Способ преобразования угловых перемещений в частоту и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством. Изобретение позволяет упростить и повысить точность способа преобразования угловых перемещений в частоту и устройств для его осуществления. Это достигается тем, что по способу, основанному на формировании опорного напряжения, преобразовании его с помощью синусно-конусного вращающегося трансформатора (СКВТ) в сигнал, фаза которого пропорциональна повороту вала СКВТ, сдвигают по фазе сигнал с выхода СКВТ до величины 2 πn (n = 0, 1, 2...) относительно опорного напряжения путем изменения его частоты дважды: при прямом и обратном направлениях следования фаз, и по двум значениям частот определяют величину преобразуемого углового перемещения. В первое устройство для осуществления способа, содержащее последовательно соединенные усилитель, коммутатор следования фаз, фазовращатель, введено частотозависимое фазосдвигающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с выходом фазовращателя и со входом опорного источника. Во втором устройстве коммутатор следования фаз включен на выходе фазовращателя. В третьем преобразователе коммутаторы следования фаз включены как на входе, так и на выходе фазовращателя. 4 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством.

Известен способ преобразования угловых перемещений в частоту (Домрачев В. Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие. М. Энергоатомиздат, 1986 г. стр.99-101, рис. 5,27, 5,28), основанный на преобразовании угловых перемещений в сдвиг фазы двух сигналов, определении интервала времени, пропорционального сдвигу фаз, интегрировании и преобразовании проинтегрированного напряжения в частоту.

Недостатком такого способа преобразования является сложность, обусловленная многоэтапным преобразованием.

Наиболее близким к изобретению по своему техническому решению является способ преобразования угловых перемещений в частоту и устройство для его осуществления (там же, стр. 101-102, рис. 5.30). Способ преобразования заключается в том, что формируют опорное напряжение, преобразуют его в сигнал, фаза которого относительно опорного напряжения пропорциональна угловому перемещению, преобразуют опорное и сигнальное напряжение в напряжения промежуточной частоты, формируют интервал времени, пропорциональный сдвигу фаз напряжений промежуточной частоты, поддерживают указанный интервал постоянным путем изменения промежуточной частоты и по промежуточной частоте определяют величину преобразуемого углового перемещения. В устройстве для осуществления этого способа преобразования угловых перемещений в частоту постоянство интервала времени обеспечивается соединенными в кольцо управляемым генератором частоты, формирователем интервала времени на основе триггера и смесителями частоты.

Недостатком такого способа преобразования угловых перемещений в частоту и устройства для его осуществления является сложность, обусловленная многоэтапным преобразованием, и невысокая точность.

Задача, решаемая изобретением, заключается в устранении этих недостатков.

Для этого в способе преобразования угловых перемещений в частоту, заключающемся в том, что формируют опорное напряжение, преобразуют его в сигнальное напряжение, фаза которого относительно опорного напряжения пропорциональна угловому перемещению, относительно опорного напряжения сдвигают по фазе сигнальное напряжение до величины, кратной 2 π, путем изменения его частоты дважды при прямом и обратном направлениях следования фаз, и по двум значениям частот определяют величину преобразуемого углового перемещения.

При этом в преобразователь угловых перемещений в частоту, содержащий фазовращатель и усилитель, введены коммутатор следования фаз, блок управления и частотозависимое фазосдвигающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с выходом фазовращателя и со входом усилителя, выход которого соединен с информационным входом коммутатора следования фаз, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а выход соединен со входом фазовращателя, или в преобразователь угловых перемещений в частоту, содержащий фазовращатель, усилитель и фазирующий сумматор, введены блок управления, частотозависимое фазосдвигающее устройство и коммутатор следования фаз, информационный вход которого подключен к выходу фазовращателя, управляющий вход к выходу блока управления, а выход соединен со входом частотозависимого фазосдвигающего устройства, выход которого соединен со входом усилителя, выход которого соединен со входом фазовращателя, или в преобразователь угловых перемещений в частоту, содержащий фазовращатель, усилитель и фазирующий сумматор, введены частотозависимое фазосдвигающее устройство, два коммутатора следования фаз и блок управления, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов следования фаз информационный вход первого из которых соединен с выходом усилителя, а выход со входом фазовращателя, выход которого соединен с информационным входом второго коммутатора следования фаз, выход которого соединен со входом фазирующего сумматора, выход которого соединен со входом частотозависимого фазосдвигающего устройства, выход которого соединен со входом усилителя.

На фиг.1-3 представлены структурные схемы трех преобразователей, реализующих способ преобразования угловых перемещений в частоту.

Преобразователь, представленный на фиг.1, содержит усилитель 1, фазовращатель 2, частотозависимое фазосдвигающее устройство 3, блок 4 управления, коммутатор 5 следования фаз.

