20.5. Классификация амплитудных цпп

Третья и четвертая части пособия посвящены особенностям построения отсчетньх частей преобразователей перемещение — амплитуда — код (ПАК) и их взаимодействию, с первичным синусно-косинусным преобразователем в ЦПП.

Хотя, преобразователи непосредственного кодирования, особенно с исполь­зованием фотоэлектрических принципов считывания [1], продолжают разви­вайся, основное внимание разработчиков сейчас приковано к преобразовате­лям угол-аналоговый параметр — код. Это объясняется возможностью ис­пользования первичных преобразователей широкого назначения, давно освоен­ных и выпускаемых промышленностью в достаточном количестве, а также боль­шими и неуклонно растущими успехами микроэлектроники. Достижения в об­ласти создания первичных преобразователей на основе оптических принципов, а также с печатными обмотками [17, 87] свидетельствуют об их конкуренции с преобразователями непосредственного кодирования в части точности, а пер­спективы развития [61] БИС АЦП, ЦАП, ПЗУ, ПНЧ и др. делают реальным достижение сравнимого с ними быстродействия.

Среди вторичных преобразователей наибольшее распространение, особенно в последнее время, получили преобразователи амплитуда—код, подключаемые, как правило, к СКВТ и наиболее эффективно реализуемые на современной микроэлектронной элементной базе. Кроме того, эти преобразователи в отлнчие, например, от широко . применяемых вторичных преобразователей фаза - код (ПФК) не требуют жестких ограничений на постоянство формы, амплитуды и частоты сигнала первичного преобразователя.

Это позволяет унифицировать построение отсчетной части для широкого ряда первичных преобразователей, например СКВТ, обладающих значительными вариациями опорного сигнала. Тем самым создаются благоприятные условия для разработки устройств с большей степенью интеграции, экономическая эффективность производства которых в значительной степени зависит от мас­штабов внедрения. Таким образом, поиски оптимальных схемотехнических по-строений актуальны.

Среди факторов, определяющих интенсивное развитие ПАК, отметим сле-дующие:

отсутствие трудности в разделении первичного и вторичного преобразова­телей, а также в значительном их взаимном удалении без усложнения связей в условиях воздействия помех и факторов эксплуатации;

возможность придания вторичному преобразователю свойства обратимости и координатных преобразований, что упрощает взаимодействие с первичными преобразователями и потребителями информации;

способность получения во вторичном преобразователе цифровых эквивалент тов тригонометрических функций угла без усложнения первичного преобразо-вания и ухудшения его показателей;

возможность реализации единого информационного обеспечения в оптималь­ных и адаптивных системах управления перемещением за счет высокой чув­ствительности и многофункциональности в части формирования цифровых экви­валентов скорости и ускорения;

относительно низкую стоимость изготовления и эксплуатации;

возможность модернизации существующего оборудования без замены пер­вичного преобразования, что особенно важно в ГАП и робототехнике при смене поколений оборудования;

перспективу существенного повышения показателей за счет совершенство­вания структуры построения, элементной базы и технологии.

Реализация отмеченных преимуществ связана с инженерным синтезом ПАК, наиболее полно удовлетворяющих заданной совокупности показателей. Это Тре­бует сопоставления по ряду критериев, что удобно делать при наличии глубо­кой и развернутой классификации, отражающей достижения и перспективу раз­вития ПАК.

Известные классификации либо носят слишком упрощенный характер [23], либо относятся к отдельным разновидностям ПАК [81] и поэтому не могут в достаточной степени служить базой для синтеза этих изделий.

Предлагаемая классификация отображает отечественный и зарубежный опыт в развитии ПАК (рис. 20.8). При этом сохранена преемственность извест­ных -классификаций и максимально учтены изменения алгоритмического, -функ­ционального и структурного характера, происходящие в последнее время в пре­образователях этого типа.

Аналогично ПФК в зависимости от алгоритма функционирования, т. е. спо-соба получения цифрового эквивалента выходных сигналов СКВТ, ПАК делят­ся на циклические [81], следящие [57] и адаптивные [66]. Последние позволяют реализовать чередование циклического и следящего алгоритмов в зависимости от величины рассогласования с целью его компенсации при изменении входных воздействий.

Сходство с ПФК просматривается и в разделении ПАК на многоканальные, двухотсчетные, двухконтурные [3], н функциональные [49], осуществляющие формирование цифровых эквивалентов в соответствии с требуемыми зависи­мостями (масштабирующими, тригонометрическими и др.).

В отличие от аналогов ПАК характеризуется полнотой алгоритмического обеспечения, т. е. полным или упрощенным алгоритмом формирования сигнала рассогласования.

Полный алгоритм предусматривает задание цифрового эквивалента угла Ф в пределах 360°. Квадрантное или октантное разбиение входного угла 8 характеризует упрощенный алгоритм преобразования. Полный алгоритм бази-руется на использовании синусной зависимости [54], а упрощенный — тангенс­ной (66]. В полном алгоритме не исключено использование сочетания этих функций [3].

Примером упрощенного алгоритма является реализация зависимости

В этом случае достигается двукратное уменьшение аппаратуры вторнчного преобразователя по сравнению с полным алгоритмом [66, 81]. К не-достаткам упрощенного алгоритма следует отнести ограниченные функциональ­ные возможности, исключающие совмещение получения в отсчетной части ПАК цифровых эквивалентов угла и его тригонометрических функций. Следует от­метить, что само по себе использование полного алгоритма является только необходимым, но не достаточным условием решения этой задачи [54].

Известны две разновидности полного алгоритма. В первом случае—Ф)=0, когда первичный и вторичный преобразователя образуют аналог син­хронной передачи. Во втором случае когда в сигнал рассогласования двухканального ила двухконтурного ПАК вводится по­правка с помощью интерцоляционного корректора, управляемого младшими по весу разрядами Второй вариант позволяет оказывать су­щественное влияние на информационные емкость л способность ПАК [3, 71, 89].

В зависимости от глубины охвата ПАК обратной связью можно разделить отсчетные части на две группы: прямого типа,. не содержащие обратных связей или имеющие локальные обратные связи для реализации алгоритма преобразования; компенсационные преобразователи, охваченные главной обратной связью по выходному параметру.

В ПАК прямого типа используется циклический алгоритм функционирования. Они подразделяются в зависимости от алгоритма промежуточного преоб­разования выходных сигналов СКВТ на две группы: с преобразованием ампли­туды во временной интервал (ПАВИ) и с функциональным АЦП (ФАЦП) их отношения в код (рис. 20.8),

Построение ПАК с ПАВИ имеет три структурные разновидности: с гене­ратором сетки частот (ГСЧ) и ШИМ, с цифровым синусно-косинусным гене­ратором (ЦСКГ) и интегрирующий. Преобразователи этой группы имеют низ­кое быстродействие. Вариант с ГСЧ и ШИМ [81] может применяться в канале обратной связи ЦСС, что позволяет избежать преобразования код—ШИМ. [68].

Построение ПАК с ЦСКГ очень близко к аналогичному варианту ПФК раз­вертывающего типа «с бегущей» стробирующей меткой» [49]. К нем осуще­ствляется формирование временного аналога двоичной кодовой маски. К досто­инствам ПАК этого типа следует отнести простоту формирования цифровых эквивалентов тригонометрических функций угла путем незначительного услож­нения ПАК и возможность сопряжения ПАК с устройством, осуществляющим преобразование скорости и ускорения фазовым методом при построении поли-функцнвнального варианта преобразователя.

Особый интерес представляют циклические интегрирующие ПАК, облада­ющие наибольшей помехоустойчивостью среди преобразователей прямота типа. В зависимости от типа используемого интегратора различают варианты с ана­логовым (АИ) и цифровым (ЦИ) интеграторами. Они могут быть выполнены по разомкнутой или замкнутой, с локальной обратной связью схеме, как это имеет место в генераторе гармонических сигналов с АИ [3]. Существенным до­стоинством такого ПАК построения является возможность его работы в режи­ме преобразования координат. Повышение быстродействия в 2 раза достига­ется за счет использования реверсивного вращения воображаемого вектора, проекции которого представляют выходные сигналы СКВТ. Дальнейшее повы­шение быстродействия достигается в реверсивном варианте интегратора при переходе на переменную величину кванта единичного перемещения воображае­мого вектора [81].

Эффективность циклического интегрирующего ПАК возрастает при ис­пользовании ЦИ за счет получения в единой отчетной части, кодов проекций, масштабирования результата преобразования и высокой стабильности работы при больших разрядностях выходного кода [63}. Методы повышения быстро­действия ПАК с ЦИ аналогичны варианту с АИ.

Следует отметить, что оба варианта- реализуют арктангенсное преобразо-ванне отношения выходных сигналов СКВТ, т. е. тангенса входного угла 0 во. временной интервал, величина которого в этом случае пропорциональна углу поворота. Если АИ оперирует с аналоговыми величинами проекций вообража­емого вектора в пределах октанта, то ЦИ осуществляет вращение цифровых эквивалентов с предварительным кодированием выходных, сигналов СКВТ с по­мощью ФАЦП отношения.

Две другие разновидности ПАК с ФАЦП тоже осуществляют арктангенсное преобразование. С формирователем компенсационного напряжения ФКН это преобразование обеспечивается введением локальных линейных или нелинейных обратных связей с целью получения на выходе ФАЦП цифрового эквива­лента угла. Эта разновидность ПАК отличается умеренным быстродействием и точностью [81].

Наибольшей скоростью преобразования, определяемой практически быстро­действием ФАЦП, обладает вариант функционального преобразователя ФП с ПЗУ. Арктангенсное преобразование на основе ПЗУ может быть реализовано двумя методами: интерполяции (59] или табличной адресации [52]. Для обес­печения высокой разрешающей способности с табличной адресацией требуется ПЗУ большей емкости. Метод интерполяции позволяет уменьшить ее за счет запоминания части таблицы и последующего расчета с ее помощью любых значений функции путей простых вычислительных операций. Наибольший эф­фект этот прием дает при интерполяции значений периодических функции, на­пример синуса [59]. К недостаткам интерполяционного метода по сравнению с табличным следует отнести необходимость применения помимо ПЗУ умножи­теля и сумматора [81].

Существенным достоинством варианта ФП с ПЗУ является простота рас­ширения его функциональных возможностей в части получения цифровых эк­вивалентов тригонометрических функций угла [68]. При питание СКВТ им­пульсами прямоугольной формы удается реализовать совмещенный функцио­нальный вариант и исключить из канала преобразования УВХ. Это приводит к существенному упрощению ПАК по сравнению с вариантом [54], построенным по компенсационному принципу.

Группа компенсационных преобразователей с функциональными тригономет­ рическими ЦАП ФЦАП преобладает в зарубежной микросхемотехннке ПАК [3, 39, 87].

Функциональный преобразователь может быть реализован на основе рези-стявного или индуктивного моста [3, 22]. Несмотря на чрезвычайно высокие точностные показатели применение последней разновидности ФП ограничено. Она не удовлетворяет основному критерию для реализации ПАК в микроэлек-тронном исполнениями поэтому может использоваться для целей контроля и настройки. С этой точки зрения более перспективна применение в ФП резис-тивных мостов с линейной и нелинейной аппроксимацией [3, 22, 81].

Большие возможности в компенсационных ПАК открываются для приме­нения ФП на основе ПЗУ с синусной [54, 62] и тангенсной прошивками {66, 81]. Использование «зеркальны» свойств функция синуса позволяет реализовать Тригонометрический ТЦАП, обеспечивающий четырехквадрантные координатные преобразования и представляющий важный элемент навигационных и робото-техннческях систем [62]. В том случае, когда возникают трудности распростра­нения функции, записанной в ПЗУ для одного квадранта, на остальные квад­ранты с целью экономии объема памяти в состав ПАК вводится корректор [62].

Предлагаемая классификация обобщает как отечественный, так н зарубеж­ный опыт в области проектирования ПАК с СКВТ. Она обладает достаточным уровнем полноты и поэтому дает возможность на основе выявленной внутри классификационной структуры общности рекомендовать перспективные направ­ления развития ПАК. В части элементной базы эхо в первую очередь отно­сится к необходимости дальнейшего совершенствования ФП на основе ПЗУ с тригонометрическими прошивками.

Выявление с помощью классификационной схемы элементарных алгорит­мов и структур, обладающих свойством неразложимости, позволяет Синтезиро­вать оптимальное построение как перебором вариантов, так и путем комбини­рования элементарных алгоритмов и структур с целью не только достижения количественных изменений, йо и варьирования в широких пределах показате­лями качества.

Это положение в части алгоритмических особенностей наглядно иллюст­рируется на примере компенсационного ПАК, в котором может быть исполь­зовано все разнообразие алгоритмов функционирования, а выполнение его с переменной структурой позволяет реализовать положительные свойства и уст­ранить недостатке обоих элементарных алгоритмов [66].

Иллюстрацией влияния структурных особенностей построения служит сле­дящий ПАК, который с позиций теории автоматического регулирования явля­ется пропорциональной [3] или релейной [89] аналого-цифровой следящей систе­мой с астатизмом второго порядка. Замыкание контура регулирования и введе­ние в него дополнительного по сравнению с интегрирующим ПАК циклическо­го типа интегратора не только позволяет существенно увеличить его помехо­устойчивость, но и формирует сигналы, характеризующие скорость н ускорение входного воздействия. Это придает ПАК новые качественные свойства, по­скольку последующее кодирование этих сигналов дополнительным АЦП делает вторичный преобразователь многофункциональным [68]. Повышению достовер­ности тахометрической информации в широком диапазоне входных воздействий способствует введение интерполяционного корректора, который позволяет в двухотсчетных системах повысить информационную способность [89], а в одно-отсчетных — информационную емкость [71] ПАК.

Существенное значение для синтеза оптимальных ПАК имеют особенности их сопряжения с потребителями выходной информации. В связи с тем что в большинстве применений ПАК выполняет функции периферийного устройства ЭВМ, возникают специфические требования по его взаимодействию с ней. Не­редко эти требования становятся определяющими для выбора алгоритма функ­ционирования (68). В работе с ЭВМ первоочередное внимание уделяется опти­мальному использованию машинного времени. При большой загрузке ЭВМ н высокой частоте обмена с ПАК становится рациональным использование цик­лических структур. Сопряжение следующих ПАК требует включения в состав вторичного преобразователя буферного устройства [39], препятствующего ис-кажению выходкой информации. Низкая загрузка ЭВМ допускает использо­вание циклических интегрирующих ПАК. При недогрузке ЭВМ возможно ис­пользование ее процессора для выполнения ряда функций ПАК, например арк-тангенсного преобразования выходного кода ФАЦП отношения. Необходимо учитывать, что для выполнения подобных операций микроЭВМ требуются еди­ницы миллисекунды. Перспективным является использование ЭВМ я для реали­зации алгоритмических методов коррекции погрешности ПАК в процессе рабо­ты [11].

В заключение следует отметить, что ПАК могут являться составной частью многофункционального ЦПП, решающего задачу единого информационного обеспечения формированием кода скорости из сигналов СКВТ.

ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ПЕРВАЯ АМПЛИТУДНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТАХОМЕТРЫ