Преобразователь угла поворота вала в код

 

1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного .потока, в зазорах магнитопроводов установлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумма|торы по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя импульсов , выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первцй инвертор, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя, о т личающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и технологичности изготовления преобразователя , в него введены второй и третий инверторы, первый и второй источники опорного напряжения и восемь формирователей импульсов, а в каждой группе магнитодиодов первый я второй магнитодиоды соединены через первый и второй формирователи импульсов с первым и вторым входами первого сумматора по модулю два, трет;ий и четвертый магнитодиоды соединены через третий и четвертый формировате ли импульсов с первым и вторым входами второго сумматора по модулю два, пятый и шестой магнитодиоды соединены через пятый и шестой формирователи импульсов с первым и вторым входа ;ми третьего сумматора по модулю два, выход которого соединен через второй инвертор с третьим выходом преобразо ватёля, седьмой и восьмой магнитодиоды соединены через седьмой и восьмой ; формирователи импульсов с входами первого и третьего инверторов, выход третьего инвертора соединен с четвертым выходом преобразователя,выходы первого и второго источников опорного напряжения соединены с первым и. вторым управ 00 ляющими входами формирователей импульсов .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((ю (ill

3(51) G 08 С 9 04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /- -"

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ (21) 3531461/18-24 (22) 04.01.83 (46) 15.03.84. Бюл.Р 10 (72) Г.И.Лещенко (71) Институт:автоматики AH КиргССР (53) 681.325(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 678498, кл.0 08 С .9/04, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

М 796890, кл.G 08 С 9/04, 1979 (прототип). (54) (57) 1."ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА

ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного ,потока, в зазорах магнитопроводов установлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя импульсов, выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инвертор, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя, о т . л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности работы и технологичности изготовления преобразователя, в него введены второй 1 и третий инверторы, первый и второй источники опорного напряжения и восемь формирователей импульсов, а в каждой группе магнитодиодов первый и второй магнитодиоды соединены через первый и второй формирователи импульсов с первым и вторым входами первого сумматора по модулю два, третий и четвертый магннтодиоды соединены через третий и четвертый формирователи импульсов с первым и вторым входами второго сумматора по модулю два, пятый и шестой магнитодиоды соедине- ны через пятый и шестой формирователи импульсов с первым и вторым входа ми третьего сумматора по модулю два,"Я выход которого соединен через второй инвертор с третьим выходом преобразо вателя, седьмой и восьмой магнитодиоды соединены через седьмой и восьмой; формирователи импульсов с входами первого и третьего инверторов, выход тре- д тьего инвертора соединен с четвертым выходом преобразователя, выходы первого и второго источников опорного напря(.жения соединены с первым и вторым управ, ляющими входами формирователей импуль-, сов.

1080176 тор, входы сумматоров по модулю два соединены с магнитодиодами P2) .

Основным недостатком этого устрдй ства является низкая надежность и точность преобразования входного параметра при изменениях температуры окружающей среды и напряжения питания устройства, поскольку в нем возможно появление ложных сигналов "1" в случаях, когда оба магнитодиода, под. ключенные к входам одного сумматора, находятся в индукции В . Это объясняется различной магниточувствительностью и зависимостью от температуры.

Действительно, при увеличении напряжения питания разбаланс напряжений на магнитодиодах, находящихся в магнитном поле, может:превысить. напряжение срабатывания сумматора равное 2 Ус транзисторов сравненйя. Кроме того такое включение предъявляет высокие требования к идентйчйости параметров магнитодиодов и в отсутствии маг нитного поля.

Целью изобретения является повышение надежности работы и технологичности изготовления преобразовате- лей.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного потока, в зазорах магнитопроводов „,уста. новлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя по ИЛИ-HE„ выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инвертор, выход которого соединен с вторым выходом преобразователя, введены второй и третий инверторы, первый и второй источники опорного напряжения и восемь формирователей импульсов, а в каждой группе магнитодиодов первый и второй магнитодиоды соединены через

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при разработке цифровых источников информации в системах дистанционного контроля и изме- 5 рениях угловых и линейных перемеще ний.

Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодирующие элементы, выполненные в виде 10 магнитопроводов с источником магнитного потока, считывающие элементы, магнитодиоды, установленные в зазорах кодирующих элементов, последовательно с которыми включены стабилизаторы тока, нагрузочные резисторы и источники опорного напряжения для выделения сигналов "1" $1j .

