Растровый интерполятор

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, может быть использовано в системах программного управления, для автоматического ввода информации в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) и предназначено для преобразования перемещения в фазовый сдвиг, используя метод интерполяции. Его применение позволяет получить технический результат в виде уменьшения погрешности и повышения точности за счет введения блоков, компенсирующих погрешность, возникающую из-за нестабильности амплитуды генератора несущей частоты. Этот результат достигается благодаря тому, что в растровый интерполятор, содержащий источник света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора, фотоприемник усилитель, сумматор, источник постоянного напряжения, нуль-орган, генератор несущей частоты, формирователь импульсов, выход которого является выходом растрового интерполятора, полосовой фильтр, введены компаратор, первый вход которого связан с выходом генератора несущей частоты, источник реперного напряжения, выход которого связан со вторым входом компаратора, интегратор, вход которого связан с выходом компаратора, выход которого связан с источником света. 3 ил.

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, может быть использовано в системах программного управления, для автоматического ввода информации в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) и предназначено для преобразования перемещения в фазовый сдвиг, используя метод интерполяции.

Известно устройство, представляющее собой растровый интерполятор, предназначенный для преобразования перемещения в фазовый сдвиг, который для повышения точности содержит один растровый модулятор (вместо нескольких растровых модуляторов, применяемых в обычных схемах растровых интерполяторов). Точность повышается за счет того, что отсутствующие 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 высокая погрешность преобразования перемещение-фаза.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, включающее генератор несущей частоты, 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 зависит от нестабильности амплитуды напряжения генератора несущей частоты.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешности и повышение точности за счет введения блоков, компенсирующих погрешность преобразования, возникающую из-за нестабильности амплитуды несущей частоты.

Поставленная техническая задача решается тем, что растровый интерполятор, содержащий источник света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора, выход которого через фотоприемник связан с входом усилителя, сумматор, первый вход которого связан с выходом усилителя, второй вход которого связан с источником постоянного напряжения, нуль-орган, первый вход которого связан с выходом сумматора, 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, при этом выход полосового фильтра является выходом растрового интерполятора, согласно изобретению дополнительно включает компаратор, первый вход которого связан с выходом генератора несущей частоты, источник реперного напряжения, выход которого связан со вторым входом компаратора, и интегратор, вход которого связан с выходом компаратора, а выход интегратора связан с источником света.

Введение в конструкцию растрового интерполятора компаратора, источника реперного напряжения и интегратора дает возможность компенсации погрешности и позволяет повысить точность преобразования перемещение-фаза.

Изобретение поясняется чертежами, где

На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства;

на фиг.2 изображена временная диаграмма работы компаратора;

на фиг.3 изображена временная диаграмма с учетом прироста амплитуды.

Растровый интерполятор (фиг.1) содержит

источник 1 света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора 2, выход которого через фотоприемник 3 связан с входом усилителя 4.

сумматор 5, первый вход которого связан с выходом усилителя 4, второй вход которого связан с источником 10 постоянного напряжения,

нуль-орган 6, первый вход которого связан с выходом сумматора 5,

генератор 9 несущей частоты, выход которого связан со вторым входом нуль-органа 6,

формирователь 7 импульсов, вход которого связан с выходом нуль-органа 6,

полосовой фильтр 8, вход которого связан с выходом формирователя 7 импульсов, при этом выход полосового фильтра 8 является выходом растрового интерполятора.

компаратор 12, первый вход которого связан с выходом генератора несущей частоты 9,

источник реперного напряжения 11, выход которого связан со вторым входом компаратора 12,

интегратор 11, вход которого связан с выходом компаратора 12, а выход интегратора 12 связан с источником света 1.

В качестве источника реперного напряжения 11 используется стандартный регулируемый источник питания типа БЗ-701.

В качестве компаратора 12 используются стандартные компараторы напряжения высокой чувствительности типа К 554 САЗА или К 554 САЗБ.

В качестве интегратора 13 используется стандартная интегрирующая схема с коммутируемым конденсатором.

