Содержание к диссертации
Введение
1. Цифровые методы измерения угловых величин 14
1.1. Цифровые преобразователи угла и тенденции их развития 14
1.2. Электромагнитные цифровые преобразователи угловых величин пространственного кодирования 21
1.3. Анализ путей повышения точности цифровых преобразователей угла пространственного кодирования 27
1.4. Обзор и анализ существующих структурных методов повышения точности цифровых преобразователей угла пространственного кодирования 33
1.5. Постановка задачи и методы исследований 37
2. Структурные методы повышения точности трансформаторных цифровых преобразователей угла 40
2.1. Структурные принципы построения трансформаторных цифровых преобразователей угла с амплитудной интерполяцией... 40
2.2. Методы считывания информации с кодовой шкалы
2.2.1. ТЦПУ с АИ на основе метода считывания 53
2.2.2. ТЦПУ с АИ на основе метода последовательного счета 56
2.2.3. Методы построения устройств считывания информации с КШ. 60
2.3. Структурный синтез ТЦПУ с АИ 62
2.4. Методы построения трансформаторных ЦПУ с фазовой интерполяцией 74
3. Исследование метрологических характеристик трансформаторных цпу с интерполяцией 86
3.1. Структурное представление процесса преобразования в ЦПУ 88
3.2. Анализ и классификация инструментальных погрешностей трансформаторных ЦПУ з
3.3. Анализ влияния погрешности от эксцентриситетов на точность трансформаторных ЦПУ 100
3.4. Разработка математических моделей трансформаторных ЦПУ
с интерполяцией 112
3.5. Цифровые модели трансформаторных ЦПУ с интерполяцией 119
3.6. Исследование цифровых моделей трансформаторных ЦПУ с интерполяцией 129
4. Конструктивные решения трансформаторных преобразователей перемещений с использованием структурных методов повышения точности 154
4.1. Метод автоматической коррекции инструментальных погрешностей в цифровых преобразователях угла с амплитудной интерполяцией 154
4.2. Трансформаторный преобразователь перемещений с автоматической коррекцией погрешности от нестабильности коэффициента передачи датчиков 158
4.3. Автоматическая коррекция погрешностей в трансформаторных преобразователях перемещений с фазовой интерполяцией 160
Заключение 173
Список литературы
- Анализ путей повышения точности цифровых преобразователей угла пространственного кодирования
- Методы считывания информации с кодовой шкалы
- Цифровые модели трансформаторных ЦПУ с интерполяцией
- Трансформаторный преобразователь перемещений с автоматической коррекцией погрешности от нестабильности коэффициента передачи датчиков
Введение к работе
Объектом исследования являются цифровые преобразователи угла трансформаторного типа (ТЦПУ), устройства и способ преобразования угловых величин в их цифровые аналоги.
Предметом исследования являются структурные методы повышения точности ТЦПУ пространственного кодирования — методы амплитудной и фазовой интерполяции положения кодовой шкалы в пределах физического кванта или шага младшего разряда шкалы, методы считывания информации с кодовой шкалы и структурный синтез устройств считывания информации ТЦПУ, инструментальные погрешности ТЦПУ и их влияние на погрешность преобразования угла, точностные возможности ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией.
Актуальность темы. Цифровые преобразователи аналоговых величин применяются в информационно-измерительных системах (ИИС), содержащих цифровые регистрирующие устройства и компьютеры.
Одним из основных критериев качества таких систем, наряду с массо-габаритными показателями, является точность их функционирования. Особенно высокие требования предъявляются к системам, создаваемым для бортовой аппаратуры наземных подвижных устройств, летательных, плавающих и космических аппаратов, что обусловлено как специфическими требованиями к измеряемым параметрам, так и чрезвычайно жесткими условиями эксплуатации.
Неотъемлемой частью современных систем обработки информации и управления являются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. АЦП являются наиболее сложными звеньями по структуре организации. Точность АЦП, входящего в контур регулирования, должна быть выше, чем у ЦАП, формирующего управляющее воздействие, так как решение о выдаче этого воздействия принимается на основании обработки информации, поступающей от АЦП. Поэтому технико-экономические показатели АЦП (в первую очередь точность, надежность и быстродействие) являются определяющими в улучшении качества ИИС.
