фиксируется выходной код преобразователя отношения напряжений в код, равный углу 0, поворота соответствующего СКВТ. Фазочувствительные выпрямители ФЧВ1 и ФЧВ2 преобразуют выходные напряжения СКВТ в постоянные напряженияи амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу угла, а знакопределяется совпадением фазы выходных напряжений СКВТ с фазой опорного напряжения При совпадении фазы опорного напряжения с фазойсигнального напряжения на выходе фазочувствительных выпрямителей напря­жение положительно, в противном случае — отрицательно. Напряженияи поступают на вход блока нормирования напряжений, который осуще­ствляет формирование трех старших разрядов (1р—3р) выходного кода, соответствующих коду октантов. Напряжение изменяется от 0 до в нечетных октантах и отдо 0 в четных октантах, напряжение

дов нечетных октантах и отв четных октантах. Нормирование напряжений осуществляется с помощью операционных усилителей ОУ1 к 0У2, режим работы которых задается аналоговыми ключами Кл1 я Кл2, а коммутация их выходных напряжений — выходными аналоговыми ключами Кл3—Кл6. Формирование сигналов управления этими ключами и выявление трех старших разрядов выходного кода производится компараторами К1—КЗ « элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 1—4. При этом компараторы К2 и КЗ определяют знак напряжений а компаратор К1 сравнивает их между

собой по амплитуде.

Работа компараторов К2 и КЗ описывается выражениями

Компаратор К1 работает в соответствии с выражениями

Управляющие сигналы для аналоговых ключей Кл1, Кл2 формируются -элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 1 н 2:

При аналоговый ключ Кл1 замкнут и операционный усилитель ОУ1 инвертирует входной сигнал с единичным коэффициентом передачи, при=0 повторяет. Аналогично операционный усилитель ОУ2 при и замкнутом аналоговом ключе Кл2 инвертирует входной сигнал, а при повторяет. Для обеспечения единичного коэффициента передачи резисторы и выбираются равными. Сигналы управления аналоговыми ключами Кл3—Кл6 формируются компаратором К1 и инвертором. При этом, когда₌1, замкнуты аналоговые ключа Кл4 и Кл5, при замкнуты аналоговые ключи Кл3 и Кл6. Этим обеспечивается правильное изменение напряжений во всех октантах. Старшие разряды выходного кода (Ip—Зр) фор­мируются элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 3 и 4 и компараторами К1—КЗ.

Работа БНН поясняется табл. 15.1 и временными диаграммами рис. 15.5. Умножающий цифро-аналоговый преобразователь формирует напряжение равное

где — значение кода на выходе элементаИ — ИЛИ, равное

— выходные коды формирователей кода тангенса (рис. 15.3).

Компаратор сравнивает по амплитуде между собой напряжения и

Выходным сигналом компаратора осуществляется запись информации С регистр по отрицательному фронту сигналаНа информационные входы ре­гистра поступают три старших разряда выходного кода с выхода блока форми­рования напряжений и разрядов выходного кода с выхода формирователя кода, с которого код также подается на формирователь кода тангенса ФКТ1 непосредственно и на формирователь ФКТ2 через инвертор. Формирователи кода тангенса представляют собой постоянные запоминающие устройства, имею­щие прошивки, соответствующие коду тангенса угла, поступающего на их входы. Они формируют код тангенса угла в пределах от Код счетчика, эквивалентный углу изменяется отинвертированное значение этого кода

изменяется от до 0, на выходе формирователяФКТГ получается кодтангенса угла равный а на выходе формирователя ФКТ2 — код

тангенса дополнительного угла, равныйВсеразрядов кода угла

и коды тангенса угла формирователейпоступают на выход формирователя кода.

Рассмотрим работу многоканального преобразователя на примере преобра­зования угла поворотаСКВТ для первого канала (см. рис. 15.3). Выходные напряжения СКВТ пропорциональные синусу и косинусу углами ­

ступают на вход преобразователя отношения напряжений в код, где выпрямля­ется с учетом фазы опорного напряжения фазочувствительными выпрямителями ФЧВ1 и ФЧВ2, Постоянные напряжения значения которых определяются синусом и косинусом угла а знак — соотношением фаз опорного напряженияи сигнальных напряженийпоступают на вход блока

клонирования -напряжений, который формирует напряжений Например, если угол 01 СКВТ находится в пределах первого октанта, то напряжения равны

Если уголнаходится во втором октанте, торавны

Выражая полный угол поворотаСКВТ через приведенный уголпо­лучаем

где—угол поворотаСКВТ, приведенный к первому октанту;—но-

мер октанта.

