Реверсивный дискретный датчик перемещений
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах контроля и управления для измерения линейных и угловых перемещений. Суть полезной модели заключается в том, что датчик фиг.1 содержит кодирующий элемент 1, два считывающих элемента 3 и 4 установленные с перекрытием зон срабатывания и четыре триггера 5, 6, 7, 8. Выход первого считывающего элемента 3 соединен со входом установки первого триггера 5 и входами сброса второго 6 и третьего 7 триггеров. Выход второго считывающего элемента 4 соединен со входом установки второго триггера 6 и входами сброса первого 5 и четвертого 8 триггеров. Выходы первого 5 и второго 6 триггеров соединены со входами установки третьего 7 и четвертого 8 триггеров соответственно. Выходы третьего 7 и четвертого 8 триггеров являются выходами устройства. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении надежности работы датчика, упрощении его схемы, снижении себестоимости, габаритных размеров и уровня энергопотребления, что обеспечивает возможность его использования в приборах с автономным питанием.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в системах контроля и управления для измерения линейных и угловых перемещений.
Известен реверсивный импульсный датчик угловых перемещений по а.с. СССР №1696847, МПК G 01 В 7/00 опубликованному 07.12.1991 г., бюллетень №45. Этот датчик содержит кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, два RS-триггера, четыре трехвходовых элемента И-НЕ с одним инверсным входом, два двухвходовых элемента И-НЕ, D-триггер и два усилителя-формирователя, каждый из которых соединен с соответствующим считывающим элементом, прямой выход первого усилителя-формирователя соединен со вторым прямым входом второго элемента И-НЕ, первым прямым входом третьего элемента И-НЕ и инверсным входом четвертого элемента И-НЕ, инверсный выход первого усилителя-формирователя соединен с первым прямым входом первого элемента И-НЕ, инверсным входом второго элемента И-НЕ и вторым прямым входом четвертого элемента И-НЕ, прямой выход второго усилителя-формирователя соединен со вторыми прямыми входами первого и третьего элементов И-НЕ, инверсный выход второго усилителя-формирователя соединен с инверсными входами первого и третьего элементов И-НЕ и первыми прямыми входами четвертого и второго элементов И-НЕ, выходы первого и второго элементов И-НЕ соединены соответственно с R- и S-входами первого RS-триггера, выходы третьего и четвертого элементов И-НЕ соединены соответственно с S- и R-входами второго RS-триггера, выход которого соединен с С-входом D-триггера и первыми входами двухвходовых элементов И-НЕ, D-вход D-триггера соединен с выходом первого RS-триггера, его прямой выход - со вторым входом первого двухвходового элемента И-НЕ, инверсный вход D-триггера соединен со вторым входом второго двухвходового элемента И-НЕ, а выходы двухвходовых элементов И-НЕ являются выходами датчика.
Совпадающими существенными признаками этого датчика перемещений с заявляемым являются наличие кодирующего элемента и двух считывающих элементов установленных с перекрытием зон срабатывания.
Данный датчик имеет избыточно сложную схему, особенно при ее реализации на логических микросхемах стандартных серий. Кроме того, надежное функционирование схемы зависит от параметров установленных в нее экземпляров микросхем, и при их дрейфе, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, схема вообще может перестать функционировать. Например, в момент поступления на С-вход D-триггера положительного фронта импульса, этот же фронт распространяется на входы двухвходовых элементов И-НЕ. Если по этому фронту происходит переключение D-триггера в состояние противоположное предыдущему, то в зависимости от разницы величин задержки распространения сигнала в D-триггере и элементах И-НЕ, на выходах последних могут появляться очень короткие отрицательные паразитные импульсы (при установке D-триггера -на выходе второго двухвходового элемента И-НЕ, при сбросе D-триггера - на выходе первого двухвходового элемента И-НЕ). Вследствие вышеперечисленного, данный датчик перемещений не может быть использован для построения высоконадежных отказоустойчивых устройств.