Одним из основных видов АЦП являются цифровые преобразователи угла, служащие для преобразования в цифровую форму данных об угловом положении или перемещении объекта. С дополнительным преобразователем типа рейка-шестерня или гайка-ходовой винт ЦПУ служат для измерения линейных перемещений. При косвенных измерениях с их помощью можно определять угловые и линейные скорости и ускорения.
Так как ЦПУ — наиболее сложный тип АЦП, включающий в себя в качестве составного элемента преобразователь малых перемещений, то методы преобразования, разработанные для ЦПУ, могут применяться непосредственно в преобразователях перемещение-код (ППК) и, соответственно, для измерения величин, преобразуемых в перемещение: усилий, давления и т.п.
ЦПУ широко применяются в специальных системах навигации и ориентации, управления траекторией полета, привода и посадки летательных аппаратов, в астрономии в системах слежения за небесными телами и т.д. Кроме того, ЦПУ широко используются в автоматизированных системах управления параметрами технологических процессов, в гибких автоматизированных производствах, роботизированных комплексах и т.п., где важную роль играет контроль за угловыми и линейными перемещениями. Все это определяет большую и постоянно растущую потребность в ЦПУ.
Во многих случаях использования ЦПУ требуются высоконадежные преобразователи абсолютного отсчета средней точности, соответствующие информационной емкости 8-15 бит, обладающие высоким быстродействием, малыми моментами трения и инерции, работоспособные в широком диапазоне эксплуатационных условий (колебания температуры, высокая влажность, запыленность, вибрации и т.д.). При этом ЦПУ должны быть достаточно дешевыми и технологичными и, по возможности, базироваться на серийно выпускаемых узлах и элементах.
К особенностям ЦПУ, как одного из видов АЦП, относится то, что при их построении возможно использование различных физических принципов считывания информации с кодовых шкал. Это предопределило чрезвычайное многообразие видов ЦПУ, что вызывает затруднения у разработчиков при выборе конкретного типа преобразователя. Наиболее полно требованиям, предъявляемым к ЦПУ средней точности в большинстве случаев их использования, отвечают одношкальные электромагнитные преобразователи пространственного кодирования, в частности, трансформаторные. Однако широкое внедрение одношкальных электромагнитных ЦПУ сдерживается низкой точностью существующих преобразователей, соответствующей информационной емкости 6-8 бит, которая определяется числом кодовых дорожек шкалы.
Существующие методы повышения точности ЦПУ пространственного кодирования не позволяют реализовать в приемлемых габаритах преобразователи с требуемыми характеристиками. Поэтому повышение точности ТЦПУ невозможно без разработки и применения структурных методов.
Цель работы — разработка и научное обоснование структурных методов повышения точности ТЦПУ, а также создание оригинальных высоконадежных цифровых преобразователей угла трансформаторного типа, внедрение которых внесет значительный вклад в улучшение точностных характеристик ИИС различного назначения.
Для этого необходимо решение следующих задач:
разработка структурных методов интерполяции положения кодовой шкалы в пределах физического кванта или шага шкалы;
анализ методов считывания информации с кодовой шкалы в ТЦПУ;
разработка методов построения устройств считывания информации с кодовой шкалы в пределах кванта или шага младшего разряда шкалы;
5 "
математическое моделирование ТЦПУ с интерполяцией;
исследование влияния инструментальных погрешностей ТЦПУ с интерполяцией на точность преобразования угла;
разработка оригинальных устройств с автоматической коррекцией инструментальных погрешностей, внедрение ТЦПУ в ИИС различного назначения.
Методы исследования. В работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований. При разработке методов амплитудной интерполяции ТЦПУ применялись логические методы анализа и синтеза схем.
Для анализа и классификации инструментальных погрешностей ТЦПУ применялись методы теории погрешностей.
При разработке и исследовании цифровых моделей ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией применялись методы теории вероятности и математической статистики.
При разработке ЦПУ использованы теоретические основы электромагнитных явлений, радиоэлектроники и информационно-измерительной техники.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждены результатами лабораторных испытаний и опытом практической эксплуатации ТЦПУ в составе ИИС различного назначения.
