УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ "УГОЛ-КОД"

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для определения инструментальных погрешностей преобразователей «угол-код» при оценке точности и настройке цифровых систем измерения и управления.
Устройства, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, описанное в книге «Л.Н.Преснухин и др. Фотоэлектрические преобразователи информации. - М.: Машиностроение, 1974, стр.347-348, рис.176». Данное устройство содержит двигатель, сообщающий вращательное движение кодовому диску преобразователя «угол-код», фотоэлектрическую систему считывания кодовых комбинаций с диска, включающую в себя два фотоэлемента, один из которых контролирует внешнюю, наименее значащую кодовую дорожку диска, а другой - проверяемую в данный момент. Фотоэлементы соединены с осциллографом, по экрану которого визуально определяются погрешности квантования проверяемой дорожки. Кодовые дорожки диска проверяются последовательно, путем сравнения границ сегментов кодовых зон (квантов) каждой дорожки с границами квантов внешней дорожки. Двигатель соединен с диском напрямую и вращается с со стабилизированной равномерной скоростью, что обеспечивается относительно большим диаметром и большим моментом инерции его ротора.
Устройство-аналог имеет простую конструкцию, однако недостаточно удобно в эксплуатации. Оно предназначено для определения погрешностей преобразователей, работающих в коде Грея, в которых кодовые диски, как правило, многодорожечные. При использовании устройства один из фотоэлементов нужно многократно перенастраивать с одной дорожки на другую, более «старшую», а это требует времени и осуществляется не всегда с нужной точностью. Кроме того, при визуальном определении погрешностей по экрану осциллографа возможны ошибки, обусловленные недостаточно высоким качеством зрения и утомлением исследователя. Чтобы повысить точность определения погрешностей преобразователя «угол-код» с помощью устройства-аналога, экран его осциллографа зачастую приходится фотографировать, а затем фотоснимки увеличивать и визуально работать уже с ними. Точность при этом повышается, но производительность труда снижается, и процесс существенно удорожается.
1
2
pk
Tk
k
Более производительным и удобным в эксплуатации является «Устройство для определения погрешности преобразователя "угол-код", защищенное авторским свидетельством СССР №410444 кл. G08с 25/04, принятое нами за прототип. Оно содержит привод, связанный с исследуемым преобразователем «угол-код» через тяговый барабан лентопротяжного механизма и понижающий редуктор; формирователь сигналов на границах квантов угла, кодируемого преобразователем, и узел записи выходных сигналов формирователя на ленту лентопротяжного механизма. Для работы устройства в лентопротяжный механизм вставляют мерную ленту, а затем включают привод. Лента и кодовый диск преобразователя начинают двигаться, причем скорость движения ленты V превышает окружную скорость V диска. По сигналам, формируемым устройством формирования сигналов на границах квантов, в процессе работы преобразователя на ленту наносятся метки. Расстояние между метками представляют собой увеличенные в  раз кванты диска. Зная это, путем сопоставления реальных положений меток на ленте с их теоретическими положениями и вычислением по формуле , где l и l - действительное и теоретическое расстояние k-ой метки от некоторого начала отсчета на ленте, R - радиус кодового диска преобразователя, нетрудно определить погрешности расположения границ квантов Δα преобразуемого угла, которые и представляют собой искомые инструментальные погрешности преобразователя.
10
11
Устройство-прототип значительно удобнее в эксплуатации, чем аналог, и точнее. При его использовании исключен субъективный фактор, его не нужно перенастраивать с дорожки на дорожку. Тем не менее, оно также работает не очень точно, что в значительной степени обусловлено использованием в нем понижающего редуктора. При высокой разрешающей способности преобразователя (один квант равен 1/2-1/2 доле окружности) кинематическая погрешность редуктора может достигать цены кванта. Наряду с этим, устройство неэкономично, т.к. его работа сопровождает большим расходом мерной ленты.
