Растровый интерполятор

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах программного управления, для автоматического ввода информации в электронно-вычислительную машину. Технический результат заключается в уменьшении погрешности и повышении точности. Сущность изобретения заключается во введении идентичного одноканальному растровому модулятору статического растрового элемента, вход которого также оптически связан с источником света. Введен также фотоприемник, вход которого оптически связан с выходом статического растрового элемента, а выход связан со вторым входом дифференциального усилителя, первый вход которого связан с выходом фотоприемника одноканального растрового модулятора. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах программного управления, для автоматического ввода информации в электронно-вычислительную машину (ЭВМ).

Известно устройство, представляющее собой растровый интерполятор, который предназначен для преобразования перемещения в фазовый сдвиг, в котором для повышения точности используется только один растровый модулятор (вместо нескольких растровых модуляторов, применяемых в обычных схемах растровых интерполяторов). Точность повышается за счет того, что опущенные растровые модуляторы не вносят свои погрешности в общую погрешность преобразования [Косинский А.В. и др. Аналого-цифровые преобразователи перемещений. А.В.Косинский, В.Р.Матвеевский, А.А.Холомонов. - М.: Машиностроение, 1991, с.105-107].

Недостатком данного устройства является то, что добавленные элементы вносят свои погрешности в общую погрешность преобразования перемещение-фаза.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому растровому интерполятору является устройство, в котором этот недостаток устраняется тем, что часть блоков, вносящих дополнительную погрешность, исключается [А.В.Косинский, А.А.Холомонов. Растровый интерполятор. АС №1644379, Бюл. №15, 23.04.1991].

Недостатком прототипа является то, что его погрешность преобразования перемещение-фаза зависит от нестабильности темнового напряжения фотоприемника и нестабильности напряжения источника постоянного напряжения.

Техническая задача, которую решает предлагаемый интерполятор, состоит в повышении точности преобразования перемещение-фаза.

Техническая задача решается тем, что в растровом интерполяторе, содержащем источник света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора, выход которого через фотоприемник связан с первым входом дифференциального усилителя, нуль-орган, первый вход которого связан с выходом дифференциального усилителя, генератор несущей частоты, выход которого связан со вторым входом нуль-органа, формирователь импульсов, вход которого связан с выходом нуль-органа, полосовой фильтр, вход которого связан с выходом формирователя импульсов, выход которого является выходом растрового интерполятора, согласно изобретению, в него введен статический растровый элемент, вход которого оптически связан с источником света, фотоприемник, вход которого оптически связан с выходом статического растрового элемента, а выход связан со вторым входом дифференциального усилителя. По сравнению с прототипом отсутствуют такие аддитивные погрешности как

1) погрешность из-за нестабильности темнового напряжения фотоприемника.

2) погрешность из-за нестабильности уровня напряжения источника постоянного напряжения.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена блок-схема устройства.

Предлагаемый растровый интерполятор (преобразователь) содержит источник 1 света, одноканальный растровый модулятор 2, фотоприемник 3, дифференциальный усилитель 4, нуль-орган 5, формирователь 6 импульсов, полосовой фильтр 7, генератор 8 несущей частоты, фотоприемник 9, статический растровый элемент 10.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом.

Постоянный световой поток Ф₀ от источника 1 света поступает на одноканальный растровый модулятор 2 и на статический растровый элемент 10. Статический растровый элемент конструктивно полностью идентичен растровому модулятору 2, состоящему из неподвижного и подвижного растра, связанного с объектом, перемещение x которого, является входным сигналом растрового интерполятора. В статическом растровом элементе 10 подвижный растр не связан с объектом. Он жестко закрепляется в положении, соответствующем исходному состоянию растрового модулятора 2 (когда x=0, ).

Функция прозрачности растрового модулятора 2 определяется выражением (см. Косинский А.В. и др. Аналого-цифровые преобразователи перемещений. А.В.Косинский, В.Р.Матвеевский, А.А.Холомонов, - М.: Машиностроение, 1991).

где S₀, m_х - средняя составляющая прозрачности растрового модулятора 2 и глубина модуляции;

g - шаг растра.

Функция прозрачности статического растра 10 равна

где - средняя составляющая прозрачности статического растра 10.

Устройство настраивается таким образом, чтобы имело место равенство

Световой поток на выходе одноканального растрового модулятора 2 преобразуется с помощью фотоприемника 3 в пропорциональное напряжение согласно формуле

где k_ФП1 - коэффициент преобразования фотоприемника 3,

U_ФПТ1 - темновой ток фотоприемника 3.

