621.396
Оптоэлектронные цифровые преобразователи угла с весовым уплотнением каналов
В. М. ГРЕЧИШНИКОВ1, В. Г. ДОМРАЧЕВ2, И. В. РЕТИНСКАЯ3, О. В. ТЕРЯЕВА1
1Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С. П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара, Россия, e-mail: gv@ssau.ru 2Московский государственный университет леса, Москва, Россия, e-mail: vgdomr@rambler.ru 3Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва,
Россия, e-mail: kto@migmail.ru
Рассмотрены принципы построения и краткая теория оптоэлектронных цифроаналоговых преобразователей как элементов мультиплексирования в цифровых преобразователях угловых перемещений, а также конструкция преобразователя угол-код на основе волоконно-оптических цифроаналоговых преобразователей с устранением неоднозначности считывания двоичного кода.
Кпючевые слова: преобразователь угол-код, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, конструкция, функция преобразования, оптические аттенюаторы, кодовая маска.
Пе design principles and a brief theory of optoelectronic digital-to-analog converters as multiplexing components in digital converters of angular motion, as well as the design of angle-code converter based on a fiber—optic digital-to-analog converter with elimination ambiguity of binary code read out, have been considered.
Key words: angle-to-code converter, digital-to-analog converter, analog-to-digital converter, design, conversion function, optical attenuators, code mask.
Преобразователи угловых и линейных перемещений в цифровой код используют в измерительной технике, следящих системах, робототехнических комплексах и т. д. В этой группе преобразователей для измерений параметров применяют специальные кодовые маски [1, 2]. Каждый элемент кодовой маски модулирует поток оптического излучения, поэтому вся маска может быть представлена как совокупность элементов с логическим оптическим выходом. Преобразователи, как правило, эксплуатируют в жестких условиях (электромагнитные помехи, перепады температур), что снижает достоверность получаемой информации. Кроме того, существование индивидуальных каналов связи для каждого разряда преобразователя увеличивает массогабаритные показатели радиоэлектронной аппаратуры. Для решения указанной проблемы предлагается способ мультиплексирования оптических каналов формирования выходного кода
ь
ОМБ Р0(а) -> ВОЦАП
-> Pn-i(a)
Рис. 1. Обобщенная схема применения волоконно-оптических цифроаналоговых преобразователей в составе преобразователя угловых перемещений в цифровой код: ИИ — источник излучения; ОМБ — оптико-механический юлок; ВОЦАП — волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь; ФП — фотоприемник; У — усилитель; АЦП — аналого-
цифровой преобразователь
на основе волоконно-оптических цифроаналоговых преобразователей (ВОЦАП).
Принципы применения ВОЦАП в цифровом преобразователе угла. Обобщенная структурная схема преобразователя угловых и линейных перемещений приведена на рис. 1. Схема содержит источник излучения ИИ, который формирует опорный оптический сигнал Ри. С помощью оптического демультиплексора (волоконно-оптического разветвителя) излучение делится на равные части Р0,...,Рп-1 и подводится к точкам считывания информации с кодовых дорожек. При повороте измерительного вала на угол а в оптико-механическом блоке ОМБ модулируется излучение и формируются оптические сигналы Р0(а),...,Рп-1(а), форма которых близка к прямоугольной. Далее сигналы поступают на входы ВОЦАП, в котором происходит их суммирование с весовыми коэффициентами 2-' и формирование общего оптического сигнала РЕ(а), несущего информацию о значениях разрядных цифр по каждой кодовой дорожке.
Для последующего восстановления параллельного формата сигналов в электрической форме суммарный сигнал подается на фотоприемник ФП, увеличивается по амплитуде в усилителе У и оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Поскольку функции преобразования ЦАП и АЦП взаимообратные, то получаемые в результате электрические логические сигналы а0(а),а1(а),...,ап-1(а) однозначно связаны с оптическими Р0(а),...,Рп-1(а),
а следовательно, и со значением угла поворота измерительного вала а.
Математическая модель ВОЦАП с суммированием весовых коэффициентов. Волоконно-оптические ЦАП, как и электронные, можно реализовать по схемам со сложением или умножением весовых коэффициентов. В идеальном ВОЦАП — с суммированием весовых коэффициентов выход-
п-1
ной сигнал = XЗ/П/, где — значение цифры в /-м разря-
/=0
де входного оптического кода, п, — номинальное значение весового коэффициента по /-му каналу суммирования.
Для назначения весовых коэффициентов можно использовать разные числовые последовательности, для которых
к-1
справедливо соотношение % >ХП/■ В качестве такой пос-
/=0
ледовательности в электронных ЦАП чаще всего используется числовой ряд вида {2/}, где / = 0,...,п-1. Уравнение преобразования, устанавливающее связь между выходным аналоговым сигналом и входным кодом {а}, в данном случае приобретает вид
Ря = Ро Ха 2',
/=0
где р0 — шаг квантования выходного аналогового сигнала.