Устройство работает следующим образом.

Постоянный световой поток Ф₀ от источника 1 света поступает на одноканальный растровый модулятор 2, где модулируется по периодическому закону в функции перемещения х. Основой растрового модулятора являются измерительный растр, связанный с подвижным объектом и индикаторный (неподвижный) растр.

Характеристика прозрачности модулятора 2 определяется выражением

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

g - шаг растра.

Анализ работы растрового модулятора показывает, что в исходном состоянии (при x=0) измерительный раструстановлен относительно индикаторного растра со смещением.

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

U_ФП=к_ФП·S·Ф₀+U_ФПТ (2)

которое усиливается усилителем 4 согласно формуле

U_y=к_y·U_ФП (3)

где К_ФП - коэффициент преобразования фотоприемника 3,

U_ФПТ - темновое напряжение фотоприемника 3,

К_у - коэффициент усиления усилителя 4.

Напряжение с выхода усилителя 4 подается на первый вход сумматора 5, на второй вход которого подается отрицательное постоянное напряжение - U₀ с выхода источника 5 постоянного напряжения, предназначенное для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения усилителя 4 и равное:

U₀=К_у·(K_ФП·S·Ф₀+U_ФПТ) (2)

Напряжение с выхода сумматора 5, равное

U_су=U_y-U₀ (4)

подается на первый вход нуль-органа, на второй вход которого подается напряжение с выхода генератора 9 несущей частоты, равное

U_НЧ=U_m·sinωt, (5)

где U_m, ω - амплитуда и частота напряжения генератора 9.

В момент t_и равенства напряжения U_cy мгновенному значению напряжения U_НЧ, определяемый из уравнения

U_cy=U_нч, (6)

нуль-орган выдает импульс.

Из выражений (5) и (6) вытекает, что

или с учетом выражений (1)-(4):

Формирователь 7 выдает прямоугольные импульсы с выходным напряжением, равным

где

Разлагая эту функцию в ряд Фурье, получаем:

Полосовой фильтр 8 выделяет в этом сигнале первую гармонику и отсеивает постоянную составляющую и все гармоники с номерами k≥2 согласно выражению

где k_ПФ коэффициент преобразования полосового фильтра 8,

α_ПФ начальная фаза напряжения на выходе фильтра 8.

Из уравнения (11) видно, что фаза выходного напряжения полосового фильтра 8 линейно зависит от t_и, а, следовательно, с учетом выражения (8), определяется выражением

Таким образом, из уравнения (12) следует, что фаза выходного сигнала растрового интерполятора изменяется пропорционально входному перемещению х. На первый вход компаратора 12 подается напряжение с выхода генератора 9 несущей частоты, на второй вход которого подается напряжение U_реп с источника 13 реперного напряжения. Длительность временного интервала на выходе компаратора при определенном значении реперного напряжения U_реп пропорциональна приращению амплитуды напряжения несущей частоты.

Интегратор 11 преобразует временной интервал с выхода компаратора 12 в пропорциональное напряжение, которое используется для питания источника света. Таким образом, при случайном увеличении амплитуды U_m напряжения U_нч возрастает длительность временного интервала на выходе компаратора 12, возрастает напряжение на выходе интегратора 11, и, следовательно, увеличивается световой поток Фо на выходе источника 1 света. При этом процесс происходит так, что максимальное выходное напряжение сумматора 5 U_cy становится равным амплитуде U_m напряжения несущей частоты U_нч, что исключает погрешность преобразования из-за нестабильности амплитуды U_m генератора 9 несущей частоты.

Работа компаратора иллюстрируется временной диаграммой (фиг.2), где изображены напряжение несущей частоты (U_нч=U_m·sinωt,) и реперное напряжение U_реп.

На диаграмме обозначены следующие параметры:

U_m плитуда сигнала несущей частоты,

t_m момент времени, соответствующий возникновению U_m.

t_р и t'_p моменты мгновенного равенства напряжения несущей частоты и реперного напряжения U_p.