Основным недостатком этого преобразователя является низкая техноз р- Я гичность изготовления, обусловленная наличием в схеме полевых и биполярных транзисторов, технология изготовления которых различна, что затрудняет применение твердотельной технологии 25 производства считывакщих узлов в микросхемном исполнении. С другой стороны, большой технологический разброс начальных токов стоков полевых транзисторов требует подбора. резисторов в цепях истоков, обеспечивающих режим работы магнитодиодов и, следовательно, выходных напряжений на магнитодиодах.

2. Преобразователь по п.1, о т л ич а ю шийся тем, что формирователь импульсов выполнен в виде последовательно включенных стабилизатора:: тока, ключа и резистора, выход стабилизатора тока соединен с входом форми рователя импульсов, а выход ключа— с выходом формирователя импульсов, управляющие входы стабилизатора тока и ключа соединены с первым и вторым управляющими входами формирователя импульсов, вход стабилизатора тока

Наиболее близким к изобретению явт 35 ляется преобразователь угла поворота вала в код, содержащий кодовые элементы, выполненные в виде магнитопроводов с источником магнитного потока, в зазорах магнитопроводов уста. 4g новлены объединенные в группы магнитодиоды, первый и второй сумматоры по модулю два, выходы которых соединены с входами расширителя по ИЛИНЕ, выход которого соединен с первым выходом преобразователя, третий сумматор по модулю два, первый инверявляется входом питания формирователя импульсов.

3. Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю шийся тем, что стаби. лизатор тока выполнен на парных биполярных транзисторах, базы которых соединены через резисторы с управляющим входом стабилизатора тока, эмит теры соединеньъ с входом стабилизатора тока, а коллекторы — с выходом стабилизатора тока.

1080176 равное разности (Ug — U ) < О.

На Фиг.4 напряжению Uc„ соответствует кривая Н, слева от которой расположены ВАХ ЙДЗ при В = О, и в.области токов Igg I< . Транзисторы 15 и, следовательно, 18 также закрыты, что соответствует нулевой комбинации сигналов на выходах преобразователя

2в" 21 2д 2

При повороте кодирующего,элемента . 2 на один квант (ф = 22,5 ) один из

;магнитоднодов .3, например 3, окажется в рабочем зазоре под воздействием магнитного поля с индукцией В = Вв . ,В этом случае BAX Ng3 переместится в

:положение, изображенное на фиг.4 кривой D или F, в зависимости от величины магниточувствительности. При за данном стабилизатором 4 токе I = ? р напряжению на магнитодиоде 3 соответствует точка jg или f, следовательно, ключ 5, включенный параллельно маг нитодиоду 3, откроется, поскольку потенциал эмиттера относительно баэй транзистдра 14 изменит знак, а вели первый и второй формирователи импульсов с первым и вторым входами первого сумматора по модулю два, третий и четвертый магнитодиоды соединены через третий и четвертый формирователи импульсов с первым и вторым входами второго сумматора по модулю два, пятый и шестой магнитодиоды соединены через пятый и шестой формирователи импульсов с первым и вторым входами третьего сумматора по моду- 10 лю два, выход которого соединен через второй инвертор с третьим выходом преобразователя, седьмой и восьмой магнитодиоды соединены через седьмой и восьмой формирователи импульсов с 15 входами первого и третьего инверторов, выход третьего инвертора соединен с четвертым выходом преобраэова1 теля, выходы первого и второго источ,.ников опорного напряжения соединены с первым и вторым управляющими входами формирователей импульсов.

Формирователь импульсов выполнен в виде последовательно включенных стабилизатора тока, ключа и резистора, выход стабилизатора тока соединен с входом формирователя импульсов, а выход. ключа — с выходом формирователя импульсов, управляющие входы стабилизатора тока и ключа соединены с первым и вторым управляющими 30 входами формирователя импульсов, вход стабилизатора является входом питания формирователя импульсов.

Кроме того, стабилизатор тока вы- . полнен на парных биполярных транэисто.. 35 рах, базы которых соединены через резисторы с управляющим входом стабили-, затора тока, эмиттеры соединены с входом стабилизатора тока, а коллекторы с выходом стабилизатора тока. 40

На фиг.1 представлена конструкция одного из отсчетов преобразователя угла поворота вала в код, разрез, на фиг.2 - структурная схема преобразователя, на Фиг.3 - принципиальная схема одного отсчета преобразователя; на фиг.4 - графики, поясняющие йринцип работы преобразователя.