Заменяя в выражениях (15.5)—(15.10) угол приведенным углом, полу­чаем для первого октанта

для второго октанта

для седьмого октанта

Соответственно напряженияравны

де ФКТ2. Код углаизменяется непрерывно, циклически. В моменты времени от 0 донапряжениепри этой ; в моменты времени от напряжениепри этом в момент времени изменяет свое значение с 1 на 0 и по отрицательному фронту сигнала производится запись в регистр кода угла эквивалентного приведенному углу СКВТ, и кода октантов {1р—3р), дополняющего приведенный угол до полного угла

СКВТ. Период изменения кода углаопределяется числомразрядов счетчикаи временем установленияразряда цифро-аналогового преобразователя;

Этот период определяет быстродействие преобразователя.

В таком варианте преобразователя за счет исключения многоканального ком­мутатора отсутствуют дополнительные погрешности. Это позволяет реа­лизовать многоканальный преобразователь угла поворота вала в код с точностью, эквивалентной 12 двоичный разрядам кода угла с числом каналов до 100. Быстродействие преобразователя определяется периодом изменения кода углапри этом динамическая ошибка равна

Динамическая ошибка преобразователя не зависит от числа каналов и опре­деляется периодомизменения кода углакоторый при этом не превышаетпериода изменения опорного напряжения частотой 400 Гц и одинаков для всех каналов преобразователя. Все это позволяет увеличить число каналов преобра­зователя до нескольких десятков, при этом точность и быстродействие преобра­зователя останутся без изменения. Увеличение числа каналов не требует измене­ния структуры преобразователя и формирования дополнительных управляющих сигналов, что расширяет эксплуатационные возможности ЦПП.

Увеличение числа каналов производится простым добавлением ПОИ, при этом дополнительные каналы подключаются к шине данных, например, через шинные формирователи без коммутации аналоговых сигналов. Увеличение числа каналов не приводит к появлению дополнительных погрешностей в выход­ном коде.

15.3. ОТОБРАЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Одной из важных задач, возникающих при использовании ЦПП в системах управления, робототехнике и других микропроцессорных комплексах, является отображение на цифровом табло или дисплее выходной информации о переме­щениях в удобной для оператора форме. В большинстве таких систем имеется принципиальная возможность выполнения необходимых преобразований микро-ЭВМ по соответствующей подпрограмме. Однако с целью экономии машинного времени целесообразно для этого использовать аппаратные средства. Они не­обходимы и для автономных систем, не содержащих вычислительных средств, способных выполнить такие преобразования.

Большинство рассмотренных выше ЦПУ преобразует угловые перемещения в двоичный код, вывод которого в системы индикации не всегда удобен с точки зрения восприятия оператором. Поэтому возникает необходимость преобразова­ния двоичного эквивалента преобразуемого угла в код угловых градусов, минут и секунд с последующим выводом результата преобразования на табло инди­кации.

Эта задача может быть решена методом прямого преобразования, что свя­зано со значительным объемом аппаратуры при большом числе разрядов пре­образователя. Более простое построение [а. с. 297960 (СССР)], реализуется пу­тем преобразования цифрового эквивалента в числоимпульсный код, из которо­го по определенному алгоритму исключается часть импульсов. Оставшиеся импульсы переписываются в счетчик, содержащий декады и секстаны, т. е. фор­мирующий двоично-десятичный угловой код. Недостаток такого построения со­стоит в сложности цепи корректирующих делителей, которая с увеличением точности преобразования усложняется, и в невозможности преобразования в дво­ично-десятичный код градусов и долей градусов; а также тысячных делений угломера и т. п.

Существенного упрощения преобразователя, а также устранения возраста­ния ошибки можно достичь на основе суммирования двоичной константы, рав­ной весу младшего разряда двоичного кода угла, выраженному в долях млад­шего разряда выходного кода, т. е. в долях угловой секунды [а. с. 970354 (СССР)].

Функциональная схема такого преобразователя представлена на рис. 15.8. Она содержит генератор импульсов G, схемы совпадения И1 и И2, двоичный счетчик Ст2 с дешифратором двоично-десятичный счетчик Ст, регистр и сумматор SM:

Преобразователь работает следующим образом.

