Патент на изобретение №2292013

(54) РЕВЕРСИВНЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

(57) Реферат:

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и управления для измерения линейных и угловых перемещений. Технический результат, достигаемый от реализации изобретения, заключается в повышении надежности работы датчика, упрощении его схемы, снижении себестоимости, габаритных размеров и уровня энергопотребления, а также в обеспечении возможности его использования в приборах с автономным питанием. Предложенный реверсивный дискретный датчик перемещений содержит кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, и четыре триггера. При этом выход первого считывающего элемента соединен со входом установки первого триггера и входами сброса второго и третьего триггеров, выход второго считывающего элемента соединен со входом установки второго триггера и входами сброса первого и четвертого триггеров, выходы первого и второго триггеров соединены со входами установки третьего и четвертого триггеров соответственно, выходы которых являются выходами датчика. 7 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и управления для измерения линейных и угловых перемещений.

Известен реверсивный импульсный датчик угловых перемещений по а.с. СССР №1696847, МПК G 01 В 7/00, опубликованному 07.12.1991 г., бюллетень №45. Этот датчик содержит кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, два RS-триггера, четыре трехвходовых элемента И-НЕ с одним инверсным входом, два двухвходовых элемента И-НЕ, D-триггер и два усилителя-формирователя, каждый из которых соединен с соответствующим считывающим элементом, прямой выход первого усилителя-формирователя соединен со вторым прямым входом второго элемента И-НЕ, первым прямым входом третьего элемента И-НЕ и инверсным входом четвертого элемента И-НЕ, инверсный выход первого усилителя-формирователя соединен с первым прямым входом первого элемента И-НЕ, инверсным входом второго элемента И-НЕ и вторым прямым входом четвертого элемента И-НЕ, прямой выход второго усилителя-формирователя соединен со вторыми прямыми входами первого и третьего элементов И-НЕ, инверсный выход второго усилителя-формирователя соединен с инверсными входами первого и третьего элементов И-НЕ и первыми прямыми входами четвертого и второго элементов И-НЕ, выходы первого и второго элементов И-НЕ соединены соответственно с R- и S-входами первого RS-триггера, выходы третьего и четвертого элементов И-НЕ соединены соответственно с S- и R-входами второго RS-триггера, выход которого соединен с С-входом D-триггера и первыми входами двухвходовых элементов И-НЕ, D-вход D-триггера соединен с выходом первого RS-триггера, его прямой выход – со вторым входом первого двухвходового элемента И-НЕ, инверсный вход D-триггера соединен со вторым входом второго двухвходового элемента И-НЕ, а выходы двухвходовых элементов И-НЕ являются выходами датчика.

Совпадающими существенными признаками этого датчика перемещений с заявляемым являются наличие кодирующего элемента и двух считывающих элементов установленных с перекрытием зон срабатывания.

Данный датчик имеет избыточно сложную схему, особенно при ее реализации на логических микросхемах стандартных серий. Кроме того, надежное функционирование схемы зависит от параметров установленных в нее экземпляров микросхем, и при их дрейфе, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, схема вообще может перестать функционировать. Например, в момент поступления на С-вход D-триггера положительного фронта импульса этот же фронт распространяется на входы двухвходовых элементов И-НЕ. Если по этому фронту происходит переключение D-триггера в состояние, противоположное предыдущему, то в зависимости от разницы величин задержки распространения сигнала в D-триггере и элементах И-НЕ на выходах последних могут появляться очень короткие отрицательные паразитные импульсы (при установке D-триггера – на выходе второго двухвходового элемента И-НЕ, при сбросе D-триггера – на выходе первого двухвходового элемента И-НЕ). Вследствие вышеперечисленного данный датчик перемещений не может быть использован для построения высоконадежных отказоустойчивых устройств.