Преобразователь содержит входной вал 1,.связанный с кодирующим элементом 2, в рабочем зазоре которого уста.50 новлены магнитодиоды 3, стабилизаторы

4 тока, ключи 5,резисторы б, сумматоры 7 по модулю два, расширитель по ИЛИ-HE 8, инверторы 9, источник

10 опорного напряжения, источник 11 55 опорного напряжения. Стабилизатор. 4 тока, ключ 5 и резистор б образуют

Формирователь 12 импульсов.

Стабилизаторы 4 тока магнитодио дов 3 выполнены на парных биполярных 60 транзисторах 13 (Фиг.3), базы которыс, через резисторы подключены к выходу источника 11 опорного напряжения, ко тарый выполнен на стабилитроне и резисторе (на фиг.2 не обозначены). у

Ключи 5 выполнены на транзисторах 14 эмиттеры которых подключены к точкам соединения магнитодиодов 3 и коллекторов транзисторов 13. Базы транзисторов 14 через ограничивающие резисторы подключены к выходу источника

10 опорного напряжения, а коллекторы соедйнены с резисторами 6 и входами сумматоров 7 по модулю два, выполнен. ных на транзисторах 15, разделительных диодах 16 и пороговом диоде 17.

Базы транзисторов 15 через резисторы соединены с разделительными диодами

16 и подключены к точкам соединения резисторов 6 и транзисторов 14, а коллекторы объединены и через ограничивающий резистор подключены к расширителю по ИЛИ-НЕ 8, выполненному на транзисторе 18.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном (нулевом) положении кодирующего элемента 2, соответствующем входному углу в = 0 все магнитодиоды 3 -Зв находятся вне рабочего

1 зазора кодирующего элемента 2, т.е. индукция В = О. В этом случае через магнитодиоды 3 — Зв протекает ток, равный току стабилизаторов 4 тока, а напряжения определяются точкой пересечения прямой I = const и вольт-ампе. рной характеристикой магнитодиода 3 (BAX ИДЗ) соответствующей группы, например точка 4С (фиг.4), лежащая на пересечении выходной характеристики стабилизатора 4 тока — кривая G :è

BAX ИД при В = Π— кривая С. Поскольку напряжение Uc источника 10 относительно общей точки магнитодиодов 3 больше чем их нулевое напряжение, т.е.

> U (B=0, Ig= I< ), то все ключи

5 закрйты, так как базам транзисторов

14 приложено отрицательное. напряжение

1080176 чина его достаточна для насыщения ключа 5. Однако резистор 6 при открытом ключе шунтирует магнитодиод З, следовательно, ток стабилизатора 4 в этом случае равен сумме токов:I4,=. 5

I (B = Bg ) + I<,где ?н — ток коллекторЕ, протекающий по резистору б открытого ключа 5. На фиг.4 току резистора б соответствует линия нагрузки N. Следовательно, суммарная ВАХ резистора 6 и магнитодиода 34, изуб- 10 раженная на фиг.4 кривой D или F пересекает кривую тока I@ a точках g или k . .Отсюда напряжение на входе сумматора 7 определяется падением напряжения на резисторе б, ток которо- 15

ro равен разности „- т.(в )

На фиг.4 току ?н соответствует отрезок gh или kl . При достижении 20 перепада напряжения на резисторах 6 до напряжения срабатывания сумматора

7, равного Uep В 2БФтс, + U5e ° где Ъонапряжение отсечки диодов 16 и 17, Бааз - пРЯмое напРЯжеиие пеРехода эмит-25 тер — база транзистора 15 ° Последний открывается и,создает цепь для тока базы расширителя по ИЛИ-HE 8, выполненного на транзисторе 18. Току коллектора транзистора 18 соответствует у> сигнал "1" на выходе преобразовате-. ля в разряде 2.

При повороте вала 1 на уголь, в

45, соответствующий двум:.квантам, в магнитном поле с индукцией В = Bg З5 окажется и второй магнитодиод 3 .

