преобразователь угла поворота в последовательность импульсов

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ, содержащий подвижный растровый измерительный диск, неподвижный индикаторный диск, состоящий из взаимно сдвинутых растровых зон и сопряженный с растровым измерительным диском, 4n расположенных по окружности дисков оптических элементов считывания, сумматор, n/2 интерполяторов и n/2 формирователей счетных импульсов, отличающийся тем, что в него введены мажоритарный элемент и 2n - 1 сумматоров, каждый интерполятор содержит оптрон, нагрузочный резистор и четыре усилителя тока, одноименные выводы питания которых объединены и включены последовательно со светодиодом оптрона в цепь его питания, нагрузочный резистор включен последовательно с фотоприемником оптрона в цепь его питания, сдвиг между четными и нечетными растровыми зонами индикаторного диска равен половине шага растра, выходы оптических элементов считывания, установленных против четных и нечетных диаметрально расположенных растровых зон индикаторного диска, попарно подключены к входам соответствующих сумматоров, которые объединены в n/2 групп по четыре сумматора в каждой, выходы сумматоров каждой группы соединены с входами усилителей тока соответствующего интерполятора, общая точка нагрузочного резистора и фотоприемника оптрона каждого интерполятора через одноименный формирователь счетных импульсов подключена к соответствующему входу мажоритарного элемента, выход которого является выходом преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическим средствам кодирования информации и может быть использовано, в частности, для оптической записи (воспроизведения) информации на дисках с фоточувствительным покрытием, с обеспечением синхронизации импульсов записывающего лазера и привода при координатной точности бит записываемой информации до десятых долей секунды.

Повышенная координатная точность записи, обусловленная малыми фазовыми погрешностями расположения фронтов формируемой преобразователем последовательности импульсов, дает возможность уплотнить запись, а в случае изготовления киноформных элементов получить улучшенные параметры корректирующей оптики. При изготовлении с использованием преобразователя оптических синхродисков с делительными градациями секторов формируются переходные зоны высокой линейности - без рваных краев в микронном диапазоне.

Известные преобразователи угла поворота в последовательность импульсов, имеющие в своем составе звено повышенной частоты, которым квантуют основную гармонику сигнала фотопреобразования, имеют ограничения по быстродействию и не обеспечивают достаточной производительности.

Наиболее близким по технической сущности является фотоэлектрический преобразователь углового перемещения в код, содержащий измерительный радиальный растр и два диаметрально расположенных по растру канала считывания, каждый из которых содержит оптически связанные осветитель, индикаторный растр, сопряженный с измерительным раствором и состоящий из растровых зон со взаимным сдвигом на четверть шага растра и блок фотоприемников, расположенных против растровых зон индикаторного растра, отличающийся тем, что с целью повышения точности преобразователя за счет исключения эксцентриситета измерительного растра, в него введен сумматор, и в каждый канал считывания введены реверсивный счетчик, формирователь счетных импульсов и интерполятор, в каждом канале считывания выходы блока фотоприемников соединены с входами интерполятора, выходы которого соединены с входами формирователя счетных импульсов, первый выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика, а второй выход соединен с входом направления счета реверсивного счетчика, выходы реверсивного счетчика первого канала считывания соединены с входами первого слагаемого сумматора, выходы реверсивного счетчика второго канала считывания соединены с входами слагаемого сумматора, выходы которого являются выходами преобразователя.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность преобразования и недостаточное быстродействие. Фазовое положение формируемых импульсов только за счет сумматора и интерполятора не обеспечивает той прочности, которая может быть достигнута при статическом осреднении на можаритарном элементе, на котором кроме осреднения осуществляется селекция в узкой области погрешностей расположений градаций измерительного растра с исключением накопленных и других текущих погрешностей расположения градаций растров.

Наличие реверсивного счетчика в преобразователе, т.е. наличие звена повышенной частоты, снижает его быстродействие и функциональные возможности, например, для использования преобразователя в качестве синхронизатора работы записывающего лазера в оптической записи.

