Трансформаторный преобразователь угла поворота вала в цифровой код

 

Московский Государственный институт электронной техники

(Технический университет)

Кафедра вычислительной техники

Лабораторная работа №2

Трансформаторный преобразователь

угла поворота вала в цифровой код

Москва 2010г.

Цель работы: ознакомление с трансформаторным устройством преобразователя угла поворота вала в цифровой код и методами кодирования.

Задание:снять и проанализировать точностные характеристики преобразователя.

Краткие теоретические сведения

При использовании электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) для решения ряда специализированных задач, связанных с автоматизацией различных процессов, информацию от чувствительных элементов необходимо вводить непосредственно в ЭЦВМ или какой-либо цифровой блок. Однако в большинстве случаев измеряемая величина по характеру является непрерывной - угол поворота вала, напряжение постоянного тока и т.д. Поэтому для ввода в ЭЦВМ необходим преобразователь этой непрерывной величины в дискретную (обычно в цифровой код).

Процесс преобразования непрерывно изменяющегося параметра в цифровой код можно разбить на два этапа: квантование и кодирование.

Под квантованием понимается деление всего диапазона изменения непрерывной величины на определенное конечное число отрезков - квантованных уровней. Число квантов показывает степень приближения дискретной модели к истинному процессу.

Под кодированием понимают соответствие между квантовыми уровнями и некоторой комбинацией условных знаков, называемой кодовой комбинацией.

По методу кодирования все преобразователи можно разделить на две группы:

·преобразователи, работающие по принципу последовательного счета;

·преобразователи, использующие принцип прямого кодирования.

Примером простейшего преобразователя, работающего по принципу счета, может служить преобразователь, состоящий из диска 1 и съемной щетки 2 (рис. 9). Диск разбит на токопроводящие 3 и непроводящие 4 участки. При вращении диска щетка поочередно попадает на токопроводящий и непроводящий участок. При подключении источника питания к цепи диск-щетка наличие тока обеспечивается кодовым участком диска. Количество импульсов - переходов токопроводящих и непроводящих зон, фиксируемое специальных счетчиком, характеризует угол поворота диска.

Рис. 9. Схема построения преобразователя угол-код по принципу счета

К недостаткам такого преобразователя следует прежде всего отнести отсутствие учета реверса вала, фиксированного нулевого положения диска, а также появление накапливающихся сбоев в счетчике.

Указанные недостатки не присущи преобразователям, использующим принцип непосредственного кодирования, при котором каждому положению маски соответствует определенный код (рис. 10).

Маска состоит из ряда кодовых дорожек, причем каждая следующая при двоичном кодировании содержит в два раза больше токопроводящих и непроводящих участков. В этом случае количество считывающих органов и кодовых дорожек равно числу разрядов двоичного кода.

Очевидно, что такой метод обладает рядом преимуществ: не происходит накапливания сбоев в электронном блоке, легко учитывается реверс, строго фиксировано положение нулевого отсчета.

Рис. 10. Принцип непосредственного кодирования (элементы с индексами Д) и код Грея (элементы с индексами Г)

Однако количество считывающих органов увеличивается, усложняется конструкция и становится технологически невозможным идеально расположить считывающие органы на одной линии считывания кода (ЛСК). Поэтому при переходе от одного кванта к другому на границе участков (см. рис. 10) может возникать ошибка, достигающая в максимальном случае единицы старшего разряда (считывающий элемент 4Д).

Для исключения подобных ошибок (ошибка неоднозначности считывания) применяются определенные методы. В этом случае используются специальные однопереходные коды (например, код Грея) или метод двоично-сдвинутого считывания - код Баркера (V-код) и двоичная щетка (U-код).

В работе рассматривается 7-разрядный преобразователь, выполненный с кодом Баркера, который использует сдвиг кода для исключения ошибок на границах участков считывания.

Построение макси кода Баркера (рис. 11) проводится по следующим правилам:)для представления каждого разряда, кроме младшего, отводятся две дорожки - дорожки подразрядов А и В с одинаковыми по длине кодовыми участками в каждом разряде;)кодовые участки подразряда А i-го разряда, начиная со второго, сдвинуты влево относительно ЛСК на величину, равную длины кодового участка этого разряда.

Рис. 11. Построение маски по коду Баркера (или V-код)

Кодовые участки подразрядов. В сдвинуты вправо относительно ЛСК на такую же величину. Величина длины кодового участка выбраны из условия симметрии допусков на расположение считывающих элементов или границ кодовой макси. При таком кодировании количество считывающих органов еще более увеличилось, однако отсутствует такое положение диска, при котором считывающие органы одного разряда (подразрядов А и В) находились бы одновременно на границе участков.

Принцип кода Баркера заключается в том, что информация снимается с того подразряда, считывающий орган которого в данный момент не находится вблизи границ. Эта идея, как уже указывалось, осуществляется сдвигом подразрядов А и В на в разные стороны от нулевого положения шкалы. Считывание происходит по следующим правилам:

·если в предыдущем (младшем) разряде в данный момент считан 0, то считывание в следующем разряде следует проводить с подразряда А;

·если в предыдущем разряде была считана 1, то в следующем разряде проводить считывание следует с подразряда В.