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях теории электромагнитных явлений, теории вероятности и математической статистики, теории погрешностей измерительных систем.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерения, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты разработки и исследования структурных методов повышения точности ТЦПУ, обеспечивающих точность функционирования одношкальных преобразователей пространственного кодирования без пропорционального увеличения числа кодовых дорожек шкалы, а также реализацию предельных точностных возможностей используемого физического принципа считывания информации с кодовой шкалы, в том числе:
структурные принципы построения ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией;
методы считывания информации с кодовой шкалы ТЦПУ с интерполяцией;
структурный синтез ТЦПУ с амплитудной интерполяцией;
теоретическое исследование влияния инструментальных погрешностей на точность ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией;
- разработка метода автоматической коррекции инструментальных
погрешностей в ЦПУ с амплитудной интерполяцией, создание трансфор
маторного преобразователя перемещений с автоматической коррекцией
погрешности от нестабильности коэффициента передачи датчика, а также
методов автоматической коррекции погрешностей ТЦПУ с фазовой интер
поляцией.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на получение научно обоснованных технических решений, способствующих созданию высоконадежных ТЦПУ для ИИС, позволяющих повысить точность определения пространственных координат объектов, в ходе которых:
разработаны структурные принципы построения ТЦПУ с амплитудной интерполяцией;
разработаны методы считывания информации с кодовой шкалы в ТЦПУ с амплитудной интерполяцией на основе методов считывания и последовательного счета;
проведен структурный синтез ТЦПУ с амплитудной интерполяцией;
разработан метод построения ТЦПУ с фазовой интерполяцией;
предложено структурное представление процесса преобразования ТЦПУ, на основе которого сделан анализ и проведена классификация инструментальных погрешностей ТЦПУ;
проведен анализ влияния погрешности от эксцентриситетов на точность ТЦПУ;
разработаны математические и цифровые модели ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией;
методом статистических испытаний на ЭВМ исследовано влияние инструментальных погрешностей на точность ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией, в результате которого определено влияние каждой составляющей инструментальной погрешности на точность преобразования угла;
проведен сравнительный анализ методов амплитудной и фазовой интерполяции, позволяющий на стадии проектирования ТЦПУ выбрать алгоритм преобразования и допуски на элементы электромеханической части ТЦПУ, обеспечивающих заданную точность преобразования или оценить предельно достижимую точность в различных алгоритмах преобразования при заданных допусках на изготовление узлов ЦПУ;
предложены оригинальный способ и устройства для автоматической кзэррекции инструментальных погрешностей ТЦПУ с амплитудной и фазовой интерполяцией.
Практическая ценность. В результате исследований выявлены наиболее перспективные структурные методы повышения точности ТЦПУ
Разработанная методика оценки точности ТЦПУ методом статистических испытаний на ЭВМ позволяет на этапе структурного проектирования определять требования к основным узлам ТЦПУ, сравнивать конкурирующие структуры и задавать оптимальные допуски на изготовление основных узлов ТЦПУ.
Разработанные структурные методы повышения точности позволяют реализовать предельные точностные возможности электромагнитнкх, в том числе трансформаторных, преобразователей.
Разработаны новые одношкальные многоотсчетные ТЦПУ, обладающие высокой точностью измерения, большим быстродействием и высокой надежностью, реализованные на базе серийно выпускаемых отечественной промышленностью элементов.
Техническая новизна разработанных способа и устройств защищены авторскими свидетельствами СССР на б изобретений.
Результаты диссертации были использованы при создании, отработке и промышленной эксплуатации ТЦПУ (ЦПУ-8, ЦПУ-10, ЦПУ-14).
Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в ИМИ-ИжГТУ, НТЦ «Восход»: №ГР75047149 «Разработка, исследование и изготовление прецизионных преобразователей «угол-код», и «давление-код»»; №ГР 0182005159 «Разработка, изготовление и исследование датчиков микроперемещений и электронно-оптических корректоров для адаптивных сисгем»; №ГР 0192006238 «Разработка электромеханической части автономной системы гидирования телескопа Т-170».
Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при проектировании и внедрении ТЦПУ на ряде предприятий г.г. Москвы, Ленинграда (Санкт-Петербурга), Лытка-рино. Преобразователи ЦПУ-8, ЦПУ-10 входят в состав автоматизирсван-ных технологических комплексов обработки крупногабаритной оптики «Зебра-1» и «Зебра-2», разработанных в Институте космических исследований (ИКИ) РАН и эксплуатируемых в ИКИ РАН, ПО «Рубин» и других организациях. Преобразователь ЦПУ-14 принят для дальнейшей конструкторской проработки на предприятии А-1845. Разработанный на основе предложенных структурных методов преобразователь усилия ПУ-2 внедрен в составе системы «Зебра-2» в ИКИ РАН и на Ленинградском оптико-механическом объединении (ЛОМО).