В соответствии с изложенным, задачей разработки предлагаемой полезной модели явилось повышение точности и экономичности устройства. Достигнуто это за счет исключения понижающего редуктора и лентопротяжного механизма, а именно, путем того, что устройство для определения погрешности преобразователя «угол-код», содержащее привод и преобразователь, соединенный с приводом и формирователем сигналов на границах квантов, отличается тем, что оно содержит Т-триггер, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов на границах квантов, первый логический элемент И, первый вход которого соединен с первым выходом Т-триггера, второй логический элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом Т-триггера, генератор импульсов, соединенный со вторыми входами первого и второго элементов И, запоминающее устройство, первый счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход через первую ключевую схему и блок ИЛИ связан с запоминающим устройством, второй счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход через вторую ключевую схему и блок ИЛИ также связан с запоминающим устройством, причем первый выход Т-триггера через дифференцирующую цепь соединен с управляющим выходом запоминающего устройства, с шиной сброса второго счетчика и управляющим входом второй ключевой схемы, а второй выход Т-триггера также через дифференцирующую цепь соединен с управляющим входом запоминающего устройства, с шиной сброса первого счетчика и управляющим входом первой ключевой схемы..
Схема предлагаемого устройства приведена на рис.1. На рис.2 показан один из возможных вариантов формирователя сигналов на границах квантов.
Устройство включает в себя исследуемый преобразователь «угол-код» 1, соединенный с приводом 2 и с формирователем сигналов на границах квантов угла 3, Т-триггер 4, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов 3, первый логический элемент И 5, первый вход которого соединен с первым выходом Т-триггера 4, второй логический элемент 6, первый вход которого соединен со вторым выходом Т-триггера 4, высокочастотный генератор импульсов 7 (~50 КГц), соединенный со вторыми входами первого 5 и второго 6 элементов И, запоминающее устройство 8, первый счетчик импульсов 9, вход которого соединен с выходом первого 5 элемента И, а выход через первую ключевую схему 10 и блок ИЛИ 11 связан с запоминающим устройством 8, второй счетчик импульсов 12, вход которого соединен с выходом второго элемента И 6, а выход через вторую ключевую схему 13 и блок ИЛИ 11 также связан с запоминающим устройством 8, причем первый выход Т-триггера 4 через дифференцирующую цепь 14 соединен с управляющим выходом Z запоминающего устройства 8, с шиной сброса второго счетчика 12 и управляющим входом второй ключевой схемы 13, а второй выход Т-триггера 4 через дифференцирующую цепь 15 соединен с управляющим входом Z запоминающего устройства 8, с шиной сброса первого счетчика 9 и управляющим входом первой ключевой схемы 10. Для повышения надежности работы устройства дифцепь 14 может быть соединена с шиной сброса счетчика 12 через элемент задержки 16, а с управляющим входом ключевой схемы 13 - через элемент задержки 17. Аналогично, дифцепь 15 может быть соединена с шиной сброса счетчика 9 через элемент задержки 18, а с управляющим входом ключевой схемы 10 - через элемент задержки 19. (Время задержки сигнала элементами 17 и 19 может составлять ≈4 мкс, а элементами 16-18≈8 мкс). Блок 11 может быть выполнен из двухвходовых элементов ИЛИ 20, первые входы которых подключены к выходам ключевой схемы 10, а вторые входы - к выходам ключевой схемы 13. Соединение дифцепей 14 и 15 с управляющим входом Z запоминающего устройства 8, также для повышения надежности работы устройства, может быть выполнен через развязывающий логический элемент ИЛИ 21. Само же запоминающее устройство 8 может быть выполнено в виде стековой памяти на регистрах сдвига 22, а его управляющий вход Z может представлять собой шину, соединяющую шины сдвига регистров. Что касается формирователя сигналов на границах квантов 3, показанного на рис.2, то он может быть выполнен, например, на основе RS-триггеров 23, инверторов 24, дифференцирующих цепей 25 и схемы ИЛИ 26. Каждый выход исследуемого преобразователя 1 подключается к первому входу одного из RS-триггеров 23 напрямую, и ко второму входу этого же триггера - через инвертор 24. Дифцепи 25 своими входами подключены к выходам RS-триггеров (к каждому выходу одна дифцепь), а выходами - ко входам схемы ИЛИ 26, выход которой является выходом формирователя.
Привод 2 устройства снабжен схемой стабилизации скорости (она имеет общеизвестную конструкцию и на рисунках не показана) и ротором, имеющим большой момент инерции (подобно маховику).
При использовании устройства привод 2 запускают и ждут, пока скорость его работы установится постоянной (ее выбирают небольшой, порядка 15 об/мин). Затем устройство включают в работу. На выходах преобразователя 1 (он так же, как обычно, преобразует угол поворота своего входного вала в код Грея или иной однопеременный код) последовательно начинают сменять друг друга параллельные кодовые комбинации, состоящие из нулей и единиц. На границах квантов кодируемого угла, когда в кодовых комбинациях происходит изменение нуля на единицу или наоборот, в формирователе сигналов 3 происходит следующее. Если на некоторый вход формирователя приходит единица взамен нуля, то на первых вход соответствующего RS-триггера 23 она поступает без изменения, а на второй вход - проходя через инвертор 24 и превратившись в ноль. В результате RS-триггер 23 сработает (переключится), и одна из дифцепей 25, подключенных к его выходам, в начале этого переключения выдает короткий импульс. Этот импульс, пройдя через схему ИЛИ 26, поступит на Т-триггер 4. Если на некоторый вход формирователя 3 приходит ноль взамен единицы, то на первый вход соответствующего RS-триггера 23 он также поступит без изменения, а на второй вход - пройдя через инвертор 24 и превратившись в единицу. RS-триггер 23 снова переключится, и в начальный момент переключения на выходе одной из дифцепей 25, подсоединенных к выходам RS-триггера, снова появится короткий импульс. Пройдя через схему ИЛИ 26, он также поступит на Т-триггер 4. Таким образом, при смене кодовых комбинаций, выдаваемых преобразователем 1, т.е. на границах квантов кодируемого угла, формирователь 3 подает импульсы на Т-триггер 4.
При поступлении каждого импульса на вход Т-триггера 4 он переключается, и получается, что пока преобразователь 1 выдает одну кодовую комбинацию, Т-триггер 4 находится в одном состоянии, а пока выдает следующую комбинацию, то в противоположном состоянии. Т.е., пока преобразователь 1 выдает одну кодовую комбинацию, у Т-триггера 4 единица на одном выходе (в частности, на первом), а пока преобразователь 1 выдает следующую комбинацию, у Т-триггера 4 единица на другом выходе (в частности, на втором).
Генератор импульсов 7 (он включается предварительно) в процессе работы устройства с высокой частотой подает импульсы на вторые входы логических элементов 5 и 6. Если в данный момент единица находится на первом выходе Т-триггера 4, то импульсы от генератора проходят на вход счетчика 9. Если единица находится на втором выходе Т триггера 4, то эти импульсы проходят на вход счетчика 12. Тот или иной счетчик импульсов считает и выдает на выходе последовательно возрастающее двоичное число. Это число поступает на ключевую схему 10 или 13, но не проходит через нее до тех пор, пока Т-триггер 4 не переключится. В момент переключения Т-триггера, когда на его первом или втором выходе появляется единица взамен нуля, дифцепь 14 или 15 «вырезает» из этой единицы передний фронт и через элемент ПЛИ 21 подает импульс на вход Z запоминающего устройства 8, сдвигая информацию его регистрах 22 на один разряд и тем самым подготавливая его к приему числа, которое несколько позднее будет прочитано с выхода счетчика 9 или 12. Через элемент задержки 19 или 17 этот импульс кратковременно включает ключевую схему 10 или 13, число из соответствующего счетчика прочитывается и, проходя через элементы ИЛИ 20 блока ИЛИ 11, записывается в память 8. Если число прочитано из счетчика 9, то далее через элемент задержки 18 импульс от дифцепи 15 поступает на шину сброса счетчика 9 и устанавливает его в исходное (нулевое) состояние. Если число прочитано из счетчика 12, то далее через элемент задержки 16 импульс от дифцепи 14 через элемент задержки 16 поступает на шину сброса счетчика 12, и тот аналогично обнуляется. При обнулении первого счетчика импульсы от генератора 7 считает второй счетчик, при обнулении второго счетчика импульсы от генератора 7 считает первый счетчик. Попеременно происходит и прочитывание чисел с выходов счетчиков и запись их в запоминающее устройство 8. Поскольку Т-триггер 4 переключается на границах квантов кодируемого угла, интервалы времени между его переключениями пропорциональны реальным величинам квантов. А значит, числа, записываемые в память 8, также пропорциональны реальным величинам квантов. Зная скорость вращения привода 2 и частоту импульсов от генератора 7, нетрудно рассчитать теоретическую цену (величину) одного кванта кодируемого угла в импульсах. Путем вычитания этой величины из чисел, записанных в память 8, нетрудно далее определить погрешности всех квантов угла, кодируемого исследуемым преобразователем «угол-код». В связи с тем, что в устройстве не используется понижающий редуктор, а также исключен лентопротяжный механизм и не требуется мерная лента, предлагаемое устройство оказывается точнее и экономичнее устройства-прототипа.