Преобразователь работает следующим образом. При использовании в качестве датчика угловых перемещений СКВТ возбуждение его двухфазным напряжением от источника опорного напряжения, выполненного в виде усилителя 1, обеспечивает режим фазовращателя (ФВ). В результате изменение сдвига фазы v₁ выходного сигнала ФВ 2 при повороте вала на угол α равно v_1-1=α при первом положении коммутатора 5 следования фаз (КСФ), обеспечивающем прямое следование фаз, и ϕ_1-2= -α при втором положении КСФ 5, обеспечивающем обратное следование фаз. Изменение положение КСФ 5 обеспечивается блоком 4 управления (БУ). Выходной сигнал ФВ 2, пройдя частотозависимое фазосдвигающее устройство (ЧФУ) 3, получит дополнительный сдвиг фазы, зависимый от частоты и определяемый фазочастотной характеристикой ЧФУ 3. Усиленный с помощью усилителя 1 сигнал используется в качестве опорного напряжения для возбуждения ФВ 2.

Последовательно соединенные усилитель 1, КСФ 5, ФВ 2, ЧФУ 3, замкнутые в кольцо, образуют автогенератор, автоматически поддерживающий условие баланса фаз ϕ₁+ϕ₂=2πn (n=0, 1, 2, ...) Так как сдвиг фазы ϕ₁ ФВ 2 равен ϕ₁= ± α, а сдвиг фазы ϕ₂ ЧФУ 3 является функцией частоты ω:ϕ₂=f(ω), то преобразуемое угловое перемещение α и частота w устройства связаны соотношением a=2πn-f(ω₁) при первом положении КСФ 5, α= -2πn+f(ω₂) при втором положении КСФ 5, откуда величина преобразуемого углового перемещения α определится по двум значениям частот w₁ и ω₂ Нестабильность фазочастотной характеристики ЧФУ 3 приведет к одностороннему смещению частот ω₁ и ω₂, вследствие чего при определении величины α происходит компенсация погрешности.

Преобразователь, представленный на фиг.2, содержит формирователь опорного напряжения, выполненный в виде усилителя 1, фазовращатель (ФВ) 2, частотозависимое фазосдвигающее устройство 3, блок 4 управления (БУ), коммутатор 5 следования фаз (КСФ), фазирующий сумматор (ФС) 6.

Преобразователь работает следующим образом. При однофазном усилителе 1 режим ФВ осуществляется фазирующим сумматором (ФС) 6, выполненным, например, на основе RC-цепи, которая производит фазирование выходных сигналов ФВ 2 и их суммирование. КСФ 5, управляемый БУ 4, меняет порядок подключения ФС 6, обеспечивая тем самым поочередное следование фаз прямое и обратное. Для прямого следования фаз v_1-1=α для обратного ϕ_1-2= -α.. Выходной сигнал ФС 6, пройдя ЧФУ 3, получит дополнительный сдвиг фазы ϕ₂, зависимый от частоты и определяемый фазочастотной характеристикой ЧФУ 3. Усиленный с помощью усилителя 1 сигнал используется в качестве опорного напряжения для возбуждения ФВ 2.

Последовательно соединенные усилитель 1, ФВ 2, КСФ 5, ФС 6, ЧФУ 3, замкнутые в кольцо, образуют автогенератор, автоматически поддерживающий условие баланса фаз ϕ₁+ϕ₂=2πn (n=0, 1, 2, ...)
Так как сдвиг фазы ϕ₁ ФВ 2 равен ϕ₁= ± α,, а сдвиг фазы ϕ₂ ЧФУ 3 является функцией частоты ω:ϕ₂=f(ω),, то преобразуемое угловое перемещение α и частота w устройства связаны соотношением
a=2πn-f(ω₁)
при первом положении КСФ 5.

α= -2πn+f(ω₂)
при втором положении КСФ 5,
откуда величина преобразуемого углового перемещения α определится по двум значениям частот w₁ и ω₂

Нестабильность фазочастотной характеристики ЧФУ 3 приведет к одностороннему смещению частот ω₁ и ω₂, вследствие чего при определении величины α происходит компенсация погрешности.

Преобразователь, представленный на фиг.3, содержит формирователь опорного напряжения, выполненный в виде усилителя 1, фазовращатель (ФВ) 2, частотозависимое фазосдвигающее устройство (ЧФУ) 3, блок управления (БУ), первый коммутатор следования фаз (КСФ) 5, фазирующий сумматор (ФС) 6, второй коммутатор следования фаз (КСФ) 7.

