Простотой и компактностью характеризуются комбинаторные кодовые шкалы, имеюш,ие одну кодовую дорожку [75, 79]. Комбинаторные шкалы по сравнению с двоичными имеют более простую кодовую маску и поэтому более технологичны в изготовлении, надежны, имеют меньшие габариты и вес, общая длина комбинаторной шкалы равна 2"* (пг - число считывающих элементов, которые могут располагаться вдоль кодовой шкалы различными способами). В преобразователях угол - код применяются четыре класса комбинаторных шкал в зависимости от способа расположения ЧЭ [75]. В датчиках линейных координат на МКЭ могут найти применение только комбинаторные шкалы второго класса, где шаг расположения ЧЭ равен шагу дискретизации кодовой шкалы. Для других классов общая длина кодовой шкалы должна быть увеличена в два раза по сравнению с максимально измеряемым перемещением, и длина датчика равна длине кодовой шкалы.

В датчиках линейных и угловых координат с широким диапазоном измерения и высокой разрешающей способностью используются системы пространственных шкал, жестко связанных между собой и с перемещаемым объектом и образующих систему отсчетов, показания которых согласуются между собой.

В устройствах считывания двухмерных координат известна одна шкала - развертывающая. Она представляет собой две системы ортогональных проводников, поочередно возбуждаемых импульсами тока, и применяется в устройствах кодирования графической информации [80, 81]. Известные матричные шкалы используются в качестве носителей информации в устройствах считывания информации с пер-фожетонов и кодирующих карт [82, 83]. Такой носитель информации представляет собой матрицу Ю, геометрически совместимую с матрицей ЧЭ, содержащую тп элементов. Число комбинаций модулирующих элементов, определяемое информационную емкость устройства, равно 2™.

Комбинаторная матричная кодовая шкала позволяет по считанному коду определить координаты расположения матрицы ЧЭ и на этом основании построить датчик двухмерных координат с пассивным рабочим полем планшета. Общий объем кодируемых точек равен 2 (N - число ЧЭ в считывающей матрице).

Рассмотрим принципы построения двухкоординатной кодовой шкалы. Шкала должна обеспечивать считывание полного множества комбинаций реализуемого кода, т. е. Л4 = 2 кодов, причем считанные коды двух соседних точек в направлении х различаются значениями крайних разрядов кода. Коды каждой последующей точки образуются сдви гом предыдущего кода на один столбец или одну строку.

Если ЧЭ объединены в матрицу N = тп, где т - число cfpoK; п - число столбцов матрицы, то строки кодовой шкалы должны подчиняться законам построения линейных комбинаторных шкал. Полное множество комбинаций двоичного комбинаторного кода можно получить с помощью алгоритма Липпела и Эпштейна [75], согласно которому каждый последующий элемент кода равен предыдущему, удвоенному по модулю 2" и увеличенному на единицу, если этот элемент не

повторяет предыдущих, в противном случае единица не добавляется. После чего записываются в ряд 2" чисел, и все четные числа заменяются нулями, а нечетные - единицами.

Для построения комбинаторного кода строк матрицы модулирующих элементов составим расчетную матрицу полного множества значений п-разрядного комбинаторного кода. Число столбцов матрицы равно разрядности считанного кода п, а число строк - 2". При этом первый столбец будет соответствовать комбинаторной шкале строки матрицы модулирующих элементов. Элементы первой строки расчетной матрицы равны нулю, а каждой следующей, начиная со второй, определяются сдвигом предыдущей строки влево на один элемент, а последний справа элемент строки равен единице, если эта строка не равна предыдущим, в противном случае последний элемент равен нулю.

(4.3)

Если матрица ЧЭ содержит одну строку элементов, а N 2п, то двухкоординатную комбинаторную кодовую шкалу можно построить разбивкой линейной комбинаторной шкалы 2 элементов на п порядковых групп, образующих строки матрицы МЭ, по 2" элементов. Причем число элементов в каждой строке матрицы равно 2" -f (Л - 1), а каждая строка начинается с повторения - 1 элемента предыдущей строки:

(4.4)

Считанный комбинаторный код матрицей ЧЭ содержит N = 2п разрядов. Преобразованный код в двоичный содержит полную информацию о координатах считанной точки. Младшие п разрядов двоичного кода соответствуют координате, астаршие/г разрядов-координате г/.

