SU1620947A1 - Цифровой измеритель перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контрол , а также в системах дл  дистанционных измерений перемещений. Цель изобретени  - повышение точности измерени  за счет исключени  общей шины источника питани  и применени  противофазных сигналов по входу и выходу элементов устройства . Измеритель содержит пербый фазовый детектор, состо щий из двух ключей, и первый фильтр низких частот, состо щий из RC-цепи, источник питани  моста, дололИзобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контрол , а также в системах дл  дистанционных измерений перемещений. Цель изобретени  - повышение точности измерени  за счет исключени  общей шины источника питани  и применени  противофазных сигналов по входу и выходу элементов устройства. На чертеже представлена структурна  электрическа  схема цифрового измерител  перемещений. нительно содержащий источник опорного наг о жени  и блок стабилизации амплитуды , преобразователь напр жени  в код, дополнительно содержащий преобразователь синусоидального напр жени  в пр моугольное , г торой фазовый детектор, состо щий из двух клю . ей, и второй фильтр низких частот , состо щий из RC-цепи. Введение в схему преобразовател  напр жени  в код первого фазового детектора, первого фильтра низких частот, преобразовател  синусоидального напр жени  в пр моугольное позвол ет исключить погрешность, зызьан- ную нестабильностью амплитуды напр жени  источника питани  моста, временным дрейфом источника опорного напр жени , изменением выходного сопротивлени  усилителей-повторителей . Применение преобразовател  синусоидального напр жени  в пр моугольное, построенного на двух компараторах , работающих с триггерами, фиксирующими перепады напр жени  соответствующих компараторов только из низкого уровн  в высокий, позвол ет снизить вли ние неидеальных характеристик компараторов, получить практически меандр , повысить точность детектировани . 1 ил. Измеритель содержит генератор 1 переменного напр жени , вырабатывающий два противофазных синусоидал&ных сигнала . Генератор 1 имеет вход управлени  амплитудой выходных сигналов. К выходам 2 и 3 генератора 1 подключены- соответственно усилители-повторители 4 и 5. Между выходами 6 и 7 усилителей-повторителей включен измерительный мост 8, состо щий из индуктивного датчика 9 перемещений и цепи последовательно соединенных резисторов 10-12. В диагональ 13, 14 измерительного моста 8 включен из (Л С о ND О О -N XI

Description

мерительный усилитель 15 с симметричными выходами 16 и 17. Измерительный усилитель 15 состоит из четырех операционных усилителей 18-21. Выход операционного усилител  18 соединен с неинвертирующим входом (Н-вход) операционного усилител  19. Операционный усилитель 20 представл ет собой усилитель-повторитель, выход которого соединен с Н-входом операционного усилител  21. Между выходом операционного усилител  19 и инвертирующим входом (И-вход) включен резистор 22 обратной св зи. Аналогично подключен резистор

23обратной св зи операционного усилител  21. Между И-входэми операционных усилителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов

24и 25. Между выходами операционных усилителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов 26 и 27, к точке соединени  этих резисторов подключен И-вход операционного усилител  18. Между выходом и И-входом операционного усилител  18 включен конденсатор 28, К выходам 1G и 17 измерительного усилител  15 подключен фазовый детектор 29, состо щий из ключей 30 и 31. Между выходами 32 и 33 фазового детектора 29 включена RC-цепь 34, 35, представл юща  собой фильтр 36 низких частот первого пор дка . Конденсатор 35 соединен с дифференциальным входом аналого-цифрового преобразовател  (АЦП) 37.

К выходам 6 и 7 усилителей-повторителей 4 и 5 подключен преобразователь 38 синусоидального напр жени  в пр моугольное . Преобразователь 38 состоит из двух компараторов 39 и 40, Н-аход компаратора 39 соединен с И-входом компаратора 40,  вл ющимс  первым входом преобразовател . И-вход компаратора 39 соединен с Н-входом компаратора 4,  вл ющимс  вторым входом преобразовател . Выход компаратора 39 соединен со счетным входом D-триггера 41. Выход компаратора 40 соединен со счетным входом D-триггера 42. Выход D-триггера 41 соединен с S-входом, а выход D-триггера 42 - с R-входом RS-триг- гера 43.

Пр мой выход RS-триггерз соединен с R-входом D-триггера 41, инверсный выход RS-триггера - с R-входом D-триггера 42, Между выходами D-триггеров подключен логический элемент ИЛИ 44. Выход логического элемента ИЛИ 44 соединен с тактовым входом АЦП 37, имеющего выход 45 Готовность данных, а также с блоком 46 обработки информации.

К выходам усилителей 4 и 5 подключен фазовый детектор 47, состо щий из двух

ключей 48 и 49. Между выходами 50 и 51 фазового детектора 17 подключен низкочастотный фильтр, состо щий из RC-цепи 52, 53.

К выходу 50 фазового детектора 47 подключен вход сравнивающего блока 54, другой вход которого соединен с источником 55 опорного напр жени , Выход сравнивающего блока 54 соединен с входом управле0 ии  амплитудой выходных сигналов генератора 1. Выход 56 АЦП соединен с буферным регистром 57, выход которого соединен с дешифратором 58/ последователь- ным передатчиком 59 кода и шинным

5 формирователем 60. Выход 45 Готовность данных АЦП 37 подключен к блоку 61 управлени . Выход 62 блока 61 управлени  соединен с буферным регистром 57, выход 63 - с последовательным передатчиком 59

0 кода, выход 64-с шинным формирователем 60. К выходу дешифратора 58 подключен цифровой индикатор 65, служащий дл  визуального наблюдени  величины и знака перемещени . Выход последовательного

5 передатчика 59 кода соединен с приемником 66 последовательного кода. Выход шинного формировател  60 соединен с блоком 67 обработки информации.

Измеритель работает следующим обра0 зом.

Генератор 1 переменного напр жени  вырабатывает два противофазных синусои- дальныхсигиала, одинаковые по амплитуде, которые поступают на входы усилителей-по5 вторителей 4 и 5. Усилители-повторители усиливают сигналы по мощности, и далее они подаютс  на питающую диагональ измерительного моста 8,  вл ющегос  плавающей нагрузкой дл  повторителей, на

0 преобразователь 38 синусоидального сигнала в пр моугольный и фазовый детектор 47.

Преобразователь 38 осуществл ет преобразование синусоидального сигнала в

5 пр моугольный, причем переход пр моугольного сигнала из низкого уровн  в высокий и наоборот происходит при переходе синусоидального сигнала через ноль. Применение данной схемы преобразовател 

0 позвол ет получить пр моугольный сигнал с практически равными по длительности импульсами У; паузами между ними, т.е. меандр , что невозможно осуществить, применением одного компаратора, не обес5 печивающего равные скорости нарастани  и спада выходного напр жени  при повышенной частоте. Переход синусоиды через . ноль фиксируетс  компараторами 39 и 40. Триггеры 41 и 42 фиксируют перепады напр жени  соответствующих компараторов

только из низкого уровн  в высокий. Поочередное переключение триггеров 41 и 42 эы- зыаает переключение триггера 43, сигнал с выхода которого служит дл  синхронизации фазовых детекторов 29 и 47. Преобразователь 38 вырабатывает также сигнал, служащий дл  синхронизации работы АЦП 37 и блока 46 обработки информации.

Измерительный мост Р. балансируетс  изменением сопротивлени  резистора 11 таким образом, чтобы разность напр жений между входами 13 ч 14 измерительного усилител  15 была близка к нулю. При разба- лансировке моста путем перемещени  измер емого объекта измерительный сигнал , пропорциональный величине перемещени  и соответствующий по знзку направлению перемещени , усиливаетс  измерительным усилителем 15. Операционный усилитель 18 служит дл  ослаблени  синфазной составл ющей в выходном сигнале измерительного усилител  15. Повторитель 20 служит дл  компенсации фазового сдвига, вносимого усилителем 18, а конденсатор 28 повышает устойчивость усилител  18. Резистор 25 осуществл ет установку масштаба преобразовани .

Усиленный сигнал представлен на выходах 16 и 17 и измерительного усилител  15 в виде двух сигналов, одинаковых по амплитуде , но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°. Эти сигналы поступают на фа зовый детектор 29, в котором детектируютс . Фазовый детектор 29 представл ет собой ключи, выполненные на полевых транзисторах. Эти ключи под действием управл ющего сигнала, поступающего с выхода триггера 43 преобразовател  38, подключают фильтр 36 низких частот к выходам 16 и 17 измерительного усилител  15. Применение данной схемы фазового детектора 29 позвол ет исключить погрешность измерени , вызываемую дрейфом активных элементов детекторов, значительно уменьшить погрешность, вызванную напр жением смещени  операционных усилителей, вход щих в измерительный усилитель 15, генератор 1 и усилители-повторители 4 и 5.

С помощью фильтра 36 низких частот происходит выделение посто нной составл ющей из продетектированного сигнала. С конденсатора 35 напр жение поступает на дифференциальный вход АЦП 37. Напр жение , поступающее на питающую диагональ моста 8 детектируетс  фазовым детектором 47 и фильтруетс  RC-цепью 52,53 (фильтром низкой частоты). Сигнал, полученный с вы- ходэ конденсатора 53, поступает на дифференциальный вход опорного напр жени 

АЦП 37. Работа детектора 47 и фильтра Е7, 53 низкой частоты аналогична работе детектора 29 и фильтра 36 низкой частоты (34, 35). АЦП 37 выполн ет функцию вычислите- 5 л  отношени  и преобразовани  результата в цифровой код. Полученный код пропорционален величине перемещени  измер змо- го обьек-а,

10 С выхода 50 детектора 47 сигнал поступает также и на вход сравнивающего блока 54, с помощью которого он сравниваетс  с сигналом, поступающим от источника 55 опорного напр жени . В случае рассогласо15 вчни  этих сигналов вырабатываетс  сиг- }-.-,« поступающий на вход управлени  амплитудой выходных сигналов генератора 1. производ щего коррекцию амплитуды.

0 Параллельный цифровой код с выхода 56 АЦП 37 записываетс  Б буферный регистр 57 по сигналу из блока 61 управлени , формируемого сигналом Готовность данных1 . Данные с выхода буферного регистра

5 67 поступают на дешифратор 58, цифровой индикатор 65, шинный формирователь 50 и записываетс  в передатчик 59 последопа- тельногс кода по сигналу с выхода 63 блока 61 управлени  выходными устройствами.

0 Последовательный код из передатчика

59поступает в приемник 66 последовательного кода, к которому может быть подключено какое-либо регистрирующее или индициру - ющее устройство. Применение передатчика

5 59 последовательного кода позвол ет производить дистанционные измерени  объектов , удаленных на большое рассто ние. Цифровой код с выхода формировател 

60поступает в блок 67 обработки информа- 0 ции.

Введение в схему преобразовател  напр жени  в код, фазовых детекторов, фильтров низкой частоты, преобразовател  синусоидального напр жени  в пр мо5 угольное позвол ет исключить погрешность , вызванную нестабильностью амплитуды напр жени  источника питани  моста, временным дрейфом источника опорного напр жени , изменением выхсд0 ного сопротивлени  усилителей-повторите- лзи.

Применение преобразовател  синусоидального напр жени  в пр моугольное, по- 5 строенного на двух компараторах, работающих с триггерами, фиксирующими перепады напр жени  соответствующих компараторов только из низкого уровн  в высокий, позвол ет снизить вли ние неидеальных характеристик компараторов.

Claims (1)

1. Дополнительный эффект выражаетс  в уменьшении количества элементов, снижении потребл емой мощности, уменьшении вли ни  температуры окружающей среды на работу схемы, а также в упрощении настройки схемы. В предлагаемом измерителе одна настройка - установка масштаба преобразовани  путем изменени  коэффициента усилени  измерительного усилител . Формула изобретени  Цифровой измеритель перемещений, содержащий последовательно соединенные генератор переменного напр жени , измерительный мост, измерительный усилитель , первый фазовый детектор, первый фильтр низкой частоты, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации , источник опорного напр жени , выход которого соединен с первым входом сравнивающего блока.выход которого соединен с управл ющим входом генератора переменного напр жени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него введены второй фазовый детектор, второй фильтр низкой частоты и преобразователь синусоидального напр жени  в пр моугольное, состо щий из двух компараторов, двух D-триггеров, RS-триггера и логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразовател  и с вторым входом блока обработки информации , при этом Н-вход первого компаратора соединен с И-входом второго,  вл ющимс  первым входом преобразовател , а И-вход первого компаратора соединен с Н-входом второго,  вл ющимс  вторым входом преобразовател , при этом выход первого компаратора соединен с С-входом первого D-триггера, выход второго компаратора - с С-входом второго D-триггера, а выход первого D-триггера соединен с S-входом RS- триггера, выход второго D-триггера - с R-входом RS-триггера, пр мой выход которого ,  вл ющийс  выходом преобразовател , соединен с R-входом первого

   D-триггера, а инверсный выход - с R-входом второго D-триггера, между выходами которых подключен логический элемент ИЛИ, причем выход преобразовател  соединен с

   управл ющими входами первого и второго фазовых детекторов, а выходы второго фазового детектора через второй фильтр низкой частоты соединен с входом опорного напр жени  аналого-цифрового преобразовател , один из выходов второго фазового детектора соединен с вторым входом сравнивающего блока, парафазный выход генератора переменного напр жени  соединен с соответствующими входами второго фазового детектора и преобразовател  синусоидального напр жени  в пр моугольное, при этом выходы измерительного усилител  через первый фазовый детектор и первый фильтр низкой частоты соединены парафазно с измерительным входом аналого-цифрового преобразовател , а измерительный усилитель состоит из четырех операционных усилителей, первый из который представл ет собой усилитель-повторитель,

   причем выход второго операционного усилител  соединен с Н-входом третьего опера- ционного усилител ,выход первого операционного усилител  соединен с Н-входом четвертого операционного усилител , а

   между выходом третьего операционного усилител  и И-входом этого же усилител  подключен резистор обратной св зи, между выходом четвертого операционного усилител  и И-входом этого усилител  включен

   второй резистор обратной св зи, между И- входами третьего и четвертого операционный усилителей подключена цепь последовательно соединенных резисторов, между выходами третьего и четвертого операционных усилителей подключена цепь из двух последовательно соединенных резисторов , к общему выводу которых подключен И-вход второго операционного усилител , а между выходом и И-входом второго операционного усилител  включен конденсатор.

   il