преобразователь параметр - код

Формула изобретения

Преобразователь параметр - код, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, блок питания, формирующий на своем выходе переменное синусоидальное напряжение, датчик с изменяющейся в функции измеряемого параметра амплитудой выходного напряжения синусоидальной формы и первый компаратор, выход генератора импульсов соединен также со счетным входом измерителя временных интервалов, на выходе которого формируется выходной цифровой код, отличающийся тем, что дополнительно введены второй компаратор и схема И, выход блока питания соединен со вторым входом первого компаратора и входом второго компаратора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами схемы И, выход которой подключен к входу разрешения измерителя временных интервалов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области автоматического управления, в частности к цифровым системам регулирования, где в качестве сигналов задания и обратной связи необходимы сигналы в виде цифровых кодов, а в качестве задающих устройств и датчиков обратной связи используются устройства, выходной параметр которых формируется в виде переменного напряжения, амплитуда которого является функцией измеряемого параметра.

Известен преобразователь параметр - код [1], содержащий задающий генератор, подключенный ко входу фазорасщепителя, на выходах которого формируются два синусоидальных напряжения, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов. Указанные напряжения через усилители поступают на синфазную и квадратурную статорные обмотки вращающегося трансформатора. Вращающийся трансформатор выполняет роль датчика, у которого измеряемым параметром является угол поворота вала, а выходное напряжение формируется на синусной и косинусной роторных обмотках в виде переменного напряжения, фаза и амплитуда которого является функцией угла поворота вала вращающегося трансформатора. С помощью известного устройства [2], содержащего первый и второй нуль-органы, подключенные к синфазной и синусной обмоткам вращающегося трансформатора соответственно, при этом выходы нуль-органов подключены к устанавливающим входам триггера, выход которого по схеме И суммируется с выходом счетного генератора, а выход схемы И подключен к входу двоичного счетчика, можно сформировать цифровой код, являющийся функцией угла поворота вала вращающегося трансформатора.

Недостатком указанного преобразователя параметр - код является его сложность, это связано с тем [1], что для обеспечения требуемой точности преобразования необходимо очень точно поддерживать равенство амплитуд и сдвиг фаз напряжений, подаваемых на синфазную и квадратурную обмотки вращающегося трансформатора. Это существенно усложняет возможность технической реализации представленного преобразователя параметр - код.

Известен также преобразователь параметр - код [3], содержащий вращающийся трансформатор, на синфазную обмотку которого подано переменное синусоидальное напряжение, а квадратурная обмотка закорочена, на вход первого суммирующего усилителя поступает напряжение синусной обмотки вращающегося трансформатора и сдвинутое на фазосдвигающем блоке на 90 градусов напряжение с косинусной обмотки вращающегося трансформатора, на втором усилителе вычитаются напряжения с фазосдвигающего блока и синусной обмотки вращающегося трансформатора. На выходах первого и второго усилителей формируются напряжения, фаза которых является функцией угла поворота вращающегося трансформатора. При подключении выходов первого и второго усилителей к входам первого и второго нуль-органов известного устройства [2] на выходе двоичного счетчика будет формироваться цифровой код, являющийся функцией удвоенного угла поворота вала вращающегося трансформатора.

Недостатком указанного преобразователя параметр - код является его сложность, что связано с тем, что для обеспечения требуемой точности преобразования необходимо очень точно поддерживать равенство единице коэффициента передачи фазосдвигающего блока, а также равенство 90 градусов формируемого им фазового сдвига. Это существенно усложняет возможность технической реализации представленного преобразователя параметр - код.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является преобразователь параметр - код [4], состоящий из последовательно соединенных генератора импульсов и блока питания, формирующего переменное синусоидальное напряжение для питания датчика, выходное напряжение которого формируется в виде переменного напряжения с амплитудой, являющейся функцией измеряемого параметра. В качестве датчика используется синусно-косинусный вращающийся трансформатор. Напряжения с синусной и косинусной обмоток датчика поступают на коммутатор октантов, формирующий старшие разряды выходного цифрового кода. Первый выход коммутатора октантов через последовательно соединенные фазосдвигающий элемент, обеспечивающий сдвиг на 90 градусов, и первый выпрямитель соединен с первым входом компаратора. Второй выход коммутатора октантов через второй выпрямитель соединен со вторым входом компаратора. Выход компаратора соединен с первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов. На выходе измерителя временных интервалов формируется цифровой код, являющийся функцией измеряемого параметра датчика - угла поворота вала вращающегося трансформатора.

Указанный преобразователь обеспечивает формирование цифрового кода с промежуточным преобразованием амплитуды во временной интервал.

Недостатком указанного преобразователя параметр - код является его сложность, это связано с тем, что для обеспечения требуемой точности преобразования необходимо:

1) точно поддерживать равенство коэффициентов усиления синусного и косинусного напряжения с выходов вращающегося трансформатора до входов компаратора;

2) точно поддерживать сдвиг 90 градусов фазосдвигающего элемента.

Указанные требования представляют собой достаточно большую техническую сложность и приводят к существенному усложнению устройства при его технической реализации.