Устройство работает следующим образом. Двухфазный усилитель 1 обеспечивает режим ФВ. Одновременно включение на выходе ФВ 2 через КСФ 7 фазирующего сумматора 6 позволяет устранить погрешности от неквадратурности как усилителя 1, так и ФВ 2. Изменение направления следования фаз как на входах ФВ 2, так и на его выходах производится одновременно КСФ 5 и КСФ 7, синхронность переключения которых обеспечивается БУ 4. В результате на выходе ФС 6 получим v_1-1=α для прямого следования фаз, ϕ_1-2= -α для обратного следования фаз,
Выходной сигнал ФС 6, пройдя ЧФУ 3, так же, как в первом и втором устройствах, получит дополнительный сдвиг фазы ϕ₂ зависимый от частоты и определяемый фазочастотной характеристикой ЧФУ 3.

Последовательно соединенные усилитель 1, КСФ 5, ФВ 2, КСФ 7, ФС 6, ЧФУ 3, замкнутые в кольцо, образуют автогенератор, автоматический поддерживающий условие баланса фаз
ϕ₁+ϕ₂=2πn (n=0, 1, 2, ...).
Так как сдвиг фаз ϕ₁ ФВ 2 равен ϕ₁= ± α, а сдвиг фазы ϕ₂ ЧФУ 3 является функцией частоты ω:ϕ₂=f(ω),, то преобразуемое угловое перемещение α и частота w связаны соотношением
a=2πn-f(ω₁)
при первом положении КСФ 5, КСФ 7,
α= -2πn-f(ω₂)
при втором положении КСФ 5, КСФ 7,
откуда величина преобразуемого углового перемещения определится по двум значениям частот ω₁ и ω₂

Нестабильность фазочастотной характеристики ЧФУ 3 приведет к одностороннему смещению частот ω₁ и ω₂, вследствие чего при определении величины α происходит компенсация погрешности.

Вид функции f(w) определяется конкретной реализацией ЧФУ. Например, если ЧФУ составлено из N одинаковых каскадно соединенных развязанных апериодических звеньев 1-го порядка с постоянной времени каждого звена Т, то преобразуемое угловое перемещение a определится из решения уравнения . При увеличении числа звеньев N возрастает линейность преобразования.

Работа приведенных преобразователей характеризуется следующей последовательностью действий над сигналами, являющимися признаками предлагаемого способа преобразования угловых перемещений в частоту. Усилитель 1 формирует опорное напряжение, ФВ 2 преобразует его в сигнал, фаза которого пропорциональна угловому перемещения, с помощью ЧФУ 3 производится дополнительный сдвиг фазы до величины 2π (n 0, 1, 2,), КСФ 5 (7) обеспечивает прямое и обратное направления следования фаз. Замкнутые в кольцо блоки устройств автоматически поддерживают за счет изменения частоты суммарный сдвиг фазы равный 2π (n 0, 1, 2,). Так как указанный сдвиг по фазе обеспечивается только изменением частоты, то по ее двум значениям определяют величину преобразуемого углового перемещения.

Формула изобретения

Способ преобразования угловых перемещений в частоту, заключающийся в том, что формируют опорное напряжение, преобразуют его в сигнальное напряжение, фаза которого относительно опорного напряжения пропорциональна угловому перемещению, отличающийся тем, что в нем относительно опорного напряжения сдвигают по фазе сигнальное напряжение до величины, кратной 2π, путем изменения его частоты дважды при прямом и обратном направлениях следования фаз, и по двум значениям частот определяют величину преобразуемого углового перемещения.

2. Преобразователь угловых перемещений в частоту, содержащий фазовращатель и усилитель, отличающийся тем, что в него введены коммутатор следования фаз, блок управления и частотно-зависимое фазосдвигающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с выходом фазовращателя и входом усилителя, выход которого соединен с информационным входом коммутатора следования фаз, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а выход соединен с входом фазовращателя.

3. Преобразователь, содержащий фазовращатель, усилитель и фазирующий сумматор, отличающийся тем, что в него введены блок управления, частотно-зависимое фазосдвигающее устройство и коммутатор следования фаз, информационный вход которого подключен к выходу фазовращателя, управляющий вход к выходу блока управления, а выход соединен с входом частотно-зависимого фазосдвигающего устройства, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом фазовращателя.

4. Преобразователь, содержащий фазовращатель, усилитель и фазирующий сумматор, отличающийся тем, что в него введены частотно-зависимое фазосдвигающее устройство, два коммутатора следования фаз и блок управления, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов следования фаз, информационный вход первого из которых соединен с выходом усилителя, а выход - с входом фазовращателя, выход которого соединен с информационным входом второго коммутатора следования фаз, выход которого соединен с входом фазирующего сумматора, выход которого соединен с входом частотно-зависимого фазосдвигающего устройства, выход которого соединен с входом усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3