Ввод информации с графиков

Министерство общего и профессионального образования РФ
Ульяновский Государственный Технический Университет
Кафедра “Вычислительная Техника”
Дисциплина “Периферийные Устройства ЭВМ”
Ввод информации с графиков.
Преобразователи графиков.
Выполнил студент группы ЭВМд-31
Николаев А.М.
Руководитель Куцоконь Н.С.
Ульяновск 2002
1
Основные определения и классификация.
Преобразователями
графиков
называют
устройства,
предназначенные для кодирования графически заданных функций и
выработки электрических сигналов (в непрерывной или цифровой
форме), имеющих общий с преобразуемым графиком закон изменения в
зависимости от изменения аргумента.
В общем случае график можно характеризовать распределением
коэффициента отражения (оптической плотности)
 = (x, y)
где x, y

– текущие координаты точки носителя;
- коэффициент отражения, или оптическая плотность.
Коэффициент отражения может принимать любые значения – от нуля
до единицы, оптическая плотность – от нуля до бесконечности. В
большинстве
случаев
ограничиваются
двумя
значениями
,
соответствующими
чистой поверхности и линии графика, и для
высококонтрастной записи на белой бумаге можно записать:
1
(x, y) =
0
Последнее выражение представляет собой одну из форм записи
функции одной переменной y = f(x), причем эта функция может быть
однозначной или неоднозначной. Задача преобразования такой записи
сводится к определению координат точек носителя, принадлежащих
линии графика, а также генерированию сигналов, величина которых
пропорциональна
координатам
точек
графика.
Функция
одной
переменной может быть представлена в параметрической форме:
y = y(t)
x = x(t)
причем зависимости y(t) и x(t) однозначны.
Для
преобразователей
графиков
целесообразно
в
качестве
параметров выбирать время; при этом устройство должно иметь два
выходных сигнала Uy и Ux, пропорциональных ординате и абсциссе
считываемой функции:
Uy =
1
y(t)
ky
Ux =
1
x(t)
kx
x
kx = U
x
где
y
ky = U
y
- масштабы преобразования.
2
Следует отметить, что в некоторых случаях параметром t, помимо
времени может служить любая другая величина, функции x и y от
которой являются однозначными.
Преобразователи
графиков
можно
классифицировать
по
двум
основным признакам:
1) по виду преобразуемой функции;
2) по методу преобразования.
На
рисунке
представлена
классификация
преобразователей
графиков. В соответствии с видом преобразуемой функции выделяются
следующие типы преобразователей:
1) преобразователи
графиков
однозначных
функций
одного
аргумента f(x) (записи обычных самописцев);
2) преобразователи
графиков
неоднозначных
функций
одного
аргумента f(x,y)=const (записи двухкоординатных самописцев,
чертежи, буквы и цифры, геофизические карты и др.);
3) преобразователи графиков функций двух переменных z = f(x,y)
Преобразователи
графиков
Однозначных функций
Неоднозначных
функций
Функций двух
переменных
Пространственного
кодирования
Следящего
преобразования
Развертывающего
преобразования
Как показано на рисунке, преобразователи графиков всех типов
могут быть построены на основе методов следящего и развертывающего
преобразования.
Кроме того, преобразователи однозначных функций могут быть
построены по методу пространственного кодирования.
Общим для всех типов преобразователей функций вида:
 = (x, y)
является наличие фотоэлектрического узла, в котором происходит
образование электрических сигналов, изменяющихся в соответствии с
яркостями элементов, поочередно выделяемых на носителе или его
изображении.
Яркость
выделяемых
элементов
в
этом
случае
определяется величиной коэффициента отражения или оптической
плотностью носителя.
Выделение исследуемого элемента на самом носителе или его
изображении
производится
как
электромеханическими
средствами
(сканирующий диск с отверстиями, качающееся зеркало и т.д.), так и
электронными
(световое
пятно
ЭЛТ,
телевизионная
передающая
трубка и др.).
3
Фотоэлектрический узел преобразователя
Фотоэлектрический узел (ФУ) является важным звеном конструкции
преобразователя
графической
информации.
