Валкодер - устройство, меняющее какую-то величину взависимости от поворота оси. Такая штука водится, например, в роликовой мышиили в музыкальном центре. Собственно, сам по себе валкодер довольно прост, номы усложним задачу тем, что не будем использовать микроконтроллер, как этопрактикуется во всех промышленных образцах. Валкодер интересен тем, что в немпереплетаются очень многие приемы, применяемые в цифровой и аналоговойэлектронике. Итак ТЗ: разработать устройство, изменяющее выходное напряжение вдиапазоне 0 - 3В, в линейной зависимости от угла поворота оси. Изменениенапряжение должно быть реверсивным, с количеством градаций не менее 80.Выходной сигнал ложен быть изолирован он рабочих напряжений устройства(гальваническая развязка). Полное нарастание/спад напряжения происходит приизменении угла поворота оси от 0 до 1440 градусов (4 оборота). Устройстводолжно сохранять работоспособность в диапазоне питающего напряжения от 8 до15В. Предусмотреть цифровую индикацию напряжения.

1. С чегоначать?

Определим чего от нас хотят:

А. Во-первых "голова" устройства будет цифровой, т.к. будетсчитать импульсы, создаваемые вращающейся ручкой.
Б. Счет импульсов должен быть реверсивным, т.к.результирующая величина уменьшается и увеличивается в зависимости отнаправления вращения ручки.
В. Не менее 80 градаций выходного напряжения. Значит дляустановки напряжения нам потребуется не менее 8 бит двоичного кода (80[10] = 1010000[2]). 80 градаций за 4 оборота, значит за оборот, ручка должна выдавать 20импульсов. По одному импульсу через каждые 18 градусов.
Г. Для гальванической отвязки выходного напряжения, впреобразовательном каскаде (цифровой --> аналоговый) нужно будетиспользовать оптроны.
Д. При заявленном напряжении питания работают микросхемысерий К561 и 564.
Е. Цифровая индикация - простой узел, но потребуется еще 2дешифратора в 7-и сегментный код.

2. Теперь попробуем описать алгоритм работы

- При включении на выходе 0.

- ЕСЛИ на выходе 0 И есть импульс с датчика И ручка поворачиваетсяпо часовой стрелке - добавить 1 в выходной код.

- ЕСЛИ на выходе 0 И есть импульс с датчика И ручкаповорачивается против часовой стрелки- не выполнять никаких действий

- ЕСЛИ на выходе 1010000 И есть импульс с датчика И ручкаповорачивается по часовой стрелке- не выполнять никаких действий

- ЕСЛИ на выходе 1010000 И есть импульс с датчика И ручкаповорачивается против часовой стрелки- вычесть 1 из выходного кода

- ЕСЛИ на выходе число отличное от 0 и 1010000 И есть импульсс датчика И ручка поворачивается по часовой стрелке - добавить 1 в выходной код

- ЕСЛИ на выходе число отличное от 0 и 1010000 И есть импульсс датчика И ручка поворачивается против часовой стрелки - вычесть 1 извыходного кода.

- ЕСЛИ нет импульса с датчика - не выполнять никаких действий.

3. Составим блок-схему устройства

Очевидно, что механическая часть должна сообщать как о самомвращении, так и о его направлении. Значит датчик должен выдавать 2 сигнала. Врезультате получается, что устройство должно состоять из реверсивного счетчика,блока согласования-развязки и цифроаналогового преобразователя.

Валкодер

Согласователь должен выводить сигнал о переполнении изапрещать счетчику складывать (если получен максимум) или вычитать (еслиполучен минимум).

4. Конструируем датчик

Воды вылито достаточно, теперь можно говорить болеепредметно. Механика зависит от электроники, а электроника от механики, поэтому рассмотримдатчик как единое целое. Вполне понятно, что использовать оптический датчикгораздо удобнее, нежели контактный, значит мы пришли к перфорированному колесу.Получить импульсы проще простого, осталось определить направление вращения. Естьдва пути: использовать две оптопары (излучатель + приемник) расположив их такимобразом, что освещается сначала один приемник, а затем второй. Либо использоватьзаслонку, скользящую на той же оси, что и колесо (момент, создаваемый осью,должен превышать массу заслонки и она не должна поворачиваться под собственнойтяжестью).