В устройстве не обеспечивается достаточная защита от аддитивной смеси помех при работе формирователя счетных импульсов. Поэтому, если поpоговый элемент очень чувствительный, то надежность работы снижается. Кроме того, при наличии возмущающих факторов изменяется порог срабатывания порогового элемента.

Цель изобретения: уменьшить технологические погрешности преобразования, связанные с погрешностями распределения растров на подвижном растровом измерительном диске и неподвижном индикаторном диске при их взаимодействии и погрешности преобразования в электронном блоке.

Цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота в последовательность импульсов, содержащий подвижный растровый измерительный диск, неподвижный индикаторный диск, состоящий из взаимно сдвинутых растровых зон и сопряженный с растровым измерительным диском; 4n расположенных по окружности дисков оптических элементов считывания, сумматор, n2 интерполяторов и n/2 формирователей счетных импульсов, введены мажоритарный элемент и (2n-1) сумматоров, каждый интерполятор содержит оптрон, нагрузочный резистор и четыре усилителя тока, одноименные выводы питания которых объединены и включены последовательно со светодиодом оптрона в цепь его питания, нагрузочный резистор включен последовательно с фотоприемником оптрона в цепь его питания, сдвиг между четными и нечетными растровыми зонами индикаторного диска равен половине шага растра, выходы оптических элементов считывания, установленных против четных и нечетных диаметрально расположенных растровых зон индикаторного диска, попарно подключены к входам соответствующих сумматоров, которые объединены в n/2 групп по четыре сумматора в каждой, выходы сумматоров каждой группы соединены с входами усилителей тока соответствующего интерполятора, общая точка нагрузочного резистора и фотоприемника оптрона каждого интерполятора через одноименный формирователь счетных импульсов подключена к соответствующему входу мажоритарного элемента, выход которого является выходом преобразователя.

Такая организационная структура преобразователя обеспечивает формирование импульсной последовательности синхронизации работы записывающего лазера и привода с обеспечением технологических погрешностей на порядок меньшими в сравнении с погрешностями расположения растров на дисках. Угловая точность записи бит информации может достигать порядка десятых долей угловой секунд. Если представить, что за один оборот диска К-й бит информации в виде пятна диаметром 0,8...1 мкм накладывается на первый с некоторым радиальным смещением, то при вращении формируемые градации имеют высокую линейность.

На выходе мажоритарного элемента преобразователя формируется импульсная последовательность - меандр с положениями фронтов и срезов импульсов с малыми фазовыми погрешностями и расчетной точностью до 0,3 угловых секунды. Это достигается статистическим осреднением вариаций погрешностей по каждой из групп с сумматором в каждой группе, выходы групп соединены с входами усилителей тока соответствующего интерполятора, а общая точка нагрузочного резистора и фотоприемника оптрона каждого интерполятора через одноименный формирователь счетных импульсов подключена к соответствующему входу мажоритарного элемента.

Компонентами снижения технологических погрешностей в преобразователе являются: селекция погрешностей по статистической диаграмме их распределения с прохождением в области соответствующей узкой средней зоне диаграммы распределения; а остальные погрешности отсекаются; оптическое осреднение по группам распределения градаций растров в зонах считывания считывающими элементами; формирование фронтов импульсов фотопреобразования повышенной крутизны с отсечкой начального нелинейного участка и с эффектом стабилизации формы импульсов при развязке на оптронах; исключение аддитивной смеси помех достигаемое на оптронах; осреднение по фронтам и срезам импульсов на сумматорах, выполненных на операционных усилителях. Последнее обеспечивается формированием на прямом и инверсном входах операционного усилителя прямой и инверсной импульсных последовательностей, которые формируются по каналам со считывающими элементами, смещенных со сдвигом на пол шага (Т/2) растра между четными и нечетными растровыми зонами на индикаторном диске. При этом величина окружного шага Т растра выбрана из условий технологичности и соизмеримости с длиной волны источника излучения в считывающем элементе (в конкретном образце Т=18 мкм по среднему диаметру).