Он
предназначен
для
преобразования величины оптического коэффициента отражения (или
плотности) в любой точке исследуемого изображения в электрическое
напряжение или ток.
ФУ на электроннолучевой трубке и фотоэлектронном умножителе
В фотоэлектронном узле преобразователя графиков данного типа в
качестве
управляемого
источника
света
используется
электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Светящееся пятно с экрана трубки 3
проектируется в плоскость носителя 1. Отраженный или проходящий
световой
поток,
пропорциональный
коэффициенту
отражения
или
плотности выделяемого элемента носителя, направляется на фотокатод
фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 5.
Световой поток фокусируется с помощью линзы 2. Луч сканирует в
направлении,
перпендикулярном
направлению
движения
носителя.
Развертка луча осуществляется с помощью генератора пилообразного
тока 4. В цепь катодов ФЭУ включается резистор R, c которого и
снимаются сигналы при прохождении лучом линии графика.
5
3
2
1
5
4
R
E
4
Рассмотренный ФУ отличается простотой, но обладает низкой
разрешающей способностью, которая определяется размерами рабочей
части экрана и светового пятна ЭЛТ.
В
настоящее
время
ведутся
работы
по
совершенствованию
параметров ЭЛТ. В частности, повышение разрешающей способности
достигается применением магнитной фокусировки (диаметр пятна равен
0,07 – 0,1 мм) или комбинированной магнитно-электростатической
фокусировки (диаметр пятна доведен до 0,03 – 0,04 мм).
Разрешающую способность ФУ на ЭЛТ можно повысить применением
волоконной оптики. Так как волокна могут изготовляться диаметром
0,02 мм, то в узлах, использующих такие волокна, можно получить
высокие разрешающую способность и точность.
Фотоэлектрическим узлам на ЭЛТ характерны недостатки: малая
интенсивность сканирующего светового пучка, его непостоянство во
времени из-за неравномерности светоотдачи люминофора, флуктуации
тока луча, послесвечение и усталость люминофора. Кроме того, к
недостаткам этого типа ФУ следует отнести наличие светозащитного
кожуха, что увеличивает его габариты и усложняет конструкцию.
ФУ на телевизионной передающей трубке
Упростить конструкцию и исключить светозащитный кожух удается,
если в фотоэлектрическом узле применить телевизионную передающую
трубку: суперортикон, видикон или кремникон, которые отличаются
друг от друга только видом фотомишени, а способ считывания
изображений у них один и тот же – модуляция тока луча.
Суперортикон
Это одна из первых трубок (после иконоскопа) предназначенная
для восприятия изображений. Суперортикон содержит полупрозрачный
фотокатод 1, на котором с помощью оптической системы 2 и
формируется изображение объекта.
1
4
Считывающий
луч
2
3
Плотность
излучаемых
им
электронов
пропорциональна
освещенности отдельных участков фотокатода и, следовательно,
исходного изображения. Далее “электронное” изображение передается
на
мишень
3.
Мишень
изготавливается
из
тонкой
стеклянной
пластинки, проводимость которой достаточна для того, чтобы
электроны, нанесенные на сторону, обращенную к фотокатоду, за
время кадра проникли на другую сторону. Разность потенциалов между
5
мишенью и фотокатодом 500 В. Таким образом, на мишени создается
потенциальный
рельеф,
который
затем
считывается
электронным
лучом 4, ток которого будет промодулирован в соответствии с
изображением: луч наносит на каждый элемент мишени отрицательный
заряд, равный по величине заряду, выбитому фотоэлектронами. При
токах фотокатода порядка 1 мкА на суперортиконе достигается
разрешающая способность до 500 лин/мм. Суперортикон чувствителен к
ударам и вибрациям, что затрудняет его применение.
Видикон
Мишень состоит из селенового фотопроводящего слоя, нанесенного
на проводящую полупрозрачную пластину. Селен обладает высоким
темновым сопротивлением, которое при освещении резко падает.
Иногда применяют стибнит.
2
Считывающий
луч
1
Rн
Uвых
В
преобразователях
графиков
на
видиконе
изображение
считываемой
кривой
проецируется
через
объектив
1
на
светочувствительную
мишень
2.
