1
WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI
INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH
Przedmiot: WSPÓŁCZESNE SENSORY
Ćwiczenie nr 2
INSTRUKCJA WYKONAWCZA
Temat: Przetwornik obrotowo-kodowy
Grupa:
............................................................
1. .............................................................
2. .............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
Data wykonania ćwiczenia:
........................................................................
Data oddania sprawozdania:
.........................................................................
Ocena:
........................................................................
Prowadzący:
.........................................................................
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz pomiarem
charakterystyk zewnętrznych dwóch rodzajów przetworników kąta, obrotowo-impulsowych
i obrotowo-kodowych.
2
1. PRZETWORNIKI OBROTOWO-IMPULSOWE I OBROTOWO-KODOWE.
Przetworniki obrotowe są uniwersalnym narzędziem techniki pomiarowej i
automatyki umożliwiającym wykonywanie precyzyjnych cyfrowych pomiarów
przemieszczeń kątowych i liniowych oraz innych wielkości fizycznych dających się
przetworzyć na jedno z powyższych przemieszczeń.
Przetworniki obrotowo-impulsowe wytwarzają ciąg impulsów, których ilość jest
proporcjonalna do przebytej drogi kątowej wałka - osi przetwornika.
Uproszczony układ pomiarowy przetwornika impulsowego oraz jego sygnały wyjściowe
przedstawiono na rys.1.
D
F1
F2
W1
W2
A
B
U
T
A
B
Rys.1. Układ pomiarowy przetwornika impulsowego.
Objaśnienia do rysunku:
D - źródło światła podczerwonego (fotodioda)
F1, F2 - detektory światła
U - wał przetwornika
T - ruchoma tarcza
W1, W2 - wzmacniacze elektroniczne
A, B - wyjściowe sygnały elektryczne
3
Na obwodzie szklanej tarczy T umocowanej do precyzyjnie ułożyskowanego wału U
znajdują się dwie koncentryczne ścieżki I i II pól przeźroczystych i nieprzeźroczystych
naniesionych metodą fotolitografii. Pola ścieżki I są przesunięte względem pól ścieżki II.
Po jednej stronie ruchomej tarczy jest umieszczona dioda D będąca źródłem światła
podczerwonego, a po drugiej odbiorniki (detektory) tego światła F1 i F2, jeden pod ścieżką
I drugi pod ścieżką II. Wirująca tarcza powoduje przysłanianie i odsłanianie tych
odbiorników, wywołując tym samym generowanie w nich ciągu sygnału elektrycznego.
Sygnały z fotoelementów F1 i F2 są następnie wzmacniane i kształtowane we
wzmacniaczach W1 i W2 w sygnał wyjściowy A i B o określonym standardzie.
Przesunięcie względem siebie pól ścieżek I i II jest takie, że sygnały wyjściowe A i B są
przesunięte w fazie o 90°. Przy obrocie wału w jednym kierunku sygnał A wyprzedza
sygnał B, w drugim kierunku sygnał B wyprzedza sygnał A o 90°.
Przetwornik obrotowo-impulsowy współpracuje z zewnętrznym rewersyjnym licznikiem
impulsów. Jeśli urządzenie to posiada układy rozróżniania kierunku oraz multiplikacji
zboczy, uzyskuje się informację o kierunku obrotu oraz czterokrotne zwiększenie
rozdzielczości. Z ilości impulsów wnioskujemy o wartości kąta obrotu wału. a z ich
kolejności o kierunku tego obrotu.
W przetwornikach obrotowo-kodowych na tarczy szklanej naniesiona jest mozaika pól w
postaci 8-mio, 10-cio lub 12-to bitowego naturalnego kodu binarnego lub kodu Graya.
Tarcza ta obraca się między rzędami fotodiod na podczerwień i fotokomórek. Sygnały z
fotokomórek są następnie wzmacniane, kształtowane i wyprowadzane na zewnątrz
przetwornika. Informacja jest w postaci równoległej, z reguły o poziomach TTL, w
naturalnym kodzie binarnym lub kodzie Graya.
Tego typu rozwiązanie daje możliwość odczytywania kąta obrotu wału przetwornika w
sposób bezpośredni, w odróżnieniu do przetwornika impulsowego, gdzie należy śledzić i
zliczać impulsy w stosunku do pewnego położenia początkowego, z uwzględnieniem
kierunku obrotu (zliczanie w górę lub w dół).