Компаратор 12 настроен таким образом, что на его выходе формируется импульс t_км длительностью t'_p-t_p с амплитудой U_км, определяемой параметрами компаратора.

Интегратор 11 преобразует выходные импульсы компаратора в напряжение согласно формуле:

или

Это напряжение подается в качестве питающего на вход источника света. С помощью Фиг.2 определим t_p и t'_p.

Фиг.2 иллюстрирует что выражение 14 может быть заменено следующим выражением:

Величины t_m и t_p определяются из выражений мгновенных равенств:

Отсюда

Подставим (17) и (18) в выражение (15)

Для рассматриваемой схемы, получаем что

С учетом (20 выражение (7) примет вид

При стабильном U_m имеем:

или

а также

Если амплитуда U_m нестабильна (изменяется на ΔU_m), то t_H изменится на Δt_H:

В относительной форме выражение (25) имеет вид:

где:

;

;

;

Рассмотрим механизм образования корректирующего сигнала, требующегося для коррекции погрешности преобразования, возникающей из-за нестабильности амплитуды сигнала несущей частоты.

На графике Фиг.3. изображена временная диаграмма с учетом прироста амплитуды U_m на величину ΔU_m.

U''_m - амплитуда изменяющегося сигнала несущей частоты.

T''_p - момент мгновенного равенства изменившегося напряжения несущей частоты и реперного напряжения.

Нетрудно видеть, что для компенсации погрешности преобразования необходимо, чтобы выполнялось равенство:

Из фиг.3 вытекает:

U_реп=Um·sinω·t_p (28)

U_реп=U''_m·sinω·t^'' _p (29)

Из (38) и (39) получается:

С учетом (28') и (29') выражение (27) примет вид:

или

В относительном виде:

где:

Величина U_СУm определяется из выражения (20) при условии, что a sin

Решая (30) и (32) совместно, имея в виду, что погрешность будет скомпенсирована, если выдерживается отношение:

получим:

Величина определяется из (34) для заданного значения δU_m. Оптимальность величины во всем диапазоне (0÷δU_m) вытекает из (26). Решая совместно (26) и (32), найдем выражение для δt_H:

Разделим (36) на U_m:

Применим к выражению (37) соотношение (33)

Подставим выражение (38) в выражение (35) и получим выражение для δt_H:

Перепишем (39) с условием, что

Окончательно запишем выражение для δt_H:

Выражения для погрешности δt_H (41) для наглядности приведем ко входу преобразователя. После несложных преобразований выражения (41) получим:

Выражение для погрешности преобразователя-прототипа приведенное ко входу имеет вид:

Сравнивая выражения (41') и (42) можно оценить эффективность компенсации погрешности преобразования предлагаемого устройства.

Считая, что реально δU_m не отклоняется от номинала более чем на 10%, то в этом случае величина реперного напряжения составит 0.68 от U_m, т.е.

При этом погрешность преобразования, изменясь с изменением измеряемой величины x, будет уменьшена не менее чем в 8 раз.

Анализ показывает, что выбирая δU_m=5%, величина реперного напряжения составит 0.66 от

U_m, т.е. .

При этом компенсация погрешности получится не менее чем в 16 раз, даже в пределах 0<δU_m<0.1.

Таким образом, действительно происходит компенсация погрешностей преобразования, возникающих из-за нестабильности амплитуды несущего напряжения.

Растровый интерполятор, содержащий источник света, оптически связанный с входом одноканального растрового модулятора, выход которого через фотоприемник связан с входом усилителя, сумматор, первый вход которого связан с выходом усилителя, второй вход которого связан с источником постоянного напряжения, нуль-орган, первый вход которого связан с выходом сумматора, 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 устройство дополнительно включает компаратор, первый вход которого связан с выходом генератора несущей частоты, источник реперного напряжения, выход которого связан со вторым входом компаратора, интегратор, вход которого связан с выходом компаратора, выход интегратора связан с источником света.