Из-за
явления
внутреннего
фотоэффекта освещенные участки полупроводниковой мишени уменьшают
свое сопротивление. Ток считывающего электронного луча замыкается
через участки мишени на Rн, с которого снимается Uвых. Разрешающая
способность ФУ на видиконах не меньше разрешающей способности ФУ с
лучшими ЭЛТ. Видиконы успешно применяют для считывания графической
информации с малоформатных носителей.
В последнее время вместо селена используют сульфид сурьмы,
которому свойственна высокая стабильность и его спектральная
характеристика близка к спектральной чувствительности зрительного
анализатора человека.
Кремникон
В
последние
3-5
лет
появились
и
стали
все
шире
распространяться
видиконы
с
мишенями
из
монокристаллических
материалов, в частности из кремния. Они получили наименование
кремниконов.
Кремниевая
мишень
кремникона
представляет
собой
тонкую,
толщиной порядка 1015 мкм, кремниевую пластину, на которой с одной
стороны изготовлена прямоугольная матрица фотодиодов (см. рис).
Фотодиоды представляют собой обычные планарные диоды. Изображение
с помощью оптической системы фокусируется на поверхности пластины,
служащей общей базой матрицы. Матрица с фотодиодами обращена в
6
сторону
электронного
прожектора.
Электронный
луч
последовательно элемент за элементом и строку за строкой.
проходит
p
Электронный
луч
n
p
Свет
p
Потенциал
луча
относительно
мишени
составляет
несколько
десятков вольт. При этом полярность приложенного к мишени
напряжения такова, что в момент касания лучом поверхности диода
диод оказывается смещенным в направлении запирания. Емкость
перехода диода заряжается до этого напряжения. Диод, находящийся в
темноте, почти полностью сохранит свой заряд, поэтому при
повторной коммутации его электронным лучом в цепи протекает
ничтожный ток дозаряда. Если диод освещен, то в промежутке времени
между кадрами емкость его перехода разрядится фототоком, и при
новой коммутации электронным лучом ток дозаряда будет большим. Эти
токи дозаряда и являются токами полезного сигнала.
ФУ с электромеханическими устройствами
Для
считывания
графической
информации
часто
применяются
фотоэлектрические узлы с электромеханической разверткой, в состав
которой входят: светооптическая система, формирующая выделяющий
растр-элемент, и развертывающее устройство, перемещающее этот
растр-Элемент
в
определенной
последовательности.
На
рисунке
показана одна разновидность светооптической системы.
2
1
ФЭУ
Д
3
Н
7
Лампа 1 через линзу 2 освещает участок носителя Н. Оптическое
изображение освещенного участка носителя с графиком проектируется
в плоскость выделяющей диафрагмы Д через которую поступает на
фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Разрешающая
способность
таких
ФУ
определяется
диаметром
отверстия диафрагмы и величиной оптического изображения участка
носителя.
Предельная разрешающая способность при этом ограничивается
разрешающей способностью объектива и по значениям может быть выше
чем в других фотоэлектрических узлах.
Развертка в этом случае осуществляется качающимся зеркалом
приводимым в движение магнитоэлектрическим вибратором.
1
ФЭУ
Л
носитель
x
y
Зеркало может не только качаться, но и вращаться вокруг своей
оси с помощью двигателя. Существуют аналогичного рода развертки с
вращением n-гранного барабана, гранями которого являются зеркала.
В современных устройствах источниками излучения кроме ламп
накаливания часто используются лазеры. А вместо фотоэлектронных
умножителей используют линейки или матрицы полупроводниковых
фотоприемников.
8
Устройства развертывающего преобразования
При
развертывающем
методе
преобразование
непрерывной
графической функции
y = f(x) осуществляется с помощью ряда
последовательных во времени измерений дискретных значений ординат
этой
функции.
Устройства,
реализующие
данный
метод,
можно
представить обобщенной структурной схемой, приведенной на рисунке.
y(x)
)
НО
ИУ
Вых
y1(t)
y
y1(t)
y(x)
БУ
а)
t
)
t*
)
T
б)
Уравновешивающая функция y1(x) от блока уравновешивания (БУ),
отражая движение развертывающего элемента преобразователя по
поверхности носителя или его оптическому изображению, периодически
(обычно по линейному закону) изменяется в пределах всех возможных
значений y(x).