W opisanych powyżej przetwornikach obrotowych, często wyprowadzany jest dodatkowy
sygnał elektryczny, dla zaznaczenia pewnego wybranego położenia, służący do inicjalizacji
pracy urządzeń zewnętrznych współpracujących z przetwornikiem.
W przetworniku impulsowym, raz na pełny obrót pojawia się krótki impuls, nazywany
znacznikiem położenia zerowego.
Cyfrowe sygnały wyjściowe przetworników dają możliwość łatwego podłączenia do
układów mikroprocesorowych.
4
2. OPIS ĆWICZENIA
2.1. POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA IMPULSOWEGO.
Przedmiotem badań jest pomiar charakterystyki statycznej przetwornika.
Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys.2.
Rys.2. Schemat pomiarowy do badań przetwornika impulsowego.
PI - badany przetwornik
Z - zasilacz 5V
L – licznik impulsów
R - pulpit sterowniczy
Badany przetwornik PI zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy
R. W pulpicie sterowniczym znajduje się układ elektroniczny, którego zadaniem jest
identyfikacja kierunku obrotu wału przetwornika i w zależności od tego przesyłanie
impulsów wyjściowych do wyjścia P lub L, a następnie do licznika impulsów L. Przy
obrocie wału przetwornika w prawo, licznik dodaje a przy obrocie w lewo odejmuje
impulsy. Na liczniku można odczytać ilość impulsów oraz zmierzoną wartość kąta w
stopniach i radianach.
W zastosowanym w ćwiczeniu przetworniku przy pełnym obrocie wału zostaje
wygenerowanych 2500 impulsów.
Wypadkowy kąt obrotu
m
oblicza się na podstawie wskazań licznika L w/g zależności:
PI
P
R
L
Z
+5V
+
L
_
5
2500
L
360
α
m
[°] (2.1)
W ćwiczeniu należy zdjąć charakterystykę kąta zmierzonego w funkcji kąta zadanego
dla
pełnego obrotu wału, gdzie zadany kąt
odczytywany jest z podziałki kątowej naniesionej
na wale przetwornika, a następnie porównać wartość zadanego kąta
z odczytami na
liczniku i obliczonym w/g zależności (2.1).
2.2. POMIAR KĄTA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA KODOWEGO
Przedmiotem badań jest automatyczny pomiar charakterystyki statycznej
przetwornika kodowego. Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym
przedstawionym na rys.3.
Rys.3. Schemat pomiarowy do badań przetwornika kodowego.
Badany przetwornik PK zasilany jest napięciem stałym 5V poprzez pulpit sterowniczy R.
Informację wyjściową przetwornika kodowego stanowi 12 bitowe słowo w kodzie Graya.
Dzięki zastosowaniu tarczy kodowej informacja o aktualnie mierzonym kącie jest
jednoznacznie określona poprzez 12 bitowe słowo wyjściowe.
Kod Graya ma tę właściwość, że słowa reprezentujące kolejne liczby (kolejne położenie
kątowe wału przetwornika) różnią się między sobą wartością tylko jednego bitu. Aby
liczba zapisana w kodzie Graya była przydatna dla użytkownika, należy dokonać zamiany
tej liczby na liczbę w kodzie dwójkowym.
PK
R
K
Z
+5V
6
Zależność między kodem Graya (C=c
7
c
6
.......c
0
) a kodem dwójkowym ( B=
b
7
b
6
.......b
0
) jest następująca:
b
7
=c
7
b
i
= c
i
+ b
i+1
i=0,1,.......n-1
c
c
c
c
c
c
c
c
b
b
b
b
b
b
b
b
C
B
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
+
+
+
+
+
+
+
Liczba w kodzie dwójkowym może być poddana dalszemu przetwarzaniu w komputerze.
Przetwornik PK dołączony jest do komputera za pomocą karty we/wy 8255. W ćwiczeniu
należy zaobserwować na ekranie monitora przebieg charakterystyki U
wy
=f(
) dla pełnego
obrotu wału PK. Kąt zadany
odczytywany jest z podziałki kątowej umieszczonej przy
wale PK.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA.
3.1. WYKONANIE ĆWICZENIA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA
IMPULSOWEGO.
1. Ustawić napięcie zasilacza U
z
=5V.
2. Połączyć układ pomiarowy w/g rys.2.
3. Ustawić wałek przetwornika w pozycji
=0
4. Wyzerować licznik.
5. Zdjąć charakterystykę przetwornika
)
(
f
L
dla pełnego obrotu wałka.
6. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w następującej tabeli:
7
[
]
L
L[
]
L[rad]
m
[
]
0
30
360
Wykreślić zależność
=f(L).
3.2. WYKONANIE ĆWICZENIA Z ZASTOSOWANIEM PRZETWORNIKA
KODOWEGO.
Czynności wstępne:
1. Ustawić napięcie zasilacza U
z
=5V.
2. Połączyć układ pomiarowy w/g rys.3.
3. Włączyć komputer i uruchomić program C:\LAB\pomkat.exe
3.2.1. Sprawdzenie poprawności pomiaru zadanego kata.
1.Za pomocą pokrętła przetwornika PFK 75 ustawić dowolnie wybrany kąt.
2. Odczytać wartość ustawionego kąta zapisaną w kodzie Graya, w kodzie naturalnym
dwójkowym (NB) oraz z kodu NB na kąt dziesiętny (wartość kąta wyrazić w stopniach,
minutach i sekundach); wyniki wpisać do tabeli 1.
Tab.1
Kod Graya
Kod NB
Kąt odczytany
Kąt obliczony
8
3.2.2. Określenie rozdzielczości pomiaru kąta.
1. Ustawić kąt 0
tak, aby wartość kąta zapisana w kodzie NB była
(0000000000000000)
2
.
2. Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x
1
).
3. Zmienić ustawioną wartość kąta tak, aby jedynka wystąpiła na najmniej znaczącej
pozycji w słowie zapisanym w kodzie NB (0000000000000001)
2
.
4. Odczytać wartość ustawionego kąta w stopniach (x
2
).
5. Obliczyć różnicę
x = x
1
- x
2
.
3.2.3. Wyznaczanie charakterystyki błędu ustawienia kąta.
Wyznaczanie charakterystyki dokonuje się w zakresie kąta od 0
do 330
.
1. Ustawić kąt 0
(odczytany z podziałki umieszczonej na przetworniku PFK75).
2. Za pomocą klawisza S ustawić żądany skok (wyrażony w minutach).
3. Za pomocą strzałek
oraz
ustawić kąt zadany.
4. Nacisnąć klawisz Z w celu zapamiętania pomiaru w zbiorze.
5. Ustawić nową wartość kąta za pomocą pokrętła przetwornika.
6. Powtórzyć czynności opisane powyżej w zakresie kąta od 0
do 330
.
7. Nacisnąć klawisz W w celu obejrzenia wykresu błędów.
8. Nacisnąć klawisz D w celu wydrukowania wykresu.
Literatura.
1. „ Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne.” WAT, Warszawa 1988.
2. Sadowski A., Sobol J. „Metrologia długości i kąta”. WNT, Warszawa 1978.
3. B. Szumielewicz, B. Słomski, W. Styburski „Pomiary elektroniczne w technice”. WNT,
Warszawa 1982.
4. A. Chwaleba, J. Czajewski „Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych”. WPW,
Warszawa 1993.
6. „Miernictwo elektryczne. Ćwiczenia laboratoryjne”. WAT, Warszawa 1988.
7. Misiurewicz P. „Układy mikroprocesorowe”. WNT, Warszawa 1983.
8. Sadowski A., Sobol J. „Metrologia długości kąta”, Warszawa 1978.
9
Pytania kontrolne
1.Omówić budowę i własności metrologiczne przetworników potencjometrycznych.
2. Wyjaśnić wpływ obciążenia na nieliniowość charakterystyki przetwornika
potencjometrycznego.
3. Od czego zależy czułość przetworników indukcyjnych?
4. Od czego zależy dokładność pomiarów przetwornikami indukcyjnymi?
5. Wymienić zalety przetworników różnicowych.
6.Podać zalety przetworników indukcyjnych w układzie z modulacją częstotliwości.
7. Omówić zasadę działania przetworników pojemnościowych.
8. Omówić zasadę działania przetworników impulsowych i kodowych.
9.Od czego zależy rozdzielczość pomiaru przetwornika impulsowego i kodowego.
10. Co to jest kod Graya i jaka jest zależność między kodem Graya a kodem binarnym?