Очевидно, что этот метод требует последовательного считывания информации с кодовых дорожек, начиная с младшего разряда. В данном преобразователе это осуществляется регистром опроса, выполненным на феррит-транзисторных ячейках (ФТЯ). 1 опроса переходит из одной ФТЯ в другую, осуществляя временную развертку импульсов.

Другим способом кодирования является метод двойной щетки (рис. 12), основанный на применении во всех разрядах, кроме младшего, двух чувствительных элементов, которые смещены относительно ЛСК на расстояние , где - дискретность преобразования.

Рис. 12. Построение кодовой макси по методу двойной щетки (или U-код)

Чувствительные элементы группы А, смещенные относительно ЛСК в сторону возрастания отсчета, отбузуют опережающие подразряды. Чувствительные элементы 1 группы В, смещенные в противоположную сторону - запаздывающие подразряды.

Выбор той или иной группы, с помощью которой необходимо в данный момент считывать информацию, определяется цифрой 1 и 0, считываемой с младшего разряда.

Если с младшего разряда считывается 0, то в остальных разрядах ведется параллельное считывание с подразрядов группы А; если с младшего разряда считывается 1, то в старших разрядах считывание осуществляется с подразрядов группы В также параллельно.

При использовании метода двойной щетки неоднозначность считывания возникает только в младшем разряде (когда чувствительный элемент этого разряда находится на границе смены кода), так как чувствительные элементы остальных разрядов удалены от соответствующих границ минимум на , что определяется также симметрией допусков.

Устранение неоднозначности считывания с помощью специального кодирования сводится к применению однопереходных кодов, т.е. таких кодах, в которых последовательный переход от одного дискретного значения к другому связан с изменение кода числа только в одном разряде. Наиболее распространенным циклическим кодом является код Грея.

Считывание информации в коде Грея можно получить с обычной двоичной кодовой шкалы, располагая соответствующим образом считывающие элементы на каждой разрядной дорожке относительно опорной линии считывания. На рис. 10 показан пример считывания 5-разрядного кода Грея с 4-разрядной двоичной кодовой шкалы. Считывающие элементы первых 4-х младших разрядов сдвинуты относительно ЛСК в направлении увеличения чисел на половину длины кодового участка младшего разряда двоичной кодовой шкалы: . Для считывания последнего, в данном случае 5-го разряда, кода Грея считывающий элемент располагают на последней 4-й разрядной дорожке двоичной шкалы на ЛСК.

Из рассмотрения процесса считывания информации в коде Грея (рис. 10) следует, что при переходе от одной кодовой комбинации к последующей происходит смена информации в одном из разрядов. Следовательно, ошибка неоднозначности в этом случае не будет превышать единицы младшего разряда. Так как длина светлых и темных участков всех разрядов, кроме старшего, шкалы с кодом Грея в два раза больше, чем при двоичном кодировании, то можно вдвое повысить разрешающую способность преобразователя. Однако следует отметить, что допуски на изготовление кодовой шкалы Грея и регулировку положения считывающих элементов значительно более жесткие, чем для кодирующих устройств с логическим считыванием с двоичной шкалой.

На рис. 13 построено построение 5-разрядной макси (шкалы) в коде Грея с расположением считывающих органов по одной прямой.

Съем информации с кодовых шкал происходит различными способами: контактным, индуктивным, емкостным, фотоэлектрическим и др.

Пример реализации индуктивного способа являются трансформаторные преобразователи с электромагнитной системой съема данных. В таких преобразователях в качестве чувствительных элементов используются специальные трансформаторы с воздушным зазором.

Рис. 13. Построение 5-разрядной маски в коде Грея.

Каждый чувствительный элемент состоит из двух сердечников обычно П-образной формы, выполненных из ферримагнитного материала. На сердечники намотаны катушки трансформатора. Сердечники, принадлежащие одному чувствительному элементу, расположены в одной плоскости (рис. 14) и образуют единую магнитную систему. В зазоре между сердечниками чувствительного элемента размещается кодирующий диск, являющийся носителем кодовой маски, причем кодовому участку 1 соответствует отверстие в диске, а каждому участку 0 - наличие материала диска.

Работа трансформаторного преобразователя основана на модуляции магнитной связи между сердечниками чувствительного элемента. Модуляция связи осуществляется с помощью кодирующего диска. Чувствительный элемент, которым является трансформатор с воздушным зазором, составлен из двух катушек: катушки опроса (КО) и катушки считывания (КС). В обмотку катушки опроса подается опрашивающий импульс. При этом в обмотке катушки считывания индуктируется ЭДС, величина которой зависит от положения кодового диска. Если в момент опроса в воздушном зазоре было отверстие (окно), то магнитный поток, обусловленный опрашивающим импульсом тока, замыкается через воздушный зазор и сердечник катушки считывания. В результате этого в обмотке катушки считывания индуктируется ЭДС, имеющая достаточно большую амплитуду, что определяется значение 1 в соответствующем разряде числа.