По совпадающим существенным признакам и принципу построения схемы наиболее близким к заявляемому датчику из известных является реверсивный импульсный датчик перемещения (авторское свидетельство СССР №460429, МПК G 01 В 7/00, опубликованное 15.02.1975 г., бюллетень №6), который содержит кодирующее устройство, считывающие элементы, отстоящие друг от друга на расстояние (n±1/4) шага кодирующего устройства (где n – целое натуральное число), и логическое устройство, которое, в свою очередь, состоит из десяти конъюкторов, четырех дизъюкторов, двух формирователей и двух триггеров, причем выход первого считывающего элемента соединен с первыми входами конъюкторов, а выход второго считывающего элемента соединен со вторыми входами этих элементов, первый из которых имеет оба входа прямые, второй – оба входа инверсные, третий – первый вход прямой, а второй – инверсный, четвертый – первый вход инверсный, а второй – прямой, выходы первого и второго конъюктора соединены с единичным и нулевым входами первого триггера, с первыми входами седьмого и восьмого конъюкторов и с первым и вторым входами первого дизъюктора, выход третьего и четвертого конъюктора соединены с единичным и нулевым входами второго триггера, с первыми входами шестого и пятого конъюкторов и с первым и вторым входами второго дизъюктора, прямые и инверсные выходы первого и второго триггеров соединены со вторыми входами пятого, шестого, седьмого и восьмого конъюкторов, выходы четырех последних конъюкторов соединены со входами третьего дизъюктора, прямой и инверсный выход которого соединены с первыми входами девятого и десятого конъюкторов, выходы которых являются выходами датчика и вторые входы которых соединены с четвертым дизъюктором, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго формирователей, которые соединяются с выходами первого и второго дизъюкторов.

Совпадающими существенными признаками этого датчика перемещений с заявляемым являются наличие кодирующего устройства (элемента), двух считывающих элементов, установленных с перекрытием зон срабатывания и двух триггеров.

Данный датчик также имеет сложное логическое устройство, имеющее в своем составе десять конъюкторов, четыре дизъюктора, два формирователя и два триггера, что снижает его надежность, обусловливает большие энергопотребление, габариты и себестоимость, и таким образом не позволяет использовать его при создании малогабаритных высоконадежных устройств с автономным питанием.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании реверсивного дискретного датчика перемещений, в котором за счет исключения избыточных существенных признаков (элементов и связей) и введения новых существенных признаков (элементов и связей) обеспечивается достижение технического результата.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности работы датчика, упрощении его схемы, снижении себестоимости, габаритных размеров и уровня энергопотребления, что обеспечивает возможность его использования в приборах с автономным питанием.

Технический результат достигается тем, что в реверсивный дискретный датчик перемещений, содержащий кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, и два триггера, введены два триггера, причем выход первого считывающего элемента соединен со входом установки первого триггера и входами сброса второго и третьего триггеров, выход второго считывающего элемента соединен со входом установки второго триггера и входами сброса первого и четвертого триггеров, выходы первого и второго триггеров соединены со входами установки третьего и четвертого триггеров соответственно, выходы которых являются выходами датчика.

На чертежах представлены:

– на фиг.1 – пример реализации реверсивного дискретного датчика перемещений на RS-триггерах;

– на фиг.2, 3 – примеры реализации RS-триггера с динамическим S-входом;

– на фиг.4, 5, 6, 7 – временные диаграммы работы реверсивного дискретного датчика перемещений при различных точках реверса.

Датчик (фиг.1) содержит кодирующий элемент 1, выполненный, например, в виде крыльчатки из ферромагнитного материала, которая при вращении своими лопастями шунтирует источник магнитного поля 2, или в виде диска с чередующимися намагниченными и не намагниченными участками, два считывающих элемента 3 и 4, установленные с перекрытием зон срабатывания, например герконы или интегральные датчики магнитного поля на эффекте Холла, четыре триггера 5, 6, 7, 8. Выход первого считывающего элемента 3 соединен со входом установки первого триггера 5 и входами сброса второго 6 и третьего 7 триггеров, выход второго считывающего элемента 4 соединен со входом установки второго триггера 6 и входами сброса первого 5 и четвертого 8 триггеров, выходы первого 5 и второго 6 триггеров соединены со входами установки третьего 7 и четвертого 8 триггеров соответственно, выходы третьего 7 и четвертого 8 триггеров являются выходами устройства.