Техническим результатом изобретения является упрощение преобразователя параметр - код. Технический результат достигается тем, что в преобразователь параметр - код, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, блок питания, датчик с изменяющейся амплитудой выходного напряжения и первый компаратор, выход генератора импульсов соединен со счетным входом измерителя временных интервалов, на выходе которого формируется выходной цифровой код, дополнительно введены второй компаратор и схема И, выход блока питания соединен со вторым входом первого компаратора и входом второго компаратора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами схемы И соответственно, выход которой подключен к входу разрешения измерителя временных интервалов.

В результате введения указанных элементов упрощается преобразователь параметр - код. Упрощение осуществляется вследствие того, что:

1) для формирования временного интервала, величина которого является функцией измеряемого параметра, используется сдвиг фаз между питающим и выходным напряжением датчика с изменяющейся амплитудой выходного напряжения. Указанный сдвиг фаз не формируется специально, а используется естественный сдвиг фаз переменного напряжения, который образуется в датчике с изменяющейся амплитудой выходного напряжения, что приводит к упрощению преобразователя параметр - код;

2) пропадает необходимость предварительной аналоговой обработки выходного сигнала датчика, сравнение двух сдвинутых по фазе сигналов переменного напряжения осуществляется непосредственно на первом компараторе, это приводит к упрощению преобразователя параметр - код.

Технический результат достигается за счет использования естественного фазового сдвига датчика с изменяющейся амплитудой выходного напряжения. Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод об отсутствии технических решений, имеющих сходные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, и, следовательно, предлагаемый преобразователь параметр - код обладает существенными отличиями от известных технических решений.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого преобразователя параметр - код, а на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь параметр - код содержит последовательно соединенные генератор импульсов 1, блок питании 2, датчик с изменяющейся амплитудой выходного напряжения 3 и первый компаратор 4, выход генератора импульсов 1 соединен со счетным входом измерителя временного интервала, на выходе которого формируется выходной цифровой код, выход блока питания 2 соединен со вторым входом первого компаратора 4 и входом второго компаратора 6, а выходы первого 4 и второго 6 компараторов соединены с первым и вторым входами схемы И 7, выход которой подключен к входу разрешения измерителя временных интервалов 5.

Предлагаемый преобразователь параметр - код работает следующим образом.

Генератор импульсов 1 формирует высокочастотные импульсы напряжения - фиг.2а), которые поступают:

1) на счетный вход измерителя временного интервала 5 и используются для формирования на его выходах цифрового кода;

2) на вход блока питания 2.

Блок питания 2 в общем случае, аналогично с выбранным прототипом, представляет из себя делитель частоты, подключенный через постоянное запоминающее устройство к цифроаналоговому преобразователю. На выходе блока питания 2 Формируется переменное синусоидальное напряжение U₂ - фиг.2б), которое описывается выражением

U₂=U_n sint, (1)

где U₂ - выходное напряжение блока питания 2;

U_n - значение амплитуды выходного переменного напряжения;

- круговая частота переменного напряжения.

Напряжение с выхода блока питания 2 поступает на вход датчика с изменяющейся амплитудой выходного напряжения 3. Амплитуда выходного переменного синусоидального напряжения датчика 3 является функцией измеряемого параметра. В качестве датчика с изменяющейся амплитудой 3 может использоваться вращающийся трансформатор [5], индуктивный или индукционный преобразователь [6] . В общем случае на выходе датчика 3 формируется переменное синусоидальное напряжение, описываемое выражением

U₃=f(x) U_a sin(t + b), (2)

где f(х) - функция зависимости амплитуды выходного напряжения от измеряемого датчиком 3 параметра X, эта зависимость может быть синусной, косинусной для угла поворота вала вращающегося трансформатора [5] или линейной для перемещения якоря индуктивного или индукционного преобразователя [6] и так далее;

b - сдвиг фаз между питающим и выходным напряжением датчика 3.

На фиг.2б) показано напряжение U₃, для наглядности представления в промежутки времени (t₁ - t₄), (t₄ - t₅), (t > t₅) измеряемый параметр Х имеет разные значения, и в соответствии с этим величина амплитуды напряжения U₃ в указанные промежутки времени также имеет разные значения.

На первый и второй входы первого компаратора 4 подается напряжение с выхода датчика 3 и блока питания 2 соответственно. На выходе первого компаратора 4 формируется напряжение U₄ - представлено на фиг.2в), в соответствии с условием

при U₂ U₃ U₄ = +U_макс

при U₂ <U U₄=0, (3)

где - U_макс - напряжение насыщения на выходе первого компаратора 4.

Фаза напряжения U₄ (см. фиг. 2в) изменяется относительно фазы питающего напряжения U₂ при изменении величины выходного напряжения U₃.

Напряжение с выхода блока питания 2 поступает на вход второго компаратора 6, на выходе которого формируется напряжение U₆ - представлено на фиг. 2г), в соответствии с условием

при U₂ 0 U₆ = +U_макс;

при U₂ > 0 U₆ = 0, (4)

Напряжения U₄ и U₆ поступают на первый и второй входы схемы И 7, на выходе которой формируется напряжение U₇ - представлено на фиг.2д), которое описывается выражением

U₇ = U₄ U₆. (5)

Длительность единичного импульса напряжения U₇ (см. фиг.2д) изменяется как функция величины амплитуды напряжения U₃.

Выход схемы И 7 соединен с входом разрешения измерителя временного интервала 5. Измеритель временного интервала 5 в общем случае может представлять из себя двоичный счетчик, который во время поступления на вход разрешения единичного импульса осуществляет счет количества импульсов, поступающих на его счетный вход. На выходах измерителя временного интервала 5 формируется двоичный цифровой код, пропорциональный длительности единичного импульса на входе разрешения и, следовательно, пропорциональный величине контролируемого датчиком 3 параметра. В соответствии с диаграммой на фиг. 2д) единичный импульс формируется с частотой питающего напряжения U₂. Двоичный цифровой код на выходах измерителя временного интервала 5 должен сбрасываться перед каждым новым поступлением на разрешающий вход единичного импульса. Сброс выходного двоичного цифрового кода может осуществляться любым известным способом и не является отличительной характеристикой предлагаемого преобразователя параметр - код (так же, как и в прототипе), поэтому в предлагаемом устройстве сброс не рассматривается. В соответствии с фиг.2д) единичный импульс на выходе схемы И 7 формируется в момент времени t₂. Если принять указанную точку за ноль, то длительность единичного импульса (t₃ - t₂) может быть найдена из решения уравнения

U₂=U₃. (6)

Используя (1) и (2), можно записать

K₂U_asint = K₃f(x)U_asin(t+b), (7)

где К₂ и К₃ - коэффициенты деления входных напряжений на втором и первом вводах первого компаратора 4 соответственно.

Используя [7], уравнение (7) можно преобразовать



Из (8) длительность единичного импульса Т = (t₃ - t₂) определяется соотношением



Количество периодов частоты генератора импульсов 1, которое определяет двоичный цифровой выходной код, определится соотношением



где f₁ - частота генератора импульсов 1;

f₂ - частота переменного напряжения на выходе блока питания.

Частота f₂ переменного напряжения на выходе блока питания 2 формируется на основе частоты f₁. Частоты f₁ и f₂ связаны соотношением

f₂ = f₁ / n, (11)

где n - коэффициент деления счетчика блока питания 2.

Подставляя (11) в (10), получим



Проанализируем полученное выражение (12).

Целью настоящего изобретения является упрощение. Достижение полученной цели определяется возможностью простоты технической реализации всех входящих в выражение (12) аргументов:

1) аргумент n - коэффициент деления счетчика блока питания 2 присутствует как в прототипе, так и в предлагаемом изобретении, технически просто реализуется и ни от чего (температуры, времени и т.д.) не зависит;

2) аргумент b - сдвиг фазы между питающим и выходным напряжением датчика 3, технической реализации не требует и является неотъемлемой характеристикой датчика 3, очень зависит от температуры, времени, давления и т.д., то есть является достаточно стабильным;

3) аргумент f(х) - функциональная зависимость между измеряемым параметром и выходным напряжением датчика 3, технической реализации не требует и является неотъемлемой характеристикой датчика 3. Наличие аргумента f(x) в числителе и знаменателе выражения (12) безусловно несколько усложняет возможность использование двоичного кода с вывода измерителя временного интервала 5. Но это усложнение незначительно, так как связано только с иным программным подходом в вычислительном оборудовании, где будет использоваться сформированный двоичный цифровой код с выхода измерителя временного интервала 5;

4) аргумент K₂ / K₃ - отношение коэффициентов деления входных напряжении на втором и первом входах первого компаратора 4, техническая реализация стабильного (от температуры, времени, давления и т.д.) выполнения указанного условия реализуется очень просто на основе трех-четырех высокоточных резисторов.

Таким образом, можно сделать вывод, что настоящее изобретение обеспечивает упрощение преобразователя параметр - код.

Источники информации

1. Зверев А.Е., Maксимов В.П., Мясников В.А. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. - Л., Энергия, 1974, стр.85-87.

2. Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей напряжений: Справочное пособие - М., Энергоатомиздат, 1987, стр.75, рис.5.1.

3. Зверев А.Е., Максимов В.П., Мясников В.А. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. - Л., Энергия, 1974, стр.95.

4. Высокоточные преобразователи угловых перемещений Э.Н. Асиновcкий, А. А. Ахметжанов, М. А. Габидулин и др. Под общ. ред. А.А. Ахметжанова. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.114, 115, рис.95.

5. Высокоточные преобразователи угловых перемещений. Э.Н. Асиновский, А. А. Ахметжанов, М. А. Габидулин и др. Под общ. ред. А.А. Ахметжанова - М.: Энергоатомиздат, 1986, cтр.7.

6. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Техническая кибернетика. Книга 1. Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства. Под. ред. В.В. Солодовникова. - М., Машиностроение, 1973, стр.590-594.

7. Г.Б. Двайт. Таблицы интегралов и другие математическое формулы. - М., 1978, стр.70.