Рис. 14. Конструктивная схема трансформаторного преобразователя

Если же в момент опроса в воздушном зазоре находится материал диска, то возникающий в нем вихревой магнитный поток направлен навстречу основному потоку. Вследствие этого через сердечник катушки считывания замыкается лишь небольшая часть основного потока, обусловленного опрашивающим током, а в обмотке катушки считывания находится ЭДС небольшой амплитуды, или ЭДС помехи, представляющая код 0 в соответствующем разряде числа.

Достоверность считывания информации 0 или 1 зависит от конструктивных параметров магнитной цепи; - высота сердечника; - ширина магнитного сердечника КО и КС; - ширина воздушного зазора; и - глубина кодового окна диска. Кодирующие диски изготовляющиеся из материалов с высотой магнитной проницаемостью или из немагнитных материалов, но с высокой электропроводимостью.

Методические указания

На рис. 15 приведена функциональная схема преобразователя, в котором кодирующий диск выполнен в соответствии с кодом Баркера. Подача опрашивающих сигналов в катушке опроса чувствительных элементов производится последовательно, начиная с катушки младшего разряда. С этой же целью опрашивающий импульс проходит через феррит-транзисторные элементы задержки Я1, Я2, … и последовательно поступает на усилители-формирователи УФ1УФ2,… и далее в катушки опроса. Сигналы, индуктируемые в обмотках катушек считывания, усиливаются усилителями У1 и У2 в каналах подразрядов А и В, формируются ячейками Я19, Я18 и поступают на вход логической переключающей схемы. В состав логической переключающей схемы входят схема запроса Я3, каскад совпадения К1, феррит-транзисторные ячейки Я17, Я21, Я22. В соответствии с указанным выше правилом считывания кода Баркера логическая переключающая схема реализует следующую логическую формулу

Отсюда видно, что если в i-м разряде был считан 0 (), то значение (i+1)-го разряда будет . Если же в i-м разряде 1 (), то . На вход системы запрета ЯЗ последовательно, начиная с младшего разряда, подаются кодовые импульсы с чувствительных элементов всех подразрядов А, а на один из входов каскада совпадения К1 - с чувствительных элементов всех подразрядов В. Элементы 1-го каскада (схема запрета и каскад совпадения) вместе с элементами ИЛИ (ячейка Я21) 2-го каскада задерживают прохождение импульсов на время одного такта. Сигнал , определяющий значение i-го разряда двоичного кода, подается на цепи обратной связи на запрещающий вход схемы запрета Я3 и на один из входов каскада совпадения К1 одновременно с поступлением кодовых импульсов (i+1)-го разряда подразрядов А и В. Следовательно, схема запрета пропускает сигнал (i+1)-го разряда подразряда А (сигнал ) только в том случае, если . Каскад совпадения пропускает сигнал , если . Полная электрическая схема трансформаторного преобразователя вал-код представлена на рис. 15.

Рис. 15. Функциональная схема 7-разрядного преобразователя «угол код»

Порядок выполнения работы

1.Включить осциллограф.

2.Включить питание макета.

.Проверить наличие тактовых импульсов в точках Т1, Т2.

.Определить частоту.

.Просмотреть на экране осциллографа все коды, соответствующие углу поворота вала от 0° до 360°. Род работы осциллографа - развертка Ждущая; синхронизация - Внешняя от выхода регистра (ВР).

.Для восьми произвольных значений угла поворота вала преобразователя зафиксировать временные диаграммы сигналов в точках A, B, C, D и Код. Проанализировать полученные результаты.

.Измерить параметры импульсов усилителя-формирователя и усилителя тактовых импульсов и зарисовать их.

.Определить цену (угловую) младшего разряда преобразователя.

.С помощью микроскопа и лампы, укрепленного на валу преобразователя, определить погрешность работы преобразователя в 64 точках, соответствующих величине значения кода.

.Построить график .

.Определить среднеквадратичную погрешность работы преобразователя по формуле

где

Содержание отчета

1.Кодовые шкалы для различных способов кодирования: прямой последовательный счет, двоичное кодирование, кодирование по методу Баркера.

2.Описание кодирования по методу Баркера.

3.Логическая схема для считывания по методу Баркера.

.Блок-схема преобразователя угла поворота вала в двоичное число.

.Таблица углов и соответствующие им коды в точках A, B, C, D и Код. Экспериментальная величина разрешающей способности и частота опроса преобразователя.

.График и расчет среднеквадратичной погрешности.

трансформаторный преобразователь цифровой код

Список литературы

Анисимов Б.В., Четвериков В.А. Преобразователи информации для ЭЦВМ. М., Высшая школа, 1968.

Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых устройств. М., Госэнергоиздат, 1961.

Дроздов Е.А. Пятибратов А.П. Автоматическое преобразование и кодирование информации. М., Сов. радио, 1964.

Московский Государственный институт электронной техники (Технический университет) Кафедра вычислительной техники Ла

Больше работ по теме: