2.4. Фпп считывания

2.4.1. Общие принципы построения

Отличительной особенностью ФПП считывания является то, что выходным сигналом служит непосредственно код Подробное описание разнообразных кон­струкций ФПП считывания дано в [1, З¹, 8, 13, 16, 19—21, 60], поэтому в данном параграфе будет кратко рассмотрен принцип действия преобразователей такого типа и будут описаны некоторые наиболее интересные конструкции и схемы.

Основным элементом ФПП считывания является диск (или барабан) с на­несенной на него кодовой маской в соответствии с принятым двоичным кодом. Кодирующий диск выполняется обычно из оптического стекла, на котором фото­химическим способом нанесена кодовая маска в виде концентрических дорожек с прозрачными и непрозрачными участками. Количество таких дорожек и шири­на кодовых участков зависят от разрешающей способности ФПП и вида вы­бранного кода. Кодированный диск кинематически связан с вращающимся валом, угловое перемещение которого необходимо измерять.

Световой поток от источника излучения, находящегося по одну сторону дис­ка, проходит сквозь прозрачные участки кодовой маски и щелевую диафрагму, находящуюся с другой стороны диска, в поступает на фотоприемники. Усилен­ные дискриминированные сигналы принимаются за двоичные единицы, а отсут­ствие сигналов на других фотоприемниках, перекрытых непрозрачными участ­ками, соответствует двоичным нулям.

Таким образом, каждому углу присуща своя комбинация электрических сигналов, которая есть не что иное, как цифровое выражение данного угла. При этом фотоприемники обычно располагаются вдоль радиуса диска, поскольку в этом случае существенно облегчается задача формирования узкого светового луча считывания.

2.4.2. Фпп на основе многоэлементных фотоприемников

Среди возможных вариантов построения ФПП считывания перспективным является принцип пространственного кодирования, реализуемый на базе много-элементных фотоприемников (МФП) [15, 16} В ФПП данного типа МФП реа­лизует пространственное кодирование с одновременным преобразованием потока световой энергии в электрический сигнал. Рассмотрим принцип действия такого преобразователя на примере цифрового преобразователя угла (ЦПУ) с МФП, представленного на рис. 2,11 [а. с. 641484 (СССР)].

В светонепроницаемом корпусе 1 расположены кодовый МФП 2 и освети­тель, состоящий из источника света 3, конического зеркала 4, модулятора 5, непрозрачного диска 6. Модулятор 5 и диск 6 жестко укреплены на валу 7, вращающемся в подшипниках 8. Модулятор 5 выполнен в виде полого барабана С диафрагмой 9. В диске 6 имеется радиальная диафрагма 10. МФП 2 может быть тонкопленочным или твердотельным. В обоих случаях МФП 2 представ­ляет собой набор токоведущих электродов 11 с расположенными между ними фоточувствительными дорожками 12, топология элементов которых определяется используемым кодом преобразования. Каждый разряд последнего реализуется в простейшем случае двумя токоведущими электродами 11 с расположенной между ними дискретной фоточувствительной дорожкой 12 в виде чередования ячеек, чувствительных и нечувствительных к световому потоку.

Световой поток от источника све­та 3 проходит через диафрагму 9 поло­го барабана модулятора 5 и, отразив­шись от конического зеркала 4, попа­дает на МФП 2 через диафрагму 10 диска 6 а виде радиального светового штриха, так что перекрывает одновре­менно все фоточувствительные дорож­ки 12. Если световой штрих попадает на ячейку, чувствительную к световому потоку, в цепи соответствующей до­рожки 12 протекает фототок и на со­противлении нагрузки появляется на­пряжение, соответствующее логической 1 (или 0). При попадании светового штриха на нечувствительную к свето­вому потоку ячейку фототок в цепи последней отсутствует, что соответству­ет сигналу логического 0 (или 1). Та­ким образом, на сопротивлениях на­грузки появляется кодовая комбинация напряжений, соответствующая положе­нию светового штриха в координатах рабочего поля МФП 2.

При вращении вала 7 радиальный световой штрих, формируемый жестко связанными с валом 7 модулятором 5 и непрозрачным диском б, изменяет свое положение на рабочем поле МФП 2. Каждому угловому положению вала 7 в соответствии с положением светового штриха на поверхности МФП 2 однозначно соответствует кодовое слово, обра­зованное набором напряжений на сопротивлениях нагрузки каналов двоичных разрядов МФП 2.

Устройство обработки сигналов, снимаемых с сопротивлений нагрузки МФП, может быть выполнено как в виде интегральной схемы, расположенной в корпу­се ЦПУ совместно с МФП 2, так н в виде отдельного блока.

Метрологические и эксплуатационные характеристики рассматриваемых ЦПУ определяются в первую очередь функциональными возможностями кодирующих МФП. Современный уровень технологии микроэлектроники позволил создать МФП как в тонкопленочном, так и в твердотельном исполнении, обладающие полной развязкой двоичных каналов и двукратным и более резервированием последних, а также достичь размеров активных элементов прибора в 10— 20 мкм. При диаметрах активной области МФП 30—40 мм это позволило реали­зовать более 10* дискретных элементов в дорожках младших разрядов ЦПУ. Интерполяционная обработка выходных сигналов МФП позволяет повысить его разрешающую способность на несколько двоичных разрядов.

В качестве источника света используются сверхминиатюрные лампы накали­вания (СМИ 8—60, СМИ 6—150 и др.), отличающиеся при низкой потребляемой мощности достаточно высокими световым потоком и сроком службы. Альтернативным

* Без электронной обработки.

является применение инжекционных светодиодов, которые, уступая сверх­миниатюрным лампам накаливания по интенсивности, обеспечивают высокие срок службы и устойчивость к механическим нагрузкам.

В табл. 2.1 приведены параметры ЦПУ на основе кодирующих МФП.

К преимуществам ЦПУ на основе кодирующих МФП относятся: простота конструкции, надежность, малый момент на валу, малые габаритные размеры и масса [16].

Наличие широко развитой элементной базы для оптических систем и устройств обработки сигналов позволяет создавать на основе рассмотренной конструкции ЦПУ его варианты с повышенными метрологическими характери­стиками.