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции «Совершенствование методов и приборов для автоматизации и повышения точности угловых и линейных измерений в геодезии, аэрофотосъемке и фотограмметрии» (Москва, 1975), Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизация управления и регулирования качества продукции в машиностроении и приборостроении» (Севастополь, 1976), 1-ой Научной коифе-
ренции молодых ученых ВУЗов УАССР (Ижевск, 1976), Четвертой юбилейной Уральской научно-технической конференции по метрологии и технике точных измерений (Свердловск, 1977), Всесоюзной научной конференции «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (Москва, 1978), Всесоюзной научно-технической конференции «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей» (Ульяновск, 1978), II Всесоюзной научной конференции «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (Москва, 1981), Второй республиканской конференции молодых ученых, посвященной 60-летию автономии УАССР (Ижевск, 1981), на ежегодных научно-технических конференциях ИжГТУ (1978-1998), на научных семинарах ФТИ УрО РАН (1990-1998), на научно-технических советах НТЦ «Восход» (1996-1999)
За разработку структурных методов повышения точности цифровых преобразователей угла автор удостоен бронзовой медали выставки достижений народного хозяйства СССР.
Публикации. Результаты работы отражены в 23 научных публикациях: 6 статей, 8 тезисов научно-технических конференций, 6 авторских свидетельств СССР, 3 научно-технических отчета по хоздоговорным НИР.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 186 с. машинописного текста. В работу включены 45 рис., 16 табл.; список литературы из 171 наименования.
Анализ путей повышения точности цифровых преобразователей угла пространственного кодирования
В ЦПУ с дополнительными СчЭ вдоль КД младшего разряда п-разрядной шкалы устанавливается (2т -1) дополнительных СчЭ с пространственным сдвигом относительно основного СчЭ п-го разряда на q/2m + 2pq, где q — квант п-го разряда, р — целое число. Дополнительные m разрядов определяются путем логической обработки сигналов СчЭ [46]. При считывании п старших разрядов может использоваться любой из известных методов устранения неоднозначности. Введение дополнительных СчЭ не сказывается на габаритах ЦПУ, поскольку они располагаются в одной плоскости или на одной образующей с датчиком младшего разряда КШ.
В ЦПУ с комбинированными шкалами используются простые шкалы с различной величиной квантов, относительно которых располагаются СЧЭ. Основную роль при преобразовании играет достаточно сложная матрица [127].
В ЦПУ с многофункциональными элементами число КД шкалы меньше числа разрядов преобразователя и при этом каждая КД имеет рисунок, соответствующий не одному разряду, а нескольким разрядам, каждый из которых соответствует ее определенному участку. То есть на каждой КД имеются физические кванты различной величины. Относительно каждого участка располагаются один или несколько СчЭ. Выходы СчЭ подключаются ко входам логических схем, обеспечивающих формирование нескольких двоичных разрядов. В данном методе может быть использован любой способ устранения неоднозначности считывания, но, как отмечается в [35], наиболее предпочтительным является код Грея. В работе [43] приведены основные варианты построения ЦПУ с многофункциональными элементами на весь диапазон реально возможной информационной емкости.
Основной особенностью ЦПУ со шкально-матричным кодированием является более простая механическая шкала. Анализируя точностные возможности данных ЦПУ, можно отметить, что, в отличие от шкальных преобразователей, предел точности в них зависит не от величины физического кванта младшего разряда шкалы, а от инструментальных погрешностей ЦПУ и числа дополнительных СчЭ.
Накапливающие ЦПУ состоят из пространственного квантизатора, аналогичного кодовой дорожке младшего разряда ЦПУ считывания, СчЭ и электронной схемы. Поэтому методы повышения точности ЦПУ, разработанные для преобразователей считывания, применимы и для накапливающих преобразователей.
Принцип действия ЦПУ с косвенным преобразованием основан на предварительном преобразовании угла в промежуточный параметр: амплитуду напряжения, фазу, временной интервал, частоту и т.д. (преобразователи угол-параметр-код). Преобразователи данной группы позволяют реализовать широкий диапазон информационной емкости, наиболее просто осуществлять многоканальное преобразование при небольшом числе соединительных проводов, их конструкция достаточно технологична [7, 8, 76].