Следовательно, на выходе преобразова-теля в разряде 2 тоже появится сиг1 нал "1" аналогичный описанному. поскольку магнитодиод З останется в рабочем зазоре кодирующего элемента 4О

2, то на выходе преобразователя будет комбинация сигналов 1100, кодирующая второй квант угла поворота.

При увеличении входного угла поворота до значения 4(, = 67,5 соответст- 45 о вующего третьему кванту, в рабочем зазоре кодирующего элемента 2 окажутся магнитодиоды с номерами 3

З и ЗЕ. В этом случае открыты оба ключа, параллельные магнитодиодам 5п

3 и 3, однако на выходе преобразоМ вателя в разряде 2> сигнал "1" сменится сигналом "О", поскольку рж:.ность падений напряжений на резисторах б не превышает напРяжение срабатывания на входах сумматора 7. Следовательно, транзисторы 15 и 18 закрыты, а на выходе преобразователя выставлен код параметра 0100.

При повороте вала 1 на угол, при котором считывающий магнитодиод 3 окажется вне рабочего зазора, т.е. ,при В = О, а Зч в рабочем зазоре кодирующего элемента 2 с индукцйей .В = В8, на выходе преобразователя в разряде 2 выставлен сигнал "1". 65

Аналогичным образом работают и другие ячейки двоичных разрядов 2

2 и 2, при этом разряды 2 и 2

2 3 ! представляют половину ячейки, что видно из функциональной схемы на фиг.2.

Изменению входного угла в пределах htK = 0-360 на входах преобразователя соответствуют 16 комбинаций дво, ичного рефлекдного 4-разрядного кода (Грея). Снижение перепада напряжений на входах сумматоров 7, вызванного разбросом магниточувствительности магнитодиодов 3 и Зз, З и 36, Зв и 3, одновременно находящихся в магнитном поле с индукцией Bg, обеспечивается соответствующим выбором величины сопротивления резисторов б.

На фиг.4 видно, что перепад напряжений между рабочими точками h и 2 увеличивается с увеличением сопротивления резисторов б, а с уменьшениемуменьшается. Однако черезмерно малые величины сопротивления резисторов 6 наряду с выравниванием суммарных BAX

D u F уменьшают абсолютные значения

1 / напряжений на резисторах б и ухудщают условия насыщения ключей 5. Следовательно, оптимальная величина сопротивлений резисторов б, обеспечивающая уменьшение перепада напряжений в,рабочих точках в 2,5-3 раза по сравнению с разбросом напряжений на магнитодиодах 3, обусловленным разной магниточувствительностью их, определяется соотношением, полученным экспериментальным путем:

0,5I g I< т„ (В=В, иД где I - сток стабилизатора 4 тоQ ка, я — ToKi протекающий по резистору б при открытом ключе 5, ТА&=8) U)- максимальный ток магнито. диода 3 в точке ноя при индукции В = 1 (на фиг.4 это точки r и д).

На фиг.4 приведены реальные

ВАХ ИД типа КД304 В, снятые при наихудших для работы магнитодиодов 3 условиях эксплуатации, характерных для объектов в полевых условиях на открытых оросительных системах.;

Один из магнитодиодов 3, ВАХ которого представлены кривыми при В = 9 и р при В6 = ОЗТл и при t, = +65 C о имеют вох ьтовую магниточувствительность gù = 11,66, а другой (кривые

0 и F) имеет магниточувствительность

26,66, при этом отношение магниточувствительностей их равно „ /fy

2,2. Иэ фиг.4 также видно, что перепад напряжений на магнитодиодах иа уровне I@ 1 5 мА (точкн а и равен 2,35 В. Разность напряжений, приложенная к входам сумматора в устройстве-прототипе, напряжение срабатывания которого равно 2Щ транзисторов сравнения, приводит к ложной информации на выходе преобра эователя. Это в свою очередь приводит к необходимости сужения диапазона изменения напряжения дистанционного питания преобразователей и, соответственно, ограничению диапаэона расстояний размещения преобразователей на объектах от контролируемого пункта телемеханики. Таким об- 10 разом, для устройства-прототипа диапазон изменения напряжения питания находится в пределах 1,2 В (точки d и n), что составляет+(6-7)% от номинального значения. 15

В предлагаемом устройстве перепад напряжений на магнитодиодах " умень шен до 1 В (точки h и 7.), причем разность напряжений, приложенная к входам сумматора 7, составляет всего

0,7-0,8 В, что в 3-4 раза меньше напряжения срабатывания. Как видно на фиг.4, преобразователь устойчиво работает в широком диапазоне изменения напряжения дистанционного питания от

Е, „„„-6,3 В до Е „, =10,3 В, при этом колебания ьЕ составляют f(24-25)Ъ от среднего значения, что в 3-4 раэа расширяет диапазон изменения дальности раположения преобразователей от контролируемого пункта, осуществ- З0 ляющего сбор информации при дистанционном питании группы рассредоточенных объектов. узлов наиболее прогрессивным способом на основе твердотельной технологии производства микросхем.