В момент равновесных состояний y(x) = y1(t) нуль-орган (НО)
вырабатывает
импульсы-отметки,
используемые
в
исполнительном
устройстве
преобразователя
(ИУ)
для
формирования
выходного
электрического сигнала в цифровом или аналоговом виде. Время,
отсчитанное от начала цикла измерения до появления импульсаотметки,
пропорционально
ординате
измеряемой
функции
(фазоимпульсная модуляция).
При развертывании по линейному закону y1(t) = c·t в момент
равновесия имеем:
y(x)–y1(t) = y(x) – c·t* = 0
откуда:
t* =
1
y(x)
c
Полное время цикла измерения (период) равно T.
9
Переход от одной строки развертки к следующей осуществляется
либо подачей носителя с графиком, либо перемещением вдоль оси
абсцисс развертывающего элемента.
Блок уравновешивания и нуль-орган конструктивно объединяются в
фотоэлектрическом узле преобразователя (ФУ).
Обычно в развертывающих устройствах узел ФУ генерирует
несколько управляющих сигналов:
ИО
– импульс-отметку в момент пересечения растр-элементом
линии графика или ее оптического изображения;
ИНИ – импульс начала цикла измерения;
ИКИ – импульс конца цикла измерения;
Импульсы-отметки формируются с помощью нуль-органов.
Импульс ИНИ получают по-разному в зависимости от требований к
точности преобразования графиков. В устройствах средней точности
момент
его
формирования
можно
синхронизировать
с
началом
развертки.
В устройствах высокой точности целесообразно для формирования
ИНИ проводить на носителе опорную (базовую) линию, которая
пересекается растр-элементом наряду с основной линией графика.
Отраженный
световой
поток
от
базовой
линии
воспринимается
отдельным светочувствительным приемником, на выходе которого
генерируется импульс начала цикла.
В ФУ, реализующих выделение исследуемого элемента носителя в
плоскости его оптического изображения, основная и базовая линии
считываются одной диафрагмой. Возникающие на выходе общего
фотоприемника ИО и ИНИ легко разделяются схемой, показанной на
рисунке.
&
ИО
В2
&
В1
1
0
ИНИ
СИ
ИНИ
+ИО
“0”
ИНИ
ИО
t
t
“1”
T
ЛЗ
ИНИ
tлз
t
t
t
СИ
ИНИ + ИО
ИО
t
t
10
В
схеме
используются
дополнительные
синхроимпульсы
СИ,
получаемые от датчика прямого хода развертки.
В момент прихода СИ триггер Т устанавливается в состояние “1”,
вентиль В1 открывается по потенциальному входу, и через него
проходит импульс ИНИ.
Через время tлз задержанный импульс ИНИ устанавливает тригер Т
в состояние “0”. Теперь откроется вентиль В2, с помощью которого
выделяется импульс ИО.
Импульс конца цикла измерения ИКИ обычно связывают с концом
прямого хода развертки. Так как он в большинстве случаев
используется для управления, а не для измерения, то требования к
стабильности его временного положения ниже, чем, например, у ИНИ.
Тип исполнительного устройства преобразователя выбирают в
зависимости от требований к форме представления выходных сигналов
устройства. Дискретное представление выходного сигнала наиболее
легко осуществляется с помощью время-импульсной схемы подсчета
числа счетных импульсов за интервал времени t*. Одна из возможных
схем такого типа приведена на рисунке.
цифровой код
&
ГИ
&
&
...