Недостатком ЦПУ данной группы является большой объем электронной части из-за сложной структурной схемы преобразования, невысокое быстродействие из-за циклического принципа действия, подверженность тракта преобразования помехам со стороны источника питания [36, 43].
Развитие преобразователей угод-параметр-код идет по пути повышения точности одноотсчетных преобразователей и создания многоотсчетных систем с электрической редукцией. В первом случае точность повышают за счет использования фазовращателей с фильтром обратной последовательности [76], структурных схем с компенсацией погрешностей [49, 76, 77], компенсационного метода преобразования [14, 22]. Во втором случае точность повышают путем использования многополюсных систем: многополюсные ВТ, индуктосины, емкостные фазовращатели и т.д. [7, 25,26, 47, 52, 54, 55,106, 124, 129].
Основными недостатками первого пути развития преобразователей угол-параметр-код являются значительное усложнение структурной схемы преобра 18 зования, приводящее к возрастанию объема электронной части, и уменьшение быстродействия из-за введения при этом дополнительных тактов преобразования.
К недостаткам многополюсных систем относится то, что по диапазону изменения измеряемого угла они являются секторными, т.к. кодируют угловую величину только в пределах полюсного деления, Для построения полнооборотного ЦПУ на их основе, необходимо введение преобразователя грубого отсчета (ПГО). В настоящее время нашли применение ПГО накапливающего и позиционного типа. В ПГО накапливающего типа код грубого отсчета (ГО) нормируется по показаниям точного отсчета (ТО) путем подсчета числа полных циклов изменения промежуточного параметра [6, 129]. Накапливающий ПГО работает только по приращениям информации с момента начала измерения, поэтому возможные сбои в процессе измерения не восстанавливаются. Это ограничивает применение накапливающих ПГО.
В ПГО позиционного типа предусматривается специальный датчик первичной информации грубого отсчета (ГО), на основе которого строится преобразователь грубого отсчета (ПГО). Дискретность ПГО соответствует единице старшего разряда точного отсчета (ТО). В результате погрешностей измерений и взаимного смещения отсчетов, границы изменений кодов в отсчетах не совпадают, что может привести к ошибке, соответствующей единице младшего разряда грубого отсчета. Для устранения данной погрешности необходимо согласование отсчетов, которое может осуществляться в двоичном коде, циклическом коде, в V-коде, по методу двойной щетки. Согласование разрядов в отсчетах обычно осуществляется с помощью одного или нескольких согласующих разрядов, которые являются младшими в грубом отсчете. При согласовании отсчетов согласующие разряды приводятся в соответствии со старшими разрядами точного отсчета. После согласования отсчетов в образовании полного кода согласующие разряды не участвуют [118].
Методы считывания информации с кодовой шкалы
В комбинированных ЦПУ метод амплитудного интерполирования (АИ) заключается в определении положения кодовой шкалы в пределах физического кванта младшего разряда грубого отсчета шкалы путем преобразования амплитуды выходного напряжения датчиков в код.
Одним из возможных путей построения ЦПУ с АИ является использование линейных или близких к ним участков закона модуляции, на которых амплитуда выходного напряжения датчиков прямо пропорциональна положению КШ. В этом методе для определения положения КШ необходимо выполнить следующее: - отобразить физический квант младшего разряда кодовой шкалы непересекающимися линейными участками кривых модуляции; - выбрать датчик, линейный участок кривой модуляции которого в момент считывания кода находится на линии считывания ЦПУ; - определить положение физического кванта кодовой шкалы в пределах выбранного линейного участка кривой модуляции путем преобразования в код амплитуды выходного сигнала датчика.
Для покрытия физического кванта КШ непересекающими линейными участками, вдоль кодовой дорожки младшего разряда шкалы необходимо разместить m=q/l датчиков, смещенных относительно друг друга в пространстве на величину l+2qn, где q — квант младшего разряда КШ, / — величина линейного участка, п — целое число. Первый датчик устанавливается на линии считывания ЦПУ (рис.2.1). Поскольку на выходе ЦПУ обычно необходимо иметь позиционный двоичный код (ПДК), то для упрощения логической схемы преобразо вателя кода отношение q/7 целесообразно выбирать кратным целой степени числа 2. Закон модуляции амплитуды выходного напряжения датчиков в трансформаторных ЦПУ обычно близок к трапециидальному или гармоническому, а величина линейного участка / зависит от ряда конструктивных факторов: частоты опроса датчиков, физических свойств КШ, соотношения геометрических размеров кванта шкалы и датчика и т.п.