Немаловажное значение для уменьшения влияния погрешностей установки растровых дисков относительно центральной оси имеет то обстоятельство, что пары диаметрально противоположных четных и нечетных зон с группами градации в каналах с сумматорами смещены друг относительно друга на 90^о.

Для стабилизации рабочей точки формирователя счетных импульсов обеспечивается оптронная развязка в каждом интерполяторе и реализация логики ИЛИ на четырех усилителях потока в каждом интерполяторе, при этом логика ИЛИ совмещена с формированием дискретно изменяющегося порогового потенциала на шине выхода.

На фиг. 1 дана схема предложенного преобразователя в качестве примера исполнения при использовании для оптической записи информации; на фиг.2 - схема расположения считывающих элементов; на фиг.3 - взаимодействующие растры; на фиг. 4 - диаграмма формирования фронтов импульсов; на фиг.5 - диаграмма выходного сигнала сумматора; на фиг.6 - блок-схема предложенного устройства в целом; на фиг. 7 - диаграммы, поясняющие отсечку начальных участков сигнала фотопреобразования; на фиг.8 - структура мажоритарного элемента с открытыми коллекторными выходами, объединенными на нагрузочный резистор; на фиг.9 - диаграмма статистического распределения погрешностей расположения растров; на фиг. 10. ..12 - кадр вариаций фазовых состояний фронтов импульсов; на фиг.13 - укрупненная блок-схема.

Преобразователь угла поворота в последовательность импульсов содержит прецезионную опору вращения 1 (фиг.1), подвижный растровый измерительный диск 2 и неподвижный индикаторный диск 3, состоящий из взаимно сдвинутых растровых зон 4, 5 (фиг.2, 3, 6) и сопряженный с растровым измерительным диском, 4n расположенных по окружности дисков оптических элементов 6 (фиг. 1) считывания включающих в себя каждый источник 7 излучения и фотопреобразователь 8, усилители 9 (фиг.2, 6), (2n-1) сумматоров 10, n/2 интерполяторов 11, n/2-формирователей 12 счетных импульсов и мажоритарный элемент 13. Каждый интерполятор 11 содержит оптрон 14, нагрузочный резистор 15 и четыре усилителя тока 16, одноименные выводы 17 питания которых объединены и включены последовательно со светодиодом 18 оптрона в цепь 19 его питания, нагрузочный резистор 15 включен последовательно с фотоприемником 20 в цепь его питания 21.

Сдвиг между четными 4 и нечетными 5 растровыми зонами на индикаторном диске 3 (фиг. 2) равен половине окружности шага растра, выходы 22 (фиг.6) оптических элементов 6 считывания (фиг.1), установленных против четных и нечетных диаметрально расположенных зон 4 и 5 на индикаторном диске 3, попарно подключены через усилители 9 к входам соответствующих сумматоров 10, которые объединены в n/2 групп по четыре сумматора в каждой (фиг.13), выходы 23 сумматоров каждой группы соединены с входами 24 усилителей 16 тока (фиг.6) в соответствующем интерполяторе 11, общая точка нагрузочного резистора 15 и фотоприемника 20 оптрона 14 в интерполяторе через одноименный формирователь 12 счетных импульсов подключена к соответствующему входу мажоритарного элемента 13, выход 25 которого является выходом преобразователя.

Принятые обозначения: Т - окружной шаг растров (фиг.3); - угол расположения четной и нечетной зоны относительно друг друга (фиг.2)

= + 1/2T,

=360^o/n где n - число считывающих элементов,

- частота вращения прецизионного аэростатического шпинделя с изделием (фиг.1);

Q - зона селекции на диаграмме распределения погрешностей растров (фиг. 9);

_i - фазовые погрешности положений фронтов импульсов фотопреобразования (фиг.10...12).