Сч
t
1
ио
НО
“0”
1
ТУ
ини
&
ину
БУ
ФУ
ики
11
Импульс ИНИ поступает на триггер управления Ту, который
разрешает прохождение счетных импульсов генератора ГИ через
конъюнктор на вход счетчика Сч. В момент прихода импульса-отметки
Ту перебрасывается, количество импульсов, прошедших на Сч является
дискретной мерой величины временного интервала t* и соответствует
ординате графика. Действительно, пусть уравновешивающий сигнал
y1(t) изменяется по линейному закону со скоростью C:
y1(t) = c·t
В момент времени t* наблюдается равенство:
y(xi) = y1(ti*) = c· ti*
где y(xi) – значение ординаты графика при очередном аргументе xi
Отсюда находим величину измерительного интервала на i-й развертке:
ti* =
1
c
y(xi)
Генератор импульсов вырабатывает сигналы с постоянной частотой
fси = const
поэтому выражение для кода на счетчике имеет вид:
Ni = ti*·fси =
Скорость
изменения
соотношения:
C =
где
y(x)max
∆y
L
fси
y(xi)
c
уравновешивающего
сигнала
выбирают
из
fси· y(x)max · ∆y
L
– максимальная ордината графической функции;
- шаг квантования по уровню;
- ширина носителя.
Импульс ИКИ используется для выдачи кода со счетчика по
выходным шинам и с небольшой задержкой установления триггеров
счетчика в исходное состояние. Предполагается, что при включении
преобразователя с помощью импульса начальной установки ИНУ, Ту и Сч
были установлены в начальное положение. Если момент начала
измерения не синхронизирован с работой ГИ, вероятен случай, когда
импульс с ГИ окажется совмещенным во времени с переключением Ту в
начале измерения и в конце его так, что будут “потеряны” два
счетных импульса и абсолютная ошибка измерения составит ∆ = 2∆y.
Эта
приборная
ошибка
не
должна
превышать
заданную
ошибку
измерения, обычно выражаемую в процентах:
δ =
∆
y(x)max
· 100%
12
Поэтому шаг квантования по уровню ∆y выбирают исходя из заданной
ошибки δ%:
δ% · y(x)max
∆y ≤
200
Выбор величины ∆y должен быть связан также с разрешающей
способностью
фотоэлектрического
узла.
Пусть
растр-элемент
перемещается со скоростью C, его диаметр равен d, а толщина линии
графика равна h (обычно h>d).
t
y
d
h
τ
ρ
C
ρmax ρп
ρmin
x
При
пересечении
растр-элементом
линии
графика
коэффициент
отражения изменяется не скачкообразно, а плавно меняет значения в
интервале [ρmax, ρmin]. Характер перехода от ρmax к ρmin и обратно не
определен, так как зависит от многих случайных факторов: степени
размытости и контрастности линии графика, неравномерности фона,
искривленности
основы
носителя,
положения
линии
на
поле
носителя и т.д. Поэтому выбирают некоторый пороговый уровень ρп,
при достижении которого формируется импульс-отметка. Этот момент
также случаен и лежит в интервале τ = d/c, следовательно, выбор
слишком малого значения ∆y не имеет смысла, поскольку сам момент
измерения точно не определен. Практически величину ∆y выбирают
несколько меньше d. Следует иметь в виду, что при значительных
углах наклона кривой интервал τ увеличивается, обычно заданная
точность гарантируется до определенного угла наклона кривой. Для
увеличения точности получают два импульса-отметки: при заходе
растр-элемента на линию и при сходе с нее, то есть измерять
толщину кривой и половину этого значения прибавлять к значению,
полученному уже рассмотренным способом.
При выбранном шаге квантования ∆y емкость счетчика (число
разрядов) находят из условия:
Nсч = log2
y(x)max
∆y
13
Частота генератора счетных импульсов fси может быть определена при
известном максимальном числе импульсов в пачке
nmax =
и заданном времени
величину y(x)max:
y(x)max
∆y
максимального
tmax =
y(x)max
C
fси =
nmax
tmax
отклонения
растр-элемента
на
, то есть:
Шаг квантования ∆x по второй координате выбирается в соответствии
с теормой Котельникова, то есть интервал измерения T должен
удовлетворять условию:
T <
1
2 fв
,
где fв – верхняя частота в спектре, на который может быть разложена
функция.
Растровое
представление
документа,
например,
формата
840x600 мм даже при двухградационном изображении и шаге 0,1 мм
занимает объем около 5 Мбит, поэтому для уменьшения объемов
хранимой информации с помощью специального программно-аппаратного
блока изображение переводят в векторную форму.
В
общем
случае
траектория
растр-элемента
может
быть
произвольна, не обязательно линейна, кроме того, во многих случаях
развертывающее движение совершается без остановки движения по
координате x.
Рассмотренные преобразователи графиков имеют много общих
блоков
с
обычным
аналого-цифровым
преобразователем
времяимпульсного типа. Поэтому ряд рекомендаций по повышению точности
аналого-цифрового преобразователя достаточно хорошо изложенных в
литературе может быть успешно использован при проектировании
преобразователей графиков.
14
Устройства следящего преобразования
При
следящем
методе
преобразование
непрерывной
функции
y = f(x) осуществляется совмещением положения развертывающего
элемента с кривой на носителе (его оптическом изображении), при
этом координаты положения растр-элемента соответствуют ординатам
считываемого графика. Структурная схема устройства следящего
преобразования показана на рисунке а). Она имеет вид замкнутой
системы регулирования.
В качестве считывающего органа чаще всего используется
электронный
луч,
который
непрерывно
совмещается
с
линией
потенциального рельефа мишени. Электронный луч принудительно
смещается по оси ординат в соответствии с ходом считываемой
кривой f(x), а на выходе устройства вырабатываются электрические
сигналы,
отображающие
изменения
ординат
кривой
графика.
Измерительный элемент ИЭ определяет изменение взаимного положения
проекции кривой графика и считывающего органа
∆y = y(x) – yос(x)
Сигнал
рассогласования
следящей
системы,
обратно
пропорциональный площади перекрытия пучка и линии потенциального
рельефа, обычно измеряется по отношению к краю линии графика и
равен:
ξ
∆y =
,
cos α
где
ξ
-
α
-
смещение центра считывающего луча относительно
линии потенциального рельефа;
угол между линией потенциального рельефа и
направлением перемещения носителя (см. рис б))
y
y(x)
ИЭ
∆y
УУ
Uвых
∆y
r
m
α
yос(x)
ИУ
а)
ξ
yос
y
x
б)
В
противоположность
развертывающему
величин y и yос взаимосвязаны.
преобразованию
изменения
15
Максимальная величина ошибки рассогласования равна:
∆ymax =
z
cos α
= z
1 + tg2 α
где z – радиус растр-элемента.
Так как tg(α) равен производной
∆ymax = z
1 +
dy
dx
y’ =
dy
dx
, то
2
Это выражение показывает, что ошибка растет при увеличении
угла наклона кривой, не зависит от абсолютного значения измеряемой
ординаты.
Эта
ошибка
называется
статической
ошибкой
преобразования. Так как растр-элемент движется со скоростью V и по
координате x, то имеет место динамическая ошибка ∆x = V·τ,
где τ - время отклонения растр-элемента на ∆y. Эту ошибку еще
называют ошибкой запаздывания, она приводит к “сглаживанию” линии
графика. Эта ошибка зависит как от вида функции (сильно
сказывается в местах разрыва), так и от скорости отклонения растрэлемента, то есть от быстродействия фотоэлектрического узла.
Сигнал рассогласования ∆y в цифровой или непрерывной форме
поступает
на
управляющее
устройство
УУ
преобразователя,
вырабатывающее управляющее воздействие Uвых. В зависимости от
требований к форме представления выходных сигналов преобразователя
в устройстве УУ используются электронные усилители и интеграторы
или реверсивные счетчики и преобразователи кода в напряжение.
Под влиянием управляющего воздействия Uвых, исполнительное
устройство следящей системы перемещает растр-элемент, компенсируя
его сползание с линии графика. Ошибка ∆y уменьшается.
Конструктивно исполнительное устройство ИУ и измерительный
элемент
ИЭ
объединяются
в
фотоэлектрическом
узле
преобразователя ФУ.
Функциональная схема следящего преобразователя с цифровым
выходом и непрерывным слежением приведена на рисунке.
16
цифровой код
ГИ
&
&
... &
& В0
&
+
В1
&
Сч Р
-
В2
...
ДК2
ТУ
ДК1
∆y
ИЭ
Ц / А
ИВК
1
ИУ
ИНУ
t
Uк
ФУ
Фотоэлектрический
узел
преобразователя
вырабатывает
разнополярный сигнал ошибки ∆y и импульсы выдачи кодов (ИВК)
ординат, расположенных на определенном расстоянии одна от другой.