Эта заслонка поворачивается синхронно с колесом на определенный угол(не более 4,5 градусов в обе стороны) и открывает/заслоняет дополнительный(стробирующий) фотоприемник. Этот вариант сильно усложняет механику, хотявесьма прост в схемотехнической реализации (логическая схема "И"), поэтомувернемся к первому варианту. Теперь прикинем временные эпюры сигналов,создаваемых датчиком.

Валкодер

Как видно из рисунка, сигналы приемников смещены по фазе на90 градусов. Этого легко добиться расположив приемники рядом в одну линию.Таким образом, когда отверстие проходит над приемниками, сначала освещаетсяпервый приемник, затем оба, затем второй.

Валкодер 

Предположим, колесо (3) вращается по часовой стрелке вокругоси (2). Когда отверстие (1) подходит к оптопарам, Сначала освещается правыйприемник (5), затем оба, затем только левый (4). И это повторяется 20 раз заодин оборот. Из приведенных эпюр видно, что на заднем фронте импульса с правогоприемника формируется некий стробирующий сигнал. На нем мы и будем строитьрезультирующий сигнал датчика: во-первых, он генерируется в единственномэкземпляре при освещении приемников, во-вторых, он прекрасно характеризуетнаправление вращения.

Совпадая с импульсом левого датчика при вращении почасовой стрелке, он дает возможность выделить положительный импульс при помощилогического элемента "И". Для получения этого чудо-импульса нам понадобитсяодновибратор для получения нужной длительности. Исходный фронт отрицательный,поэтому его нужно инвертировать. Попробуем набросать схему: петля ООСодновибратора рассчитывается исходя из максимальной частоты вращения колеса - длительностьстробирующего импульса не должна превышать 1/4 периода "правого" сигнала.Цепочка С1R4 рассчитывается исходя из того, чтоформируемый ею импульс должен составлять 0,1Тстр.

Валкодер

5. Построим самый простой блок в устройстве - счетчик

Хотел нарисовать схему на триггерах, но это показалось мнесовсем уж чудовищным глумлением над электроникой. Если интересно, схемуреверсивного счетчика на триггерах можно найти в любом справочнике по цифровыммикросхемам. Поэтому наша задача сводится к выбору стандартного счетчика изтрадиционных серий КМОП. Итак, определим требования к счетчику:

- Напряжение питания 8-15В

- Реверс

Таким условиям удовлетворяет К561ИЕ14

Валкодер

Как видно на картинке, у счетчика есть входы предустановки.При помощи этих входов мы можем быстро выставлять на выходе необходимоенапряжение, вызывая из внешнего ОЗУ соответствующий код. Разумеется в ОЗУдолжен быть создан некий банк сохраненных уровней. В ТЗ не оговорена такаявозможность, поэтому используем входы предустановки для сброса. Так же естьвход запрещения счета (РО). Но использовать его для защиты валкодера отпереполнения не получится. Дело в том, что этот вход вовсе блокирует считчик ине дает ему считать даже в свободном направлении, а нам нужно, чтобы придостижении критического уровня в одном направлении, свободное направлениеоставалось свободным. Поэтому сигнал переполнения мы выделим после дешифратора.Этим сигналом мы будем стробировать вход "С".

Валкодер

6. Теперь можно заняться сравнительно простыми, ногромоздкими узлами - дешифратором и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП)

Вот таким, например, у меня получился дешифратор. Ничегохитрого: массовые дешифраторы и транзисторные ключи для управления оптронами иполупроводниковыми индикаторами СИД-ОА. Дешифраторы вполне традиционные: К561ИД1 - преобразователь двоичного кода в десятичный и К561ИД4 - преобразовательдвоичного кода в семисегментный.

Валкодер

ЦАП будет построен подобным образом. Единственный тонкиймомент - определение диапазонов. Сопоставление границ регулировки десяткам иединицам. У нас 7 десятков и 10 единиц. Разделим полное выходное напряжение на80 градаций: получается 0,04. Умножим на 10 - получается 0,4. Значит, единичныйразряд регулирует напряжение в пределах 400мВ. Следовательно, оставшиеся 2,6Вуправляются десятками. Теперь осталось только подобрать резисторы,переключаемые оптронными ключами и, с их помощью, выстроить нужную шкалурегулировки.

Валкодер

Вот такое получилось.

Автор: Павел А. Улитин (Soundoverlord); Публикация: www.cxem.net

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Навигация

Инструкции по эксплуатации

Copyright © 2017 Электрические принципиальные схемы.