Спосіб перетворення кута повороту вала на частоту і код кутової швидкості та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для построения преобразователей угла поворота вала фазовращателя в частоту и код угловой скорости, а также цифровых измерительных приборов, реализующи х методы частотного преобразования неэлектрических величин с использованием электронных и электромеханических датчиков физических величин. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей преобразования угла поворота вала в частоту и код угловой скорости за счет наличия только одного генератора, принципа построения схемы и возможности переключения диапазона частоты выходного сигнала в любой момент времени работы фазовращателя путем дискретного изменения параметров многосекционного элемента задержки. На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя угла поворота вала в частоту и код; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Преобразователь угла поворота вала в частоту и код содержит генератор 1 опорной частоты, фазовращатель 2, переключатель 3, квадратурные фазорасщепители 4, 5 (широкополосные) квадратурные фазовращатели 6, 7, блоки 8, 9 суммирования, балансовые смесители 10 - 13, переключатель 14 диапазона преобразования, многосекционный элемент 15 задержки, делитель 16 частоты, делитель 17 частоты (с коэффициентом пересчета = 6, элемент НЕ 18, формирователь импульсов 19, элементы И-НЕ 20 22, реверсивный счетчик 23, блок 24 индикации. Способ заключается в следующем. Исходный сигнал генератора 1 фиксированной частоты амплитуды с начальным фазовым сдвигом 1 подают на вход фазовращателя 2, с помощью которого сигнал (1) сдвигается по фазе на значение где - угловая скорость; - время перемещения вала фазовращателя 2; коэффициент пропорциональности, обычно равный единице при отсутствии редуктора; - угол поворота фазовращателя 2. В результате формируется сдвинутый по фазе сигнал частоты - время задержки (или постоянная времени задержки). Расщепляют исходный и сдвинутые по фазе сигналы (1), (3) и (6) фиксированной и переменной частоты на квадратурные составляющие. В результате получают квадратурные составляющие и исходного и сдвинутого по фазе сигналов (1) и (3) фиксированной частоты а также квадратурные составляющие и сдвинутого частоты по фазе сигналов(6) переменной с попарно равными амплитудами Квадратурные составляющие (8) и (9) исходного сигнала (1) фиксированной частоты 1 перемножают с одноименными квадратурными составляющими (12) и (13) сдвинутого по фазе сигнала переменной частоты где и - амплитудные значения сигналов (14) и (15) соответственно. При перемножении формируют электрические сигналы (14) и (15) с равными амплитудами, т.е. Вычитают перемноженные сигналы (14) и(15). В результате вычитания сигнала (14) из сигнала (15) получают сигнал суммарной частоты (16); При расщеплении формируют сигналы (17) и (18) с равными амплитудами, т.е. Перемножают квадратурные составляющие (17) и (18) сигнала (16) суммарной частоты с разноименными квадратурными составляющими (10) и (11) сдвинутого по фазе сигнала (3) фиксированной частоты где фиксированной частоты Одновременно генерируются основной и сдвинутый по фазе сигналы переменной частоты где - начальный фазовый сдвиг исходного сигнала (5) переменной частоты; сдвинутого частоты; по (7) - начальный фазовый сдвиг фазе сигнала (6) переменной - значение фазового сдвига, вносимого в исходный сигнал (5) переменной При перемножении квадратурных сигналов (17) и (10), (18) и (11) формируют электрические сигналы (19) и (20) с равными амплитудами, т.е. Вычитают перемноженные сигналы (19) и (20). В результате вычитания сигнала 19 из сигнала (20) получают сигнал генерируемой частоты где - амплитуда второго разностного сигнала; - начальный фазовый сдвиг. Полученный сигнал регенерируют, т.е. восстанавливают амплитудное значение сигнала (21) путем его масштабирования: где - амплитудное значение сигнала (21); Kмп коэффициент масштабного преобразования, до выполнения неравенства Для обеспечения условия регенерации кроме условия (23) баланса амплитуд должно соблюдаться условие баланса фаз: которое обеспечивается путем времени сигнала (4) на время задержки во Практически Тогда условие (24) выполняется при При тогда При Если то частота дополнительно увеличивается. Выходная частота увеличивается в раз следующим образом. Частота генерируемого сигнала (4) при При уменьшении в п раз постоянной времени линии задержки 15 выходная частота преобразователя увеличивается в раз и определяется выражением аналогичным выражению (26), но вместо здесь подставлено в раз меньшее значение. В результате получают, при а при имеют при Таким образом, обеспечивается смещение в раз (при диапазона частот генерируемых сигналов. Фактически это осуществляется за счет уменьшения в раз постоянной времени линии задержки 15, т.е. Следовательно, для увеличения чувствительности (или крутизны преобразования) в раз необходимо уменьшить время задержки в это же число раз При этом, однако, в раз увеличивается и начальное значение частоты Для получения приращения частоты в "чистом" виде необходимо провести измерения переменной частоты генерируемого сигнала при двух значениях угла поворота сельсиндатчика: и и Вычитая первый второго, получают В результате получают результат измерения из Для передачи информации на расстояние целесообразно использовать генерируемый сигнал с переменной частотой определяемой выражением (26). При получении непосредственного результата преобразования угла поворота в частоту целесообразно проводить обработку результатов двух измерений частоты генерируемого сигнала указанным выше приемом и определять приращение частоты по выражению (28). Преобразователь угла поворота вала в частоту и код работает следующим образом. С выхода генератора 1 на фазовращатель 2 поступает сигнал (1) с заданной амплитудой и частотой. Этот же сигнал поступает на счетный вход делителя частоты, на один из входов переключателя 3 и на вход квадратурного фазовращателя 6. Выходной сигнал (3) фазовращателя 2 поступает через другой вход переключателя 3 на вход квадратурного фазовращателя 7. Процесс преобразования угла поворота фазовращателя 2 в частоту осуществляется при положении переключателя 3, указанном на фиг.1. Процесс измерения абсолютного изменения частоты генерируемого сигнала в зависимости от измерения угла поворота фазовращателя 2 осуществляется в два такта: при указанном и противоположном положениях переключателя 3. Для преобразования угла поворота вала в частоту входной и выходной сигналы (1) и (3) фазовращателя 2 расщепляют на квадратурные составляющие (8), (9) и (10), (11) с помощью квадратурных фазовращателей 6 и 7 соответственно. Выходной сигнал (22) устройства, задержанный на время с помощью многосекционного элемента 15 задержки, расщепляют на квадратурные составляющие (12) и (13) с помощью квадратурного фазорасщепителя 4. Квадратурные составляющие (8) и (9) исходного сигнала (1) фиксированной частоты с амплитудами смешивают с одноименными квадратурными составляющими (12) и (13) сдвинутого по фазе сигнала переменной частоты с амплитудами с помощью балансных смесителей 10 и 11 соответственно. В результате получают сигналы (14) и (15), частоты спектральных составляющих которых равны С помощью блока 8 вычитания сигнал (14) вычитают из сигнала (15). Полученный сигнал (16) суммарной частоты расщепляют на квадратурные составляющие (17) и (18) с помощью квадратурного фазовращателя 5. Квадратурные составляющие (17) и (18) расщепленного сигнала суммарной частоты и с равными амплитудами смешивают соответственно с квадратурными составляющими (10) и (11) сдвинутого по фазе сигнала фиксированной частоты с помощью балансных смесителей 12 и 13 соответственно. В результате получают сигналы (19) и (20) с равными амплитудами. Частоты спектральных составляющих полученных сигналов равны и С помощью блока 9 вычитания сигнал (19) вычитают из сигнала (20). Полученный сигнал (21) генерируемой частоты используют в качестве основного генерируемого сигнала переменной частоты Этот сигнал поступает на аналоговый выход устройства. Для регенерации сигнал (21) поступает также на вход многосекционного элемента 15 задержки. Последняя обеспечивает задержку сигнала (21) на время т.е. обеспечивает формирование сдвинутого по фазе сигнала (22) переменной частоты. Сигнал (22) поступает на вход первого широкополосного квадратурного фазовращателя 4, обеспечивая регенерацию выходного сигнала устройства, т.е. формирование исходного сигнала переменной частоты содержащей информацию об угле поворота фазовращателя 2. Обеспечение условий (23) и (24) регенерации достигается путем подбора коэффициента усиления дифференциального усилителя 9 и введением многосекционного элемента 15 задержки, обеспечивающей получение ряда значений t. С помощью переключателя 14 диапазонов осуществляется выбор частного диапазона и крутизны преобразования угла поворота сельсин-датчика 2 в частоту. Для измерения пропорционального углу поворота приращения частоты выходного сигнала в устройство дополнительно введены переключатель 3, делители частоты16 и 17, элемент НЕ 18, формирователь 19 импульсов, три элемента И-НЕ 20 - 22, реверсивный счетчик 23 и блок 24 индикации. В качестве второго делителя частоты 17 используется счетчик импульсов И 4 в режиме деления частоты на 6. Эпюры напряжений, поясняющие процесс измерения значения частоты (28), пропорциональной углу поворота сельсиндатчик 2, приведены на фиг.2. Переключатель 3 в положительные и отрицательные полупериоды управляющего сигнала (см. фиг.2,г) находится в положениях, указанном и противоположном (фиг.1). При переключении входного и выходного сигналов сельсин-датчика 2 в устройстве возникают переходные процессы (см. фиг.2,а). Для повышения точности измерения в моменты времени перехода через нуль из исходного сигнала (21) переменной частоты формируют короткие (счетные) импульсы заданной длительности с помощью формирователя 19. Эти импульсы используются а качестве счетных импульсов реверсивного счетчика импульсов 23. Измерительный интервал времени формируется сигналом с первого выхода второго делителя частоты 17. Длительность его выходных импульсов (см. фиг.2,а) где - период следования прямоугольных импульсов с первого выхода делителя частоты 17. Указанные импульсы поступают на третий (в элементе И-НЕ 22 и на четвертый) вход каждого из элементов И-НЕ 20 22. Импульсы установки в нуль реверсивного счетчика импульсов 23 формируются в моменты времени совпадения импульсных сигналов с первого, второго и четвертого выходов второго делителя частоты 17 (см. фиг.2,е). Следом за импульсами установки в нуль счетчика 23 формируются импульсами разрешения записи информации в режиме суммирования. Эти импульсы формируются при совпадении сигналов с первого, третьего и четвертого выходов делителя частоты 17 (см. фиг.2,ж). Счетные импульсы с выхода формирователя 19 поступают через элемент И-НЕ на суммирующий вход реверсивного счетчика импульсов 23. Окончание записи происходит в момент времени переключения переключателя 3 в противоположное положение. В моменты времени совпадения импульсных сигналов с первого, третьего и четвертого выходов делителя частоты 17 (при этом сигнал с четвертого выхода дополнительно инвертируется с помощью элемента НЕ 18) формируются импульсы (см. фиг.2,з), разрешающие подачу счетных импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 23. В результате на суммирующий и вычитающий входы счетчика 23 в нечетные (первые) и четные (вторые) такты работы переключателя 3 поступят следующие количества импульсов: и где установившееся значение частоты выходного сигнала устройства при установившееся значение частоты вы ходного сигнала устройства при С помощью реверсивного счетчика 23 осуществляется вычитание кода числа (30) из кода числа (29). В результате выходной код счетчика 23 будет равен коду числа: где Код числа (33) поступает на выход устройства для передачи по цифровой линии связи, а также поступает на блок 24 информации. С помощью последнего осуществляется индикация результатов измерений в виде чисел десятичной системы.