Импульс ИВК синхронизирован с шагом подачи лентопротяжного
механизма. Сигнал ошибки ∆y подается на дискриминаторы ДК,
управляющие двумя вентилями В1 и В2, через которые счетные
импульсы от генератора ГИ проходят на реверсивный счетчик СчР.
Вентили открываются поочередно в зависимости от знака сигнала
ошибки ∆y. Через вентиль В1 осуществляется суммирование числа
поступающих импульсов с кодом в счетчике, через вентиль В2 –
вычитание.
С
помощью
цифро-аналогового
преобразователя
Ц/А
вырабатывается ступенчатое напряжение Uк, которое в качестве
управляющего воздействия подается на исполнительное устройство
фотоэлектрического узла.
Дискриминаторы могут быть построены на основе усилителей
постоянного тока (УПТ), выходные каскады которых под действием
сигналов ошибки соответствующей полярности запираются.
Дискриминатор
любой
конструкции
характеризуется
порогом
срабатывания или чувствительностью ∆. Если сигнал ошибки |∆y| ≥ ∆,
то открывается один из вентилей В1 или В2, и код в счетчике
изменяется. Если же |∆y| < ∆, вентили закрыты, и импульсы
заполнения в счетчик не поступают.
Характер слежения за линией графика зависит от соотношения
порога срабатывания дискриминатора ∆ и шага дискретности по
ординате ∆y*. Текущая ошибка слежения ∆ в каждый момент времени не
превышает величины ∆y*, если соблюдается условие:
k1·∆y*
2
< ∆ < k1·∆y*
или
∆y*
2
< δ < ∆y* ,
17
где
δ =
k1
-
коэффициент преобразования измерительного
элемента;
∆
k1
-
относительный порог срабатывания дискриминатора.
Следует отметить, что стремление уменьшить ∆ без учета
значений k1 и ∆y* приводит к нарушению последнего неравенства снизу
и к колебательному процессу установления кода в счетчике.
Остановка счетчика СчР на время выдачи кода из преобразователя
осуществляется с помощью вентиля В0 и триггера управления ТУ.
Импульс ИВК перекрывает вентиль В0 в цепи счетных импульсов с
генератора ГИ в счетчик СчР и с небольшой задержкой используются
для выдачи кода и установки в исходное состояние триггера
управления. Цифровой же код в счетчике сохраняется.
Рассмотренные автоматические преобразователи графиков могут
подключаться
к
машине
как
непосредственно,
так
и
через
промежуточный носитель.
Наряду с автоматическими преобразователями графиков широкое
распространение получили полуавтоматические устройства, в которых
оператор, проанализировав чертеж, выделяет элементы, подлежащие
кодированию, путем установки рабочего органа (РО) устройства в
определенные точки чертежа. В таких устройствах автоматизируется
лишь процесс вычисления координат точек чертежа, указанных
оператором.
По методу связи рабочего органа с измерительными элементами
полуавтоматические устройства разделяются на электромеханические,
акустические, электрические.
Электромеханические устройства
Основой электромеханических устройств является механическая
координатная система, представляющая собой стол, с перемещающейся
по одной координате траверсой. По траверсе перемещается каретка с
указателем координат. Координатная система механически связана с
датчиками перемещение-код. Чаще всего эти датчики электромагнитные
(линейные
индуктосины,
сельсины,
синусно-косинусные
трансформаторы) или оптомеханические (кодовые диски, муаровые
линейки, интерферометрические датчики, муар-ткань с волновым
блеском). Электромеханические устройства отличаются повышенной
точностью (точность измерения координат до 0,01 мм при рабочем
поле более 1 м), что позволяет использовать их как поверочное
(технологическое оборудование).
18
Акустические устройства
Акустические полуавтоматические устройства ввода графической
информации по методу считывания подразделяются на звуковые и
ультразвуковые. Принцип работы звуковых устройств заключается в
возникновении
ударной
звуковой
волны
при
пробое
искрового
промежутка между РО и точкой рабочего поля. РО конструктивно
выполнен с небольшим зазором в виде двух электродов. По двум
перпендикулярным
сторонам
рабочего
поля
установлены
длинные
конденсаторные микрофоны М.
y
lx
РО
ly
М
x
При помощи электронной схемы определяются расстояния lx и ly от
микрофонов до места образования искры, зная время и скорость
распространения
звука
в
среде.