В начале цикла преобразования в счетчике Ст2 записывается преобразуемое число поступающее по входу, и производится обнуление регистраи счет­чика Ст. После записи в двоичный счетчик числадешифратор разрешает про­хождение импульсов генератора через элемент Я/. Эти импульсы поступают на вычитающий вход Ст2, уменьшая записанное в него число. После прохождения

импульса Ст2 приходит в нулевое состояние и дешифратор запрещает дальнейшее прохождение импульсов через элемент И1. При этом на тактовый вход RG и в первый вход элемента И2 поступает также N импульсов.

Число импульсовпрошедших через элементИ2 на вход счетчика Ст угло­вых единиц, равно числу тактов, в которых на второй выходе сумматора воз­никает сигнал переноса, что в свою очередь равно целой части суммы

где С — константа, поступающая на вход сумматора по входу константы; m — число двоичных разрядов сумматора, равное числу разрядов—число, за-

писанное в регистре послетакта.

Для того чтобы преобразователь не имел набегающей ошибки, значение кон­станты С следует выбирать на условия нулевого значения при максимальном значении преобразуемого угла (360°)

где п—число разрядов Ст2, а—число состояний счетчикаСт угловых едениц.

Из равенства (15.29) находится константа

Посколькупредставляет собой целое число, при соответствующем выборечисла разрядов счетчика и сумматора константа С —также целое число и, сле­довательно, выполняется условие отсутствия набегающей ошибки. Текущее зна­чение ошибки преобразования определяется из (15.28) и (15.30):

и не превышает величины младшего разряда Ст угловых единиц.

Пример 1. Преобразователь 18-разрядного двоичного кода угла (п=18) в двоично-десятичный код градусов, минут. -101010001 100 000.

Из условия целочисленности константы С отсюда

а из условия (15.30) Нули в старших разрядах константы выравнивают число ее разрядов и число разрядовSM. Если число значащих разрядов константы превышает число разрядов SM, то необходимо увеличить разрядность SM и Ст2,

Пример 2. Преобразователь 16-разрядного двоичного кода угла (п—16) в двоично-десятичный код градусов, десятых в сотых долей градуса. =•1000110010100000.

Из условия целочисленности константы то т= п—5=11, тогда -= 10 001 100101.

Такое построение преобразователя позволяет получить выходной код угла в любых других угловых единицах, что достигается соответствующим выбором структуры суммирующего счетчика и константы.

Недостатком этого преобразователя является невозможность получения двоично-десятичного кода угловых единиц в диапазоне а также значительное время преобразования (порядка единиц миллисекунд), пропорциональ­ное числу Устранение первого недостатка может быть достигнуто за счет того, что Ст2 в диапазоне от 0 до 180° (старший разряд двоичного кода угла работает на вычитание, а в диапазоне от 0 до —180° — на сложение. При этом на выходе Ст формируется код угловых единиц в пределах 0—180°, а знак кода определяется значением Одновременно с этим умень­шается максимальное число рабочих тактов преобразователя, что повышает его быстродействие.

Применение преобразователя с таким высоким быстродействием удобно в системах с автоматической регистрацией данных о цифровом эквиваленте пре­образуемого угла.

Для считывания показаний индикатора угла, который подключается к вы­ходу преобразователя, оператору необходимо время в пределах 0,5—1 с [а. с. 1068929 (СССР)], поэтому наиболее рациональным с точки зрения восприятия информации и аппаратных затрат на реализацию быстродействия следует счи­тать время, определяемое этим значением.

Схема преобразователя, обеспечивающего удобный для оператора темп выда­чи информации, представлена на рис. 15.9.

Устройство содержит генератор импульсов ГИ, двоичный счетчик ДС, двоич­но-десятичные счетчики секунд СС, минут СМ и градусов СГ, соответственно корректирующий счетчик КС, триггер-защелку ТЗ, устройство сравнения УС, одновибраторы ОВ1 и ОВ2, выходной регистр ВР, элементы И—НЕ 1—3 в элемент И. Счетчики в совокупности образуют двоично-десятичный счетчик гра­дусов, минут и секунд СГМС.

Преобразователь работает следующим образом.

Последовательность импульсов от ГИ поступает на первый вход ТЗ, функ­ция которого при наличии логического 0 на его втором входе совпадают с логи­ческой функцией элемента И, а при переходе сигнала на второй входе в со­стояние логической 1 на выходе фиксируется состояние первого входа, соответ­ствующее моменту перехода. Последующие изменения сигнала на первом входе не изменяют состояние на выходе до тех пор, пока логическая 1 на второй входе ТЗ не сменится на логический 0. До момента сравнения выходного кода ДС с входным кодом в УС на выходе его сохраняется логический 0, что позво­ляет последовательности импульсов с выхода ТЗ заполнять ДС.