Датчик двухмерных координат с однострочной матрицей ЧЭ должен содержать Л-разрядный преобразователь кодов.

Если матрица ЧЭ содержит пг строк и п столбцов, то оптимальным способом построения комбинаторной двухкоординатной шкалы является такой, при котором все строки (или столбцы) матрицы строятся по одинаковому закону

Рассмотрим принцип построения комбинаторной двухкоординааг-ной шкалы для считывания координат двухстрочной матрицей ЧЭ. Так как первая строка матрицы строится по закону построения комбинаторных линей1н.1Х шкал, то все последующие строки можно построить сдвигом основной строки на один элемент. В этом случае полное число комбинаций (число строк) будет равно числу элементов строки (числу столбцов). Но образование каждой последующей строки сдвигом предыдущей дает повторение комбинаций кодов, что нарушает основное требование построения двухкоординатной комбинаторной шкалы - получение полного множества значений двоичного кода без избытка (без повторений значений кода)

(4.5)

Так как матрица считывающих элементов двухстрочная, то каждые две строки матрицы модулирующих элементов (кодовой шкалы) могут содержать основную строку (равную первой) и другую, образованную сдвигом этой строки на р элементов, где р будет определять номер строки матрицы (или координату у):

(4.6)

Каждая строка матрицы, образованная сдвигом основной на р элементов, находится между двумя основными строками. Тогда вместе с этими строками она дает 2q комбинаций кода двух строк линейной комбинаторной шкалы, где д = Г. Поэтому общее число сдвинутых строк равно q/2, а общее число значений комбинаторного кода N = = q =z 2"", т. е. полное множество значений двоичного кода. Матрица

модулирующих элементов имеет следующий вид:

(4.7)

Для нахождения координат кодируемой точки определяются коды А к В строк матрицы считывающих элементов. Эти комбинаторные коды преобразуются в двоичный код, сравниваются между собой и по результатам сравнения преобразуются в двоичные координаты кодируемой точки. При сравнении кодов могут иметь место четыре случая:

1) если А ~ В, то X - А, у = \ \

2) при \А - В\>Т~\ если /4<В, то x=/4, у = 2(В-Л), если Л > 5, то л: = 5, у = 2{А -В)\i

3). при \А - В\<Т-\ если Л<5, тол:=В, у (4.8) = 2" -Л-1-1, если Л > В, тол:=Л, у = 2"- В; А) если Л -В= 2"-, тох=Л, у =2".

Двухкоординатная комбинаторная шкала для датчиков двухмерных координат с микрополосковыми ЧЭ изготавливается методом фотолитографии одностороннего фольгирован1Юго диэлектрика.

Шкала полного объема может состоять из отдельных частей, максимальные размеры которых ограничиваются технологией изготовления печатных плат. Поскольку части электрически не соединены между собой, то общий размер шкалы полного объема может быть как угодно большим.

Так как пространственные кодовые шкалы являются объектом, по которому определяются координаты входной величины положения, то к ним должны предъявляться высокие требования надежности функционирования и точности воспроизведения входной величины,

К шкалам ЦДК предъявляются следующие очевидные требования: высокая степень соответствия кодовой информации геометрическим размерам шкал как на этапе изготовления, так и в период эксплуатации; воспроизводимость результатов считывания на большом количе-

стве образцов, отсутствие потребления энергии для поддержания информационного состояния; нечувствительность к воздействиям внешней среды; долговечность

Проанализируем, в какой мере распространенные методы записи информации удовлетворяют этим требованиям. Широко применяющаяся в вычислительной технике запись на ферромагнитных поверхностях практически непригодна для изготовления шкал ПДК из-за низкой устойчивости к внешним воздействиям. Весьма ограниченно используются также высокоэрцигивные материалы для формирования шкал в виде постоянных магнитов [84]. Неоднородности переменного магнитного поля часто формируются прокладкой проводников с током. Таким способом исполнены шкалы индуктосинов [77], УЦК двухмерных координат [8П, вращающихся трансформаторов [69]. Несмотря на потребление энергии и необходимость подключения токоподводящих проводников, проводной метод формирования неоднородностей применяется благодаря высокой точности и воспроизводимости.

Недостатки токовых шкал устраняются при записи информации в виде оптических неоднородностей [85]. Этот способ записи удовлетворяет всем требованиям, но считывающие элементы не поддаются реализации интегральными методами. Конструктивная сложность узла считывания ограничивает применение оптической записи шкалами с небольшим числом КЭ [861.

Стационарное и переменное электрические поля редко используются для создания шкал, так как на точность записи информации существенно влияют неоднородность применяемых материалов по коэффициенту диэлектрической проницаемости и состояние внешней среды [70. 87].

Всем перечисленным выше требованиям удовлетворяет способ записи информации путем создания неоднородностей проводимости, не включаемых в электрическую цепь. Точность изготовления таких шкал основывается на прецизионных методах фотолитографии [88]. Существенное достоинство этого метода изготовления помимо низкой трудоемкости заключается также в высокой воспроизводимости при тиражировании. Экономическая эффективность метода обусловлена отсутствием потребления энергии в режиме хранения информации?что снимает ограничения на информационный объем шкал.

При данном способе записи выполняется условие высокой устойчивости к внешним воздействиям. Она основывается на высокой «контрастности». Например, при использовании металлизированных диэлектриков легко получить различие проводящих и диэлектрических участков по проводимости в 10" раз. Это соотношение незначительно ухудшается под воздействием внешней среды и в процессе старения материалов. Однако выбор метода записи является недостаточным условием для достижения высоких технико-экономических параметров известных типов шкал. Эти параметры зависят также от способа считывания.

Наиболее общей характеристикой методов считывания служит их деление на динамические и статические. Динамическое считывание производится только с подвижных носителей информации, а статиче-

ское пригодно для съема информации в диапазоне скоростей от нуля до значения, обусловленного допустимыми динамическими ошибками. Поэтому методу статического считывания следует отдать предпочтение при разработке шкал широкого применения.

Второй важной характеристикой метода считывания необходимо считать реализуемость считывающих элементов методами интегральной технологии. Выполнение этого требования важно по двум обстоятельствам: применение шкал матричного типа целесообразно при достаточно низкой стоимости производства считывающих элементов, а реализация нониусной шкалы вообще невозможна без высокой точности их взаимного расположения. Только интегральная технология удовлетворяет всем требованиям. Как указывалось выше, именно по этим причинам метод фотоэлектрического считывания нельзя считать перспективным для разработки на его основе универсальной элементной базы КЭ.

Следующей важной особенностью метода считывания, вытекающей из требования высокой надежности функционирования и долговечности шкал, необходимо считать съем информации бесконтактным образом. Всем перечисленным выше требованиям в настоящее время удовлетворяет индукционный метод считывания неоднородностей проводимости посредством микрополосковых считывающих элементов, который и положен в основу проектирования шкал на микрополосковых кодирующих элементах [4].

4.2. С

й метод ОП

модулирующего элемента по ВМХ пары чувствительных элементов

Аналого-цифровое преобразование выходного сигнала КЭ позволяет получить код перемещения при условии постоянства крутизны ВМХ и ее линейности. Практическое выполнение первого условия приводит к исключительно жестким требованиям к конструкции преобразователей в случае обеспечения одинакового расстояния между модулирующими элементами шкал [89]. Требование линейности налагает ряд ограничений на динамический диапазон цепи усиления считанных сигналов, а также на конфигурацию самого ЧЭ. Микрополосковый считывающий элемент трансформаторного типа для измерения линейных и угловых положений и перемещений имеет кусочно-линейную ВМХ (рис. 4.3) = Мх (1 -6). Такую характеристику имеет элемент, в котором в качестве модулятора используются полоски с периодом Х. При этом предполагается, что проводники, образующие считывающий элемент, бесконечно тонкие, а погонная взаимная индуктивность Л1о постоянная на всей длине параллельных участков. Так как в реальных считывающих элементах эти условия выполняются нестрого, то ВМХ имеет вид синусоидальной функции

(4.9)

e„,{x) = U„,s\n-x, S = -iMo(l-6).

(4.10)