Включение паРаллельно считывающим магнитодиодом 3 дополнительных ключей с активной нагрузкой улучшает равномерность квантования при заданной разрешающей способности, т.е. улучшает метрологические характеристики преобразователя. Действительно, в 40 устройстве-прототипе перепад напряжений на входах сумматоров, определяемый разбросом Uä (В=О), входит с разным знаком в зависимости от йаправле-. ния вращения, т.е. от последователь- 45 ности, в которой магнитодиоды, например З и 3, входят в рабочий зазор с индукцией В8. Следовательно, абсолют ной величине приращения угла/Ьк(соот ветствуют различные абсолютные эначе-50 ния перепада напряжений на входах

:сумматоров. Измеренная в устройствепрототипе погрешность квантования равна +7 при величине кванта 22,5 ,В предлагаемом устройстве ключи 5 . всегда заперты отрицательным потенциалом (в случае В=О), что видно иэ фиг.4, где BAX ИД при B=0 расположены слева от линии смещения Н,.причем

JUL не зависит от направления вращени%, а зависит от приращения индук- 60 ции В. Следовательно, напряжение на входах сумматора 7 в предлагаемом преобразователе равно либо падению напряжения на резисторе 6, либо перепаду напряжений в случае, когда оба магнитодиода 3 находятся в магнитном поле, при этом величина тока резисторов 6 (ключей 5) не зависит от направления вращения. Отсюда погрешность квантования в предлагаемом преобразователе постоянна, а .величина ее, для одних

:и тех же условий и магнитодиодов в два раза меньше и составляет ЗВ.

Другим техническим преимуществом предлагаемого устройства является воэможность применения твердотельно1< ! технологии производства и микросхем- ного исполнения электрической схемы преобразователя, поскольку в приведенной схеме отсутствуют полевые транзисторы, а используются лишь биполярные транзисторы и резисторы, величины сопротивлений которых не .превышают 8-10 кОм, что также соответствует требованиям твердотельной технологии производства микросхем.

Действительно, как видно иэ схемы, приведенной на фиг.З, стабилизаторы

4 тока выполнены на парных биполярных транзисторах, базы которых через"резисторы подключены к одному общему стабилитрону 12, прямое напряжение которого на 0,1 В превышает напряжение 08 транзисторов 13.

Кроме того (фиг.З), для формирования сигналов "1" в разрядах 2 и

2 в случаях, когда магнитодиоды 34 или 38 находятся в магнитном поле с индукцией Bg дополнительного источника опорного напряжения не требует- ся. В устройстве-прототипе в качестве такого источника используется магнитодиод и стабилизатор тока, выполненный на полевом транзисторе КПЗОЗ В, в истоковой цепи которого включен переменный резистор типа СП5-2, служащий для выбора оптимальной рабочей точки на ВАХ МД, обеспечивающей срабатывание одного, двух, а в случае двухотсчетного преобразователя и трех инверторов

Преимуществами предлагаемого преобразователя являются следующие: надежность работы устройства в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды до t р 65 С и напряжения дистанционного питания 4Е = = g25% что позволяет располагать преобразователи на объектах измерения параметров, удаленных на различные расстояния (до 1 км) от контролируемого пункта без дополнительной уста:новки стабилизаторов напряжения на

;каждом преобразователе, в 2,33 раза меньше погрешность квантования, возможность производства считывающих

1080176

1080176

Еп фт ю & ntcFX Уу о(7у,цом.,8-0) I -- / («+ Д

Фиг.4Составитель Р..Сидоренко

Редактор M.Ïåòðîâà Техред С.Легеэа Коррек тор

О.Билак е

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная,4

Заказ 1362/50 Тираж 569 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5