В момент сравнения изменение уровня на выходе УС на логическую 1 за­пирает ТЗ для прохождения импульсов, прячем последнее состояние выхода ТЗ сохраняется. Блок ОВ1 вырабатывает импульс записи информации с выходов СГМС в ВР. По срезу импульса записи с выхода OBI, ОВ2 вырабатывается импульс, устанавливающий в нуль СГМС, ДС и КС. Рассогласование нулевого кода на выходе ДС с входным кодом приводит к изменению уровня на выходе УС на логический 0, в результате чего ТЗ открывается для прохождения им­пульсов и цикл преобразования повторяется;

В отличие от прямой последовательности импульсов, поступающей на вход ДС, последовательность импульсов, поступающая на вход двоично-десятичного СС, скорректирована. Суть коррекции заключается в регулярном исключении импульсов из прямой последовательности.

При наличии нуля на выходе элемента Я, а также единицы на выходе КС последовательность импульсов с выхода ТЗ через элементы И—НЕ1 и 3 по­ступает на счетный вход двоично-десятичного СС. С периодичностью, опреде­ляемой коэффициентом пересчета корректирующего счетчика, на его выходе появляется импульс нулевого логического уровня, совпадающий по длительности и моменту возникновения с входным импульсом. При этом импульс входной последовательности с выхода ТЗ на вход двоично-десятичного СС не проходит, т. е. не происходит коррекции входной последовательности на вычитание. Если на выходе элемента И появляется единица и сохраняется в течение всего времени воздействия корректирующего импульса с выхода КС на второй вход элемен­та Й—НЕ1, то входной импульс проходит на вход двоично-десятичного СС через элементы И—'НЕ 2 и 8. Таким образом, с периодичностью, определяемой по­явлением на входах элемента И совокупности логических 1, происходит коррек­ция на сложение.

Входы элемента И могут быть подключены к любой комбинации прямых и инверсных разрядных выходов счетчика, что позволяет получить на его выходе последовательность импульсов, необходимую для коррекции на сложение перио­дичности и длительности.

Например, в 20-разрядном двоичном коде содержится 1 048 576 двоичных квантов, а в полной окружности при цене кванта 5 угловых секунд содержится 259 200 квантов угловой меры, которые с погрешностью, меньшей одного кван­та, можно представить как

Из этого следует, что КС для коррекция на вычитание должен иметь коэф­фициент пересчета 89, а элемент И должен для коррекции на сложение выра­ботать на водный угол 2 импульса, поскольку, квант соответствует одному логическому уровню, а импульс эквивалентен двум логическом уровням; для коррек­ция четырех квантов необходимо два корректирующих импульса.

Для равномерного распределения ошибок равных знаков корректирующее на сложение импульсы должны соответствовать углам примерно 90 и 270°. Дли­тельность корректирующих на сложение импульсов должна быть меньше перио­да импульсов счетчика, корректирующего на вычитание, для исключения воз­можности ошибочной коррекции подряд двух импульсов КС. С учетом этих тре­бований к входам элемента И необходимо подключить прямой выход второго разряда, а также инверсные выходы 3—14 разрядов 20-разрядного счетчика первый разряд считается старшим. При этом на полном угле на выходе элемента И вырабатываются два импульса единичного уровня с длительностью, эквивалентной длительности _и импульсов входной последовательности, что,

как и требуется, меньше периода импульсов счетчика, эквивалентного длитель­ности 89 импульсов входной последовательности.

Таким образом, два импульса счетчика, корректирующего пряную последо­ вательность на вычитание, оказываются в пределах импульсов с выхода эле- мента И, что на выходе третьего элемента И —НЕ соответствует коррекция: прямой последовательности импульсов на сложение.

Выходной регистр преобразователя содержит код угла в течение всего времени преобразования, который изменяется в соответствен с изменением входно­го кода только в моменты, определяемые сигналом, вырабатываемым СС. При изменении кода на входе СС изменение входного угла состояние регистра двоично-десятичного кода сразу вслед за моментом сравнения в точности соответствует углу, двоичный код которого присутствует в этот момент на входе преобразователя и сохраняется до следующего момента сравнения. При этом пре­образователь позволяет наблюдать за изменением намеряемого угла, происходя­щим с максимально допустимой для сохранения возможности восприятия человеком скоростью.