Р₁( )

Р₂( ) функции вариаций (фиг.8)

Р₃( )

лог. 1 и лог. 0 соответствующих распределениям фазовых погрешностей растров в каждом из дискретов поворота на окружной шаг.

На фиг.1 позицией 25 обозначен лазер рабочего излучения, позицией 26 - модулятор, позицией 27 - проекционная система, позицией 28 - регулировочный резистор, которым настраивается источник 7 излучения каждого считывающего элемента 6.

Лазер 25 рабочего излучения оптической записи (фиг.1) проекционной системой 27 формирует на изделии технологический процесс кодовой записи, а синхронизация его работы осуществляется модулятором 26, использующим последовательность импульсов, формируемую предложенным преобразователем. Этой же импульсной последовательностью синхронизируется привод прецизионного аэростатического шпинделя (не изображен).

Смещение четных 4 и нечетных 5 растровых зон (фиг.2, 3) на половину окружного шага растра T/2 по осевым линиям этих зон обеспечивает эффект осреднения по передним фронтам и срезам импульсов сигнала фотопреобразователя, а К - число градаций в каждой из зон (для конкретного случая К=48) дает эффект оптического осреднения: когда прозрачные градации (окна) обоих дисков совпадают (фиг.3), то на фотоприемнике 8 (фиг.1) формируется общий импульс фотопреобразователя с крутыми фронтами ввиду малой ширины окна (b= 18 мкм), а для случая совпадения противоположных градаций импульс отсутствует. Смещение смежных растров зон на Т/2 шага растра обуславливает смещение на Т/2 - периода импульсных последовательностей фотопреобразования формируемых считывающими элементами 6 (фиг.1, 4), расположенных в четных и нечетных зонах растра индикаторного диска 3.

В результате на сумматоры 10 (фиг. 2), выполненных на операционных усилителях с прямым и инверсным входами поступают прямая и инверсная импульсные последовательности. Фронты импульсов во временном промежутке их формирования одной импульсной последовательности совпадают со срезами импульсов другой инверсной последовательности. Осуществляется осреднение с эффектом увеличения крутизны выходного сигнала сумматора 10 (фиг.4, 5). Пара считывающих элементов 6, расположенных в диаметрально противоположных четной и нечетной зонах 4, 5 (фиг.2) в канале с первым сумматором, смещена относительно другой пары считывающих элементов в канале со вторым сумматором на 90^о (фиг.6). Таким образом обеспечивается компенсация погрешностей эксцентричности установки растров по отношению к оси вращения ротора шпинделя 1 с изделием, на котором производится оптическая запись (фиг.1). Это уменьшает погрешности от радиальных биений растра подвижного диска 2 и погрешности установки индикаторного диска. Интерполяторы 11 обеспечивают отсечку начальной нелинейной части сигнала фотопреобразония уставкой начальных токов светодиодной части оптрона 14 (фиг.6, 7), стабилизируют форму импульсов фотопреобразования от температурных флюктуаций оптронной развязкой, что одновременно исключает формирование аддитивной смеси помех, которые могут вызывать ложные срабатывания одноименного формирователя 12 счетных импульсов, порог срабатывания которого оказывается стабилизированным. Оптроны 14 в каждом из интерполяторов и четыре усилителя тока 16 реализуют логику "монтажное ИЛИ" (фиг.6) с дополнительным эффектом порогового увеличения сигнала выхода. В результате обеспечивается возможность срабатывания формирователя 12 счетных импульсов только с приходом третьего импульса на три каких-либо усилителей тока 16 (которых в интерполяторе четыре).

На мажоритарном элементе 13 селектируются в каждом Т-периоде дискретных положений измерительного диска 2 функции вариаций.

Р₁( )

Р₂( )

Р₃( )

Они представляют вариации двоичного сигнала по весовому признаку. Осуществляется селектирование в Q-области наименьших фазовых погрешностей расположенных градаций растров, а большие погрешности отсекаются согласно функции распределения погрешностей (фиг.9). Селектирование ведется по весовому признаку, например 2 из 3; если мажоритарный элемент трехвходовый.