По совпадающим существенным признакам и принципу построения схемы наиболее близким к заявляемому датчику из известных является реверсивный импульсный датчик перемещения (авторское свидетельство СССР №460429 МПК G 01 В 7/00 опубликованное 15.02.1975 г. бюллетень №6), который содержит кодирующее устройство, считывающие элементы, отстоящие друг от друга на расстояние (n±1/4) шага кодирующего устройства (где n - целое натуральное число), и логическое устройство, которое в свою очередь состоит из десяти конъюкторов, четырех дизъюкторов, двух формирователей и двух триггеров, причем выход первого считывающего элемента соединен с первыми входами конъюкторов, а выход второго считывающего элемента соединен со вторыми входами этих элементов, первый из которых имеет оба входа прямые, второй - оба входа инверсные, третий - первый вход прямой, а второй - инверсный, четвертый - первый
вход инверсный, а второй - прямой, зыходы первого и второго конъюктора соединены с единичным и нулевым входами первого триггера, с первыми входами седьмого и восьмого конъюкторов и с первым и вторым входами первого дизъюктора, выход третьего и четвертого конъюктора соединены с единичным и нулевым входами второго триггера, с первыми входами шестого и пятого конъюкторов и с первым и вторым входами второго дизъюктора, прямые и инверсные выходы первого и второго триггеров соединены со вторыми входами пятого, шестого, седьмого и восьмого конъюкторов, выходы четырех последних конъюкторов соединены со входами третьего дизъюктора, прямой и инверсный выход которого соединены с первыми входами девятого и десятого конъюкторов, выходы которых являются выходами датчика, и вторые входы которых соединены с четвертым дизъюктором, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго формирователей, которые соединяются с выходами первого и второго дизъюкторов.
Совпадающими существенными признаками этого датчика перемещений с заявляемым являются наличие кодирующего устройства (элемента), двух считывающих элементов установленных с перекрытием зон срабатывания и двух триггеров.
Данный датчик также имеет сложное логическое устройство, имеющее в своем составе десять конъюкторов, четыре дизъюктора, два формирователя и два триггера, что снижает его надежность, обусловливает большие энергопотребление, габариты и себестоимость, и таким образом не позволяет использовать его при создании малогабаритных высоконадежных устройств с автономным питанием.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании реверсивного дискретного датчика перемещений, в котором за счет исключения избыточных существенных признаков (элементов и связей) и введения новых существенных признаков (элементов и связей) обеспечивается достижение технического результата.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении надежности работы датчика, упрощении его схемы, снижении
себестоимости, габаритных размеров и уровня энергопотребления, что обеспечивает возможность его использования в приборах с автономным питанием.
Технический результат достигается тем, что в реверсивный дискретный датчик перемещений, содержащий кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания и два триггера, введены два триггера, причем выход первого считывающего элемента соединен со входом установки первого триггера и входами сброса второго и третьего триггеров, выход второго считывающего элемента соединен со входом установки второго триггера и входами сброса первого и четвертого триггеров, выходы первого и второго триггеров соединены со входами установки третьего и четвертого триггеров соответственно, выходы которых являются выходами датчика.
На чертежах представлены:
- на фиг.1 - пример реализации реверсивного дискретного датчика перемещений на RS-триггерах;
- на фиг.2, 3 - примеры реализации RS-триггера с динамическим S-входом;
- на фиг.4, 5, 6, 7 - временные диаграммы работы реверсивного дискретного датчика перемещений при различных точках реверса;
Датчик фиг.1 содержит кодирующий элемент 1, выполненный, например, в виде крыльчатки из ферромагнитного материала, которая при вращении своими лопастями шунтирует источник магнитного поля 2, или в виде диска с чередующимися намагниченными и не намагниченными участками, два считывающих элемента 3 и 4 установленные с перекрытием зон срабатывания, например герконы или интегральные датчики магнитного поля на эффекте Холла, четыре триггера 5, 6, 7, 8. Выход первого считывающего элемента 3 соединен со входом установки первого триггера 5 и входами сброса второго 6 и третьего 7 триггеров, выход второго считывающего элемента 4 соединен со входом установки второго триггера 6 и входами сброса первого 5 и четвертого 8 триггеров, выходы первого 5 и второго 6 триггеров соединены со входами установки третьего 7 и четвертого
8 триггеров соответственно, выходы третьего 7 и четвертого 8 триггеров являются выходами устройства.