Обычно величина / трансформаторных ЦПУ равна 0,1-K),5q, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только случаи /=0,25q и /=0,5q, т.е. при от-ношении q// равном 2 и 2 , при меньшей величине линейного участка Значительно возрастает число дополнительных датчиков, устанавливаемых вдоль кодовой дорожки шкалы.
Алгоритмы преобразования при /=0,25q и /=0,5q приведены на рис.2.1а, б и рис.2.1 в, г соответственно. В первом случае вдоль кодовой дорожки устанавливается 4 датчика Д Д , во втором — 2 датчика Ді Дг Для определения положения КШ в пределах линейного участка кривой модуляции, его необходимо разбить на кванты уровнями селекции А0 -Ак, число которых также должно быть кратно целой степени числа 2 и определяется величиной линейного участка и необходимым числом дополнительных разрядов, считываемых с КШ. Для получения, например, четырех дополнительных разрядов Уі -У4 (рис. 2.1.) в первом случае необходимо использовать 4 уровня селекции, во втором — 8.
Для построения логической схемы получения дополнительных разрядов, составим таблицы состояний для обоих случаев (табл. 2.1, 2.2 ), где переменные обозначены следующим образом: Xj_j=l, если выходное напряжение і-го датчика превышает j-тый уровень селекции.
Анализируя таблицы можно заметить, что в строках 17, 18 табл. 2.1 и в строках 19, 20 табл. 2.2 возникает неоднозначность в определении кода. Причиной возникновения этой неоднозначности является изменение знака произ 42 водной dA/d(p (где А — амплитуда выходного напряжения датчиков, ф — угол поворота КШ) на границе участков КШ, соответствующим этим строкам таблицы состояний. Для устранения этой неоднозначности необходимо увеличить число входных переменных так, чтобы эти строки кодировались различными кодовыми комбинациями.
Цифровые модели трансформаторных ЦПУ с интерполяцией
Поскольку в ЦПУ с амплитудой интерполяцией, построенных по методу последовательного счета, для считывания информации с кодовой шкалы используется несколько каналов преобразования (см. разд.2.1), возможны различные варианты построения устройств считывания информации с кодовой дорожки младшего разряда грубого отсчета ЦПУ.
В первом способе (рис.2.5а) используется один формирователь опроса датчиков ФО, выходной сигнал которого поступает одновременно на все m датчиков. Выходной сигнал каждого датчика Аі(ф)- Ат((р) поступает на отдельные амплитудные компараторы АКрАКт, на вторые входы которых поступает линейно возрастающее ступенчатое напряжение от ГСН. На выходе амплитудных компараторов в каждом такте преобразования образуются последовательные единичные коды х{ -г- хт.
Достоинством данной схемы является высокое быстродействие, т.к. коды амплитуды выходных напряжений всех m датчиков получаются за один такт преобразования. Недостатком данной схемы является использование m амплитудных компараторов, что увеличивает объем используемого оборудования и уменьшает точность преобразования из-за разброса порога срабатывания компараторов.
Во втором способе (рис.2.56) для уменьшения числа амплитудных компараторов выходные сигналы датчиков Ai((p)-h&m((p) последовательно, в каждом такте подаются на вход амплитудного компаратора АК. Для коммутации выходных сигналов датчиков используются аналоговые ключи Ki+Km, управление которых осуществляется от устройства управления УУ сигналами Ті+тт. В дан 61 ном способе последовательные единичные коды х{ -г хт образуются последовательно по тактам и цикл преобразования увеличивается в m раз.
Устройства считывания информации с кодовой шкалы. Достоинством данного способа является использование только одного компаратора, что позволяет уменьшить погрешность от разброса порогра срабатывания компараторов, а недостатком — использование аналоговых ключей для коммутации выходных сигналов датчиков, что уменьшает точность преобразования и в m раз увеличивает время считывания информации с кодовой дорожки младшего разряда грубого отсчета ЦПУ.
В третьем способе (рис.2.5в) сигналы опроса датчиков с помощью ключей Кі -Кщ поступают на датчики последовательно, за m тактов, т.е. датчики опрашиваются последовательно m "пачками" по К импульсов. Выходные сигналы датчиков Аі(ф)+Ат( р) суммируются (например, путем последовательного соединения вторичных обмоток) и поступают на амплитудный компаратор АК, на входе которого образуются последовательные единичные коды хг ч- хт.