На таблице приведена истинность для трехвходового мажоритарного элемента.

На фиг. 8 представлена блок-схема реализации мажоритарного элемента с открытыми коллекторными выходами объединенными на нагрузочный резистор.

Вариации лог. 1 и лог.2, поступающие на входы мажоритарного элемента, могут иметь произвольную последовательность и зависят от вариаций погрешностей распределения градаций растров, которые возникают в тактах измерений в динамическом состоянии растрового измерительного диска 2 (фиг.1).

Преобразователь работает следующим образом.

В динамическом состоянии прецизионного шпинделя 1 (фиг.1) посредством растровых дисков 2, 3 и считывающих элементов 6 осуществляется формирование сигнала фотопреобразования в многоканальной системе считывания. На входы сумматоров 10 (фиг.2, 6) прямой и инверсный поканально поступают прямая и инверсная импульсные последовательности с треугольной (трапецеидальной) формой импульсов с крутыми фронтами, так как в четных и нечетных зонах групп градаций осуществляется оптическое осреднение сигнала фотопреобразования. На сумматорах 10 осуществляется осреднение по передним фронтам и срезам импульсов прямой и инверсной импульсных последовательностей, а на выходе каждого сумматора крутизна фронтов еще более возрастает (фиг.4, 5).

На четырехвходовом интерполяторе 11, объединяющем выходы четырех сумматоров 10, начальные точки усилителей тока 16 при поступлении импульса возрастают, суммируясь на светодиоде 18 оптрона 14. Это увеличивает сигнал выхода на средней точке нагрузочного резистора 15 и фотодиода 20 этого оптрона. Возрастает и сигнал выхода каждого усилителя тока. На выходе интерполятора с оптронной развязкой имеет место дифференциальное изменение сигнала на выходах. Формирователь 12 с сильной положительной обратной связью срабатывает, когда импульсы поступят на три из четырех усилителей тока 16. Оптронная развязка позволяет регулировкой начального тока отсечь начальный участок рабочей характеристики, а дифференциальный характер изменения сигнала выхода интерполятора стабилизирует рабочую точку срабатывания формирователя 2 счетных импульсов.

Поступающие на входы мажоритарного элемента 13 прямоугольные импульсные последовательности (меандры) с фазовыми погрешностями _i расположения фронтов импульсов (фиг.10...12) селектируются в каждом периоде вариаций Р₁( ); Р₂( ); Р₃(). В результате фронты импульсов с большими фазовыми погрешностями отсекаются (фиг.9), а импульсы с малыми фазовыми погрешностями в Q-области распределения погрешностей определяют еще более точное фазовое положение импульса выхода на шине 25.

Оптическую запись осуществляют следующим образом.

Пусть в динамическом состоянии программоносителя в результате воздействия импульса синхронизации лазером 25 сформировано пятно диаметром 1 мкм. Далее программоноситель поворачивается на угол 2 , а за период поворота лазер 25 с проекционной системой смещается радиально на величину R с обеспечением перекрытия сформированного пятна. Если в момент перекрытия осуществлено формирование второго пятна, то последовательность такой синхронизации обеспечит запись градации. Точность угловой позиции совокупности пятен оптической записи определят качество записи.

Фазовое осреднение формируемой импульсной последовательности преобразователя по рассмотренным компонентам дает точность формирования угловых координат записываемого кода на порядок выше, чем точность изготовления растров. Преобразователь устойчив по временной стабильности и помехоустойчив по своей внутренней структуре. Многоканальность обеспечивает параллельную логическую обработку сигнала. В сочетании с отсутствием звена повышенной частоты обеспечивают предложенному техническому решению преимущества по быстродействию в сравнении с указанным аналогом и базовым объектом - осреднителем, использующим квантование основной гармоники и нахождение середины интервала.