Датчик работает следующим образом. При вращении кодирующего элемента 1 модулируется магнитное поле вокруг считывающих элементов 3 и 4, на выходе которых формируются последовательности импульсов прямоугольной формы Х и Y сдвинутые друг относительно друга по фазе. Причем при вращении кодирующего элемента в прямом направлении импульсы Х с выхода считывающего элемента 3 отстают от импульсов Y с выхода считывающего элемента 4, а при вращении в обратном направлении -наоборот. Временные диаграммы работы датчика при различных моментах смены направления вращения с прямого на обратное представлены на фиг.4-7, при этом момент реверса отмечен вертикальной пунктирной линией. Как видно из диаграмм, на выходе триггера 5 (сигнал QX) вырабатываются импульсы только при вращении кодирующего элемента в прямом направлении. Это обусловлено тем, что на вход установки триггера 5 подан сигнал X, а на вход сброса - сигнал Y, таким образом условия для установки триггера 5 возникают только когда в момент положительного фронта сигнала Х сигнал Y уже установлен в состояние логической «1», т.е. когда сигнал Y опережает сигнал X. Сбрасывается триггер 5 (положительный фронт сигнала QX) по окончании положительной части периода сигнала Y.
Триггер 7 (сигнал INTO) устанавливается в момент сброса триггера 5, при условии, что сигнал Х в этот момент находится в состоянии логической «1». Это условие выполняется всегда, кроме случая, когда направление вращения кодирующего элемента 1 изменяется при установленном триггере 5 (т.е. при QX=«0», см. фиг.5). Сбрасывается триггер 7 по окончании положительной части периода сигнала X.
Триггеры 6 (сигнал QY) и 8 (сигнал INT1) работают абсолютно аналогично триггерам 5 и 7 соответственно, но при вращении в обратном направлении, так как сигналы Х и Y для них меняются местами.
Сигналы INTO и INT1 на выходе устройства представляют собой соответственно прямые и обратные счетные импульсы, число которых однозначно соответствует углу поворота кодирующего элемента
соответственно в прямом и обратном направлении, и могут быть использованы для отслеживания текущего положения кодирующего элемента с помощью различных реверсивных счетных схем подключаемых к выходам датчика.
Из диаграмм видно, что возможный дребезг на фронтах сигналов Х и Y со считывающих элементов (изображены утолщенными линиями), на выходы триггеров не проходит, и на правильность работы схемы никак не влияет, достаточно только обеспечить, что бы во время дребезга на выходе одного из считывающих элементов, второй уже находился в установившемся состоянии.
Как можно видеть на фиг.1, схема датчика заметно упростилась, так как в ней вместо десяти конъюкторов, четырех дизъюкторов и двух формирователей введены всего два триггера. При этом она легко реализуется на стандартных логических микросхемах. Триггер с динамическим установочным входом легко реализуется на стандартном D-триггере, у которого D-вход соединен с источником сигнала лог. «1» (для КМОП серий - с шиной питания) как показано на фиг.2, или с R-входом (фиг.3). При этом вся логическая схема датчика реализуется на двух корпусах микросхемы ТМ2 (74хх74, два D-триггера). Габариты такого устройства, особенно при использовании микросхем в SMD исполнении, могут быть очень малыми, и определяться в основном только конструкцией кодирующего элемента, а потребляемый схемой ток в случае использования КМОП микросхем и герконовых датчиков может составлять 1-2 микроампера.
Реверсивный дискретный датчик перемещений, содержащий кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, и два триггера, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два триггера, причем выход первого считывающего элемента соединен со входом установки первого триггера и входами сброса второго и третьего триггеров, выход второго считывающего элемента соединен со входом установки второго триггера и входами сброса первого и четвертого триггеров, выходы первого и второго триггеров соединены со входами установки третьего и четвертого триггеров соответственно, выходы которых являются выходами датчика.