В данном способе сохраняются все преимущества второго способа, а использование ключей на входе датчиков позволяет уменьшить влияние разброса остаточного сопротивления ключей на параметры выходного сигнала датчиков.
В данном способе цикл преобразования также увеличивается в m раз по сравнению с первым способом.
После того, как будет произведено считывание информации с кодовой дорожки младшего разряда ЦПУ и получены параллельные единичные коды (см. раздел 2.2.1) или последовательные единичные коды (см. раздел 2.2.2), их необходимо преобразовать в параллельный двоичный код.
В ЦПУ с АИ на основе метода считывания преобразователь кода выполняет логические преобразования в соответствии с табл. 2.3-2.6. В зависимости от необходимого числа дополнительных разрядов ЦПУ число входных переменных у преобразователя кода будет равно т к, где m — число датчиков, установленных вдоль кодовой дорожки шкалы, к — число уровней селекции амплитудного компаратора. В ЦПУ с АИ на основе метода последовательного счета преобразователи кода могут быть реализованы различным образом в зависимости от используемого метода построения устройств считывания информации с кодовой шкалы.
Так, при считывание информации с кодовой шкалы за один такт (см. рис.2.5а) последовательные единичные коды х +хт преобразуют в параллельные единичные коды (рис.2.6а) с помощью сдвиговых регистров СРі - - CPm.
С выходов регистров m параллельных единичных кодов поступают на преобразователь кода ПК, который преобразует их в позиционный двоичный код Y0, Yi.... Yn. Преобразователь кода реализует логические функции, аналогичные функциям, реализуемым преобразователем кода в методе считывания.
Недостатком данной схемы является сложность логических функций, реализуемых ПК, что приводит к увеличению объема оборудования.
Для упрощения логических функций, реализуемых преобразователем кода, можно произвести структурную декомпозицию логических функций и реализовать одношкальную трехотсчетную структуру ЦПУ (грубый отсчет — средний отсчет — точный отсчет), при которой дополнительные разряды, считываемые с младшего разряда КШ, будут определяться последовательно: сначала разряды среднего отсчета (СО), с величиной кванта младшего разряда СО равного величине линейного участка кривой модуляции, затем разряды точного отсчета (ТО) путем преобразовании амплитуды выходного напряжения датчика, линейный участок кривой модуляции которого находится в пределах кванта младшего разряда СО. Это позволит значительно сократить число аргументов в логических функциях, реализуемых ПК, так как при этом из общей таблицы состояний на каждом участке, равном кванту младшего разряда СО, будут использоваться только переменных, связанные с сигналами датчиков, линейные участки кривых модуляции которых находятся в пределах этого кванта. Таким образом, общая таблица состояний разбивается на 2Р частей, (где р — число разрядов СО плюс младший разряд ГО), каждая из которых реализуется отдельно.
Трансформаторный преобразователь перемещений с автоматической коррекцией погрешности от нестабильности коэффициента передачи датчиков
Для исследования метрологических характеристик АЦП, и в частности точностных, в настоящее время широкое распространение получили методы цифрового моделирования [1, 23, 29, 32, 34, 48]. Эти методы целесообразно использовать на различных этапах проектирования АЦП [29]: - для предварительного сравнительного анализа алгоритмов работы АЦП на начальном этапе проектирования с целью выбора наиболее приемлемого класса алгоритмов; - исследования потенциальных точностных возможностей и сравнительного анализа методов построения АЦП; - определения влияния характеристик отдельных узлов АЦП на его характеристики в целом для выявления "узкого звена" в схеме (т.е. доминирующей погрешности); - выбора допусков на параметры узлов и законов их распределения.
