681.335.2
Индуктивный аналого-цифровой п реобразователь
перемещений временного типа
С. Ю. ПОТОМСКИЙ, А. В. КОСИНСКИЙ
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва,
Россия, e-mail: spotomskiy@hse.ru
Разработан индуктивный аналого-цифровой преобразователь линейных перемещений временного типа, в котором отсутствует этап преобразования перемещение—фаза, перемещение непосредственно преобразуется во временной интервал и затем в цифровой код. Представлена функциональная схема разработанного устройства и ее математическое описание.
Ключевые слова: индуктивный датчик, аналого-цифровой преобразователь временного типа, линейная характеристика преобразования.
The inductive analog-digital time type linear displacements converter has been developed. The functional circuit of the converter and its mathematical description are presented. The conversion stage is missed and the relocation is directly converted into time interval and then to digital code.
Key words: inductive sensor, time type AD converted, linearcharacteristic of conversion.
Разработка новых типов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) перемещений, отвечающих современным требованиям, предъявляемым к цифровым измерительным устройствам, является актуальной задачей при проведении научных и технических исследований. К АЦП перемещений временного типа относится класс измерительно-преобразующих устройств, в которых измеряемая величина — перемещение — непосредственно преобразуется во временной интервал и далее в последовательность импульсов, поступающих в счетчик, с выхода которого снимается цифровой код [1]. Модулятором служит индуктивный датчик, преобразующий входное линейное перемещение в электрический сигнал.
Индуктивные датчики широко используют в автоматических системах управления технологическими процессами как для контроля положения металлических объектов, так и для измерения линейных перемещений. В случае применения индуктивного датчика, в цифровых системах управления необходимо преобразовывать выходной сигнал датчика в цифровой код [2]. Непосредственно для измерительных целей применяют двухтактные индуктивные измерительные преобразователи, которые включают по дифференциальной или мостовой схеме (рис. 1).
В данной статье предложена функциональная схема АЦП линейных перемещений на основе индуктивного датчика с непосредственным преобразованием перемещения во временной интервал (рис. 2). Устройство работает следующим образом. С выхода индуктивного датчика ИД снимается напряжение, пропорциональное перемещению:
Цид = 2 UwL0RX/
(r2+w 2l2)
где и — напряжение питания моста (см. рис.1); L1+L2=2L0, L1, L2 — индуктивности плечей моста с числом витков 1и2; и = и = и2; Я — сопротивление нагрузки; X — измеряемое перемещение; 80 — воздушный зазор.
Усиленное напряжение с выхода индуктивного датчика:
Uy = куЦид = ky 2 UwL0RXi
so (R
-w 2L2
Генератор несущей частоты ГНЧ (см. рис. 2) вырабатывает пилообразное напряжение [5]: UH4 = Um юt, где Um =
( 2 2 2 \
R + w L0) — амплитуда импульсов; ю — частота
импульсов, поступающих с генератора.
Рассмотрим случай идеальной работы генератора, когда время восстановления значительно меньше рабочего времени [3]. Нуль-орган Н01 срабатывает в момент времени tн 1, когда напряжение с ГНЧ равно нулю. Момент срабатывания определим из выражения
t hi =t HI + t H1,
(1)
где tн 1 — момент времени, соответствующий равенству напряжения с выхода ГНЧ порогу срабатывания UH1 нуль-органа HOI; tнi — собственное время срабатывания Н01.
Рис. 1. Схема мостового индуктивного датчика
Рис. 2. Функциональная схема индуктивного АЦП перемещений временного типа: ИП — источник питания; ИД — индуктивный датчик; ГНЧ — генератор несущей частоты; У — усилитель; Н01, Н02 — нуль-органы; T — RS-триг-гер; ГИ — генератор счетных импульсов; И — логический элемент; ДС — двоичный счетчик
Нуль-орган Н02 срабатывает в момент fH 2 равенства напряжения с выхода ГНЧ напряжению Uy с выхода усилителя. Момент его срабатывания вычислим как
tH2 - tH2 + tH2'
(2)
где t н 2 — собственное время срабатывания Н02.
Время tH 1 найдем из уравнения UH4 = UH1 или Umct н 1 = UH1, откуда
tm = UHi/(a>Um). (3)
Время t H 2 определим из уравнения UH4 = Uy, откуда
На один вход логического элемента И подают сигнал с выхода триггера, на другой — заполняющие импульсы от генератора импульсов. Логический элемент И выполняет роль ключа и пропускает импульсы с генератора в то время, когда триггер находится в открытом состоянии, т. е. этими импульсами заполняется временной интервал.
Число импульсов, поступающих на двоичный счетчик ДС:
N.
X '
ttrnrm, где ю.
ги
частота следования импульсов с гене-
ратора.
С учетом выражений (1)—(5) получим
Nx =
юги
fry 2UwL pRX _ Цн! 5о (R2 + w2L2 )Um Um
+ юГИ (^2 -fH1 + fo - fc)- (6)
Перепишем (6) с учетом порога срабатывания U,
H1
0
нуль-органа Н01 и условия, что собственно время срабатывания нуль-органов и триггеров пренебрежимо малы: Nx = югиХ/(80ю). При этом должны выполняться равенства
Um = ky2UwL0R/(R2 + w2Lq) и юги/ю = 2N.
Таким образом, Ых = 2мХ/80.
Вывод. Предложенное техническое решение позволяет создавать АЦП линейных перемещений, в основе которых лежит мостовой индуктивный датчик, диапазон измеряемых перемещений находится в пределах от сотых долей микрометра до 5 мм.
t н 2 = ky 2UwL 0RX /
ю§о (r2 + w 2L2) Um
(4)
По сигналу с Н01 срабатывает триггер Т, а по сигналу с Н02 он возвращается в исходное состояние. Временной интервал, в течение которого триггер находится в открытом состоянии
tT tH2 tH1 + to tc,
(5)
где ?0, ?с — время отпускания и срабатывания триггера.
От генератора счетных импульсов ГИ поступают заполняющие импульсы кратностью 2Ы, где N — число разрядов АЦП.
Л и т е р а т у р а
1. Косинский А. В., Потомский С. Ю. Аналого-цифровые преобразователи перемещений временного типа // Измерительная техника. 2011. № 5. C. 20—21; Kosinskii A. V., Po-tomskii S. Yu. Time-type analog-to-digital displacement transducer // Measurement Techniques. 2011. V. 54. N. 5. P. 502—504.
2. Бабиков M. А., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1975.
3. Гусев В. Г., Гусев Ю. M. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. пособие. М.: Высшая школа, 2004.
Дата принятия 09.06.2014 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.