Однако, учитывая пассивный характер оптической схемы, весовые коэффициенты П/ для нее не могут быть больше единицы, поэтому для ВОЦАП применяют последовательность чисел {2-/}. Для произвольного члена данной пос-
п-1
ледовательности справедливо соотношение % > ■
/=к+1
В этом случае уравнение преобразования ВОЦАП примет вид
Р = Ро Х>/ 2'' = Ро (ао20 + а12-1 + ■■■+ Зп -12-(п-1)) ■ (1) /=о
Из (1) следует, что в записи кодовой комбинации младшему разряду кода а, соответствует максимальный весовой коэффициент 20, а старшему разряду ап-1 — минимальный коэффициент 2-(п-1), что не соответствует логике ЦАП. Происходит хаотическое нарушение пропорциональности между сигналом и кодом {а,}. Для устранения этого явления уравнение преобразования (1) следует представить в виде
I=п-1
Р = Ро'=Х З|2-' = Ро(зо2-(п-1) + З12-(п-2) + ■■■+ Зп-120)■
/=п-1 (2)
I=0
После нормирования (2) относительно р0, получим
I=п-1
Р* = ' =Х а]2-' = (а02-(п-1) + а12-(п-2) + ■■■+ вп-120)■ (3)
РХ ¡=п-1 У ' (3)
I=0
Из (3) следует, что уравнение преобразования в этом случае является линейно возрастающей ступенчатой функцией
с относительным шагом квантования Ро = 2-(п-1).
В общем случае параллельный ВОЦАП должен выполнять две операции: назначение веса каждому разряду и суммирование весов, выбираемых разрядными цифрами. Назначают вес оптические аттенюаторы (ОА), входящие в его состав. В основу принципа действия ОА положены такие эффекты, как изменение геометрии оптического волокна (макроизгибы), его внутренних напряжений (микроизгибы), коррекция взаимного положения торцов волокна и введение дополнительных диафрагмирующих элементов между ними. Устройства на основе макро- и микроизгибов имеют сложную конструкцию и предназначены для плавного снижения затуханий. Наиболее простыми и технологичными являются ОА на основе изменения взаимного положения торцов оптического волокна и введения дополнительных диафрагмирующих элементов между этими торцами.
Таким образом, ВОЦАП реализует функцию «весового» мультиплексирования каналов формирования выходного кода и позволяет передавать информацию на большие расстояния по моноволоконному или жгутовому световодам. Погонная масса такого канала передачи на порядок ниже проводниковых аналогов, что особенно важно для уменьшения массогабаритных показателей бортового электрооборудования летательных аппаратов.
Устранение неоднозначности кодирования в преобразователе угол—код с использованием двух ВОЦАП. Пример преобразователя угол—код на основе параллельного ВОЦАП представлен в [3]. Из-за конечной длительности фронтов аналогового сигнала при переходе от одного элемента кодовой маски к другому возникает погрешность неоднозначности считывания.
Данная проблема в указанном выше преобразователе решается применением специальной дорожки на кодовой маске и введением дополнительного канала, состоящего из фотоприемника, усилителя и компаратора. Однако данный способ устранения неоднозначности крайне неудобен, так как управляющий сигнал формируется по максимуму вспомогательного сигнала, значение которого нестабильно. Это приводит к случайным флуктуациям длительности управляющего импульса, вследствие чего снижается эффективность данной схемы. Чтобы избежать описанной проблемы, можно применить способ устранения неоднозначности, основанный на использовании двух ВОЦАП, линии считывания которых смещены относительно друг друга на один квант, и аналого-цифровой обработки сигналов ВОЦАП в АЦП. Выбор текущего значения кода в старших разрядах осуществляют с помощью сигнала дополнительной дорожки, которая является младшим разрядом кода. Предлагаемый способ является модификацией известного метода «двойной щетки» [2]. Преобразователь угол—код на основе двух параллельных ВОЦАП приведен на рис. 2.
В состав преобразователя входят: излучатель 1; оптический демультиплексор 2; две группы коллимирующих града-нов 3, 4; излучающий световод 5; приемный световод 6; вал 7; кодовая маска 8; считывающий диск 9; два параллельных ВОЦАП 10, 11; общий оптический кабель 12; фотоприемники 13—15; усилители 16—18; пороговое устройство 19;
Рис. 2. Функциональная схема оптоэлектронного цифрового преобразователя угла с двумя встроенными
параллельными волоконно-оптическими цифроаналоговыми преобразователями: 1 — излучатель; 2 — оптический демультиплексор; 3, 4 — коллимирующие граданы; 5 — излучающий световод; 6 — приемный световод; 7 — вал; 8 — кодовая маска; 9 — считывающий диск; 10, 11 — параллельные волоконно-оптические цифроаналоговые преобразователи; 12 — оптический кабель; 13—15 — фотоприемники; 16—18 — усилители; 19 — пороговое устройство; 20 — ключ; 21 — генератор тактового сигнала; 22 — аналого-цифровой преобразователь; 23, 24 — промежуточные элементы; 25 — элемент НЕ; 26 — регистр
ключ 20; генератор тактового сигнала 21; АЦП 22; промежуточные регистры 23, 24; логический элемент НЕ 25; регистр 26 [4].
Кодовая маска 8 представлена
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.