В работе [108] предложено в качестве основы системы цифрового моделирования АЦП применять блочный принцип реализации моделей устройств. В этом случае АЦП разбивается некоторым образом на функциональные блоки (узлы) и каждый узел описывается математическими соотношениями, определявшими совокупность выходных сигналов узла по совокупностям его входных сигналов и параметров. Соединение моделей отдельных узлов в структуру осуществляется с помощью управляющей программы [108]. При этом процесс построения моделей иерархичен: каждый блок, в свою очередь, допускает блочное построение. Степень детализации моделей узлов АЦП определяется конкретными целями и возможностями исследования. Применение блочного подхода дает возможность создать универсальную моделирующую систему, позволяющую анализировать любые структуры АЦП, изменять в широких пределах степень детализации исследуемого устройства, при моделировании на ЭВМ оперативно изменять параметры АЦП в широких пределах. Следует отметить, что рациональное разбиение АЦП на блоки является сложной самостоятельной проблемой [29]. Одной из основных задач, возникающих при использовании блочного принципа моделирования, является задача создания статических (точностных) моделей узлов. В общем виде в статике модели узлов АЦП могут быть описаны амплитудными характеристиками вход-выход вида: V1 = F1(U1,U2...Un5nbn2...nP); V2 = F2(U1,U2...Un,n1,n2...ne); Vm = Fm(UbU2...Un,nbn2...ne). где Пі, П2...Пе — параметры узла; Ui, U2...Un, Vi, V2...Vm — соответственно входные и выходные сигналы узла; Fx, F2... Fm — совокупность некоторых функционалов. Для аналоговых узлов функционалы Fb F2...Fm представляют совокупность алгебраических уравнений, а для цифровых — совокупность логических уравнений, не зависящих от параметров Пі, П2...Пе [29]. В работе [108] предложено каждый параметр модели представлять в общем случае в виде суммы: П; = Цд + П1с; (3.1) где Пщ, Піс — соответственно детерминированная и случайная составляющие параметра. Модель каждого узла целесообразно оформлять в виде стандартной подпрограммы, состоящей из собственно модели данного узла и блоков организации входов, выходов и параметров модели.
Для исследования метрологических характеристик ЦПУ, в частности ЦПУ трансформаторного типа, методы цифрового моделирования не получили еще должного распространения. Это связано, а первую очередь, с тем, что ЦПУ являются наиболее сложным видом АЦП, включающим в себя в качестве отдельных узлов АЦП различных типов (преобразователи напряжение-код, преобразователи код-напряжение, цифро-аналоговые преобразователи, преобразователи фаза-код и т.д.).
К особенностям ЦПУ относится то, что они могут быть реализованы с использованием самых различных физических принципов считывания информации с КШ (фотоэлектрического, емкостного, электромагнитного и т.д.), каждому из которых присущи свои характерные особенности и, соответственно, погрешности преобразования. Кроме того, ЦПУ включают в себя электромеханическую и электронную части, погрешности которых называют соответственно механическими и электрическими. Методы цифрового моделирования электронных узлов достаточно подробно освещены в литературе, поэтому моделирование их в настоящее время не представляет трудностей. Основные трудности возникают при цифровом моделировании электромеханических узлов, так как в настоящее время отсутствует аналитическое описание их переходных характеристик, а существующие обладают большим числом параметров и являются в связи с этим достаточно громоздкими.
Таким образом, основные вопросы, которые необходимо решить при блочном цифровом моделировании ЦПУ, следующие: - рациональное разбиение структурной схемы ЦПУ на узлы; - анализ инструментальных погрешностей ЦПУ; - создание математических моделей ЦПУ; - определения вида погрешностей; - создание модели, позволяющей моделировать основные виды погрешностей.
Поскольку ЦПУ могут быть реализованы с использованием самых различных физических принципов считывания информации с КШ и алгоритмов преобразования, то число возможных структур ЦПУ и, соответственно, вариантов разбиения их на блоки для цифрового моделирования, очень велико. Поэтому целесообразно использовать какие-то общие принципы, не зависящие от типа ЦПУ и алгоритмов преобразования, для разбиения ЦПУ на блоки в соответствии с этими принципами. Одной из первых попыток использования такого системного подхода была работа [85], где он был использован для анализа электрических погрешностей ЦПУ считывания. В этой работе из структуры преобразователя был выделен элементарный элемент, названный кодовым датчиком положения (КДП), который по определению является дискретным устройством, принимающем информацию о механическом перемещении КШ и преобразующем его в бинарный одноразрядный код. Полная структурная схема ЦПУ синтезируется на базе набора ряда КДП, объединенных в соответствии с используемым алгоритмом преобразования.
В отличие от данной работы, в [86] показано, что возможности системного подхода значительно шире и он может быть использован для анализа не только электрических, но и механических погрешностей как ЦПУ считывания, так и ЦПУ с интерполяцией. Кроме того, появляется возможность выявить узлы, характерные для ЦПУ различных типов, и использовать их при цифровом моделировании.