Световой поток на выходе статического растрового элемента 8 преобразуется с помощью фотоприемника 9 в пропорциональное напряжение согласно формуле

где k_ФП2 - коэффициент преобразования фотоприемника 9;

U_ФП2 - темновой ток фотоприемника 9.

Выходное напряжение с фотоприемника 3 поступает на первый вход дифференциального усилителя 4. Выходное напряжение с фотоприемника 9 поступает на второй вход дифференциального усилителя 4.

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 4 определяется выражением

где k_ДУ1, k_ДУ2 - коэффициенты усиления первого и второго каналов дифференциального усилителя 4.

Напряжение с выхода дифференциального усилителя 4 подается на первый вход нуль-органа 5, на второй вход которого подается напряжение с выхода генератора 8 несущей частоты, равное

где U_m, ω - амплитуда и частота напряжения генератора 8.

В момент времени t_и равенства напряжений U_ДУ мгновенному значению напряжения U_НЧ, определяемый из уравнения

нуль-орган 5 выдает импульс.

Из выражений (7) и (8) вытекает, что

или с учетом выражений (1)-(2), (4)-(8)

Формирователь 8 выдает прямоугольные импульсы с выходным напряжением, равным

где

Разлагая в ряд Фурье, получаем

Полосовой фильтр 7 выделяет в этом сигнале первую гармонику и отсеивает постоянную составляющую из всех гармоник с номерами k>1 согласно выражению

где k_пф - коэффициент преобразования полосового фильтра 7;

α_пф - начальная фаза напряжения на выходе фильтра 7.

Из уравнения (33) видно, что фаза выходного напряжения полосового фильтра 7 линейно зависит от t_и, а следовательно, с учетом выражения (10), определяется выражением

Из выражения (14) вытекает, что для идеальной работы рассматриваемого интерполятора необходимо соблюдение следующих условий:

С учетом выражения (3) будет иметь место следующее выражение:

Таким образом, из уравнения (19) следует, что фаза на выходе полосового фильтра линейно зависит от x.

Проанализируем погрешности предлагаемого устройства при тех же условиях, при которых определялась погрешность устройства-прототипа. При этом учтем, что в предлагаемом устройстве отсутствует источник постоянного напряжения, поэтому нестабильность ΔU₀ его выходного напряжения в предлагаемом устройстве отсутствует.

Для анализа погрешности предлагаемого устройства будем считать, что, как и в анализе прототипа, вместо ϕ необходимо подставить ϕ+Δϕ, вместо U_фпт1 необходимо подставить U_фпт1+ΔU_фпт1, а вместо U_Фпт1 подставить U_фпт2+ΔU_фпт2

Раскроем скобки

или

где

Учитывая (16)-(18), получим

С учетом того, что при малых Δϕ имеет место sinΔϕ=Δϕ cosΔϕ=1,

или

Разделим обе части этого выражения на cosϕ’

Подставляя выражение (21 а) в выражение (24) с учетом выражения (19) получим

или

Учитывая тот факт, что темновые напряжения фотоприемников равны между собой (ΔU_ФПТ1=ΔU_ФПТ2), что практически имеет место при выполнении фотоприемников на одной подложке Δϕ=0. Это означает, что аддитивные погрешности в предлагаемой схеме взаимно компенсируются.

Таким образом, фаза выходного сигнала растрового интерполятора изменяется пропорционально входному перемещению x, при этом оказываются скомпенсированными все аддитивные погрешности и существенно повышается точность растрового интерполирования.

Требования к параметрам схемы, определяемые выражениями (15)-(19), реально выполняются при настройке устройства.

Формула изобретения

Растровый интерполятор, содержащий источник света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора, выход которого через фотоприемник связан с первым входом дифференциального усилителя, нуль-орган, первый вход которого связан с выходом дифференциального усилителя, генератор несущей частоты, выход которого связан со вторым входом нуль-органа, формирователь импульсов, вход которого связан с выходом нуль-органа, полосовой фильтр, вход которого связан с выходом формирователя импульсов, выход которого является выходом растрового интерполятора, отличающийся тем, что в него введен статический растровый элемент, вход которого оптически связан с источником света, фотоприемник, вход которого оптически связан с выходом статического растрового элемента, а выход связан со вторым входом дифференциального усилителя.

РИСУНКИРисунок 1