Датчик работает следующим образом. При вращении кодирующего элемента 1 модулируется магнитное поле вокруг считывающих элементов 3 и 4, на выходе которых формируются последовательности импульсов прямоугольной формы Х и Y, сдвинутые друг относительно друга по фазе. Причем при вращении кодирующего элемента в прямом направлении импульсы Х с выхода считывающего элемента 3 отстают от импульсов Y с выхода считывающего элемента 4, а при вращении в обратном направлении – наоборот. Временные диаграммы работы датчика при различных моментах смены направления вращения с прямого на обратное представлены на фиг.4-7, при этом момент реверса отмечен вертикальной пунктирной линией. Как видно из диаграмм, на выходе триггера 5 (сигнал QX) вырабатываются импульсы только при вращении кодирующего элемента в прямом направлении. Это обусловлено тем, что на вход установки триггера 5 подан сигнал X, а на вход сброса – сигнал Y, таким образом, условия для установки триггера 5 возникают, только когда в момент положительного фронта сигнала Х сигнал Y уже установлен в состояние логической “1”, т.е. когда сигнал Y опережает сигнал X. Сбрасывается триггер 5 (положительный фронт сигнала QX) по окончании положительной части периода сигнала Y.

Триггер 7 (сигнал INT0) устанавливается в момент сброса триггера 5, при условии, что сигнал Х в этот момент находится в состоянии логической “1”. Это условие выполняется всегда, кроме случая, когда направление вращения кодирующего элемента 1 изменяется при установленном триггере 5 (т.е. при QX=”0″, см. фиг.5). Сбрасывается триггер 7 по окончании положительной части периода сигнала X.

Триггеры 6 (сигнал QY) и 8 (сигнал INT1) работают абсолютно аналогично триггерам 5 и 7 соответственно, но при вращении в обратном направлении, так как сигналы Х и Y для них меняются местами.

Сигналы INT0 и INT1 на выходе устройства представляют собой соответственно прямые и обратные счетные импульсы, число которых однозначно соответствует углу поворота кодирующего элемента соответственно в прямом и обратном направлении, и могут быть использованы для отслеживания текущего положения кодирующего элемента с помощью различных реверсивных счетных схем, подключаемых к выходам датчика.

Из диаграмм видно, что возможный дребезг на фронтах сигналов Х и Y со считывающих элементов (изображены утолщенными линиями) на выходы триггеров не проходит и на правильность работы схемы никак не влияет, достаточно только обеспечить, что бы во время дребезга на выходе одного из считывающих элементов второй уже находился в установившемся состоянии.

Как можно видеть на фиг.1, схема датчика заметно упростилась, так как в ней вместо десяти конъюкторов, четырех дизъюкторов и двух формирователей введены всего два триггера. При этом она легко реализуется на стандартных логических микросхемах. Триггер с динамическим установочным входом легко реализуется на стандартном D-триггере, у которого D-вход соединен с источником сигнала лог. “1” (для КМОП серий – с шиной питания), как показано на фиг.2, или с R-входом (фиг.3). При этом вся логическая схема датчика реализуется на двух корпусах микросхемы ТМ2 (74××74, два D-триггера). Габариты такого устройства, особенно при использовании микросхем в SMD исполнении, могут быть очень малыми и определяться в основном только конструкцией кодирующего элемента, а потребляемый схемой ток в случае использования КМОП микросхем и герконовых датчиков может составлять 1-2 микроампера.

Формула изобретения

Реверсивный дискретный датчик перемещений, содержащий кодирующий элемент, два считывающих элемента, установленные с перекрытием зон срабатывания, и два триггера, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два триггера, причем выход первого считывающего элемента соединен со входом установки первого триггера и входами сброса второго и третьего триггеров, выход второго считывающего элемента соединен со входом установки второго триггера и входами сброса первого и четвертого триггеров, выходы первого и второго триггеров соединены со входами установки третьего и четвертого триггеров соответственно, выходы которых являются выходами датчика.

РИСУНКИ