Могут
устанавливаться
и
пьезоэлектрические точечные микрофоны, в которых время нарастания
импульса
не
превышает
1
мс,
что
обуславливает
абсолютную
погрешность измерения координат точки в воздушной среде не
более 0,34 мм.
Для
повышения
точности
измерения
необходимо
проводить
периодическое определение скорости звука, поскольку на величину
последней влияют температура, давление и другие факторы окружающей
среды. Если требуется особо высокая точность определения координат
изображения, то необходимо учитывать, что скорость распространения
ударной
звуковой
волны
на
расстоянии
нескольких
десятков
миллиметров от центра искрового пробоя выше скорости звука
(1÷5) км/c.
Преимущества
конденсаторных
микрофонов
по
сравнению
с
пьезоэлектрическими заключаются в том, что они позволяют получить
более сильный выходной сигнал и исключить зависимость выходного
сигнала от расстояния, более просты в изготовлении и имеют
невысокую стоимость.
Достоинство
звуковых
устройств
–
их
простота.
Однако
существенными
недостатками
являются
наличие
в
РО
высоких
напряжений, нестабильность скорости, потери энергии звуковой волны
в
зависимости
от
изменения
параметров
окружающей
среды
и
расстояния. Такие устройства используют планшеты менее 500x500 мм
и допускают ошибку до 0,25÷0,5 мм.
19
Большей стабильностью отличаются ультразвуковые устройства, в
которых
вместо
микрофонов
устанавливаются
пьезоэлектрические
преобразователи из титаната бария, рабочее поле представляет собой
стеклянную пластинку, а РО также является пьезоэлектрическим
преобразователем.
Частота
импульсов,
направляемых
на
преобразователи,
более
10
кГц
при
максимальной
скорости
перемещения РО 0,5 м/сек. Ультразвуковая волна распространяется по
стеклу со скоростью 2·104 м/сек. Большая стабильность этого метода
измерения позволяет использовать в качестве рабочего поля планшеты
значительных размеров. В некоторых зарубежных устройствах материал
планшета обладает магнитострикционными свойствами. При возбуждении
ультразвуковой
волны
внутри
предварительно
намагниченного
магнитострикционного материала в месте прохождения фронта волны
намагниченность изменяется. Это изменение напряженности магнитного
поля улавливается катушкой индуктивности, расположенной в РО.
Электрические устройства
Электрические
полуавтоматические
устройства
по
элементам
восприятия подразделяются на индуктивные, емкостные и контактные.
В электрических устройствах рабочее поле, как правило, разбито
сеткой проводников (Сеточный планшет).
В индуктивных устройствах импульсы стабильной частоты f
поступают
на
счетчики
СчX
и
СчY,
и
через
дешифраторы
последовательно во времени возбуждаются поочередно шины X, а
затем Y.
f
Y
Дш
...
СчY
РО
X
Дш
f
...
СчX
Счет координат производится в той же последовательности. Если РО
находится над шиной рабочего поля, в которой в данный момент
протекает ток, то в его катушке наводится ЭДС и схема управления
обеспечивает
последовательное
прекращение
заполнения
соответствующих счетчиков. Количество импульсов, зафиксированных
счетчиками, соответствует координатам точки расположения РО над
рабочим полем.
20
В емкостных устройствах высокочастотный модулированный сигнал
питающего напряжения прикладывается к узким линейным шинам по
периметру планшета и распространяется по его поверхности. Питающий
сигнал схемой управления подается таким образом, чтобы градиент
напряжений возникал попеременно параллельно то оси OX, то оси OY.
Внутри РО расположен колебательный контур с высоким входным
сопротивлением, воспринимающий импульсы от координатных шин.
В контактных устройствах дискретного действия имеется две
системы проводящих шин, перпендикулярных друг другу, с малым
воздушным зазором. Так, в некоторых устройствах панель состоит из
двух листов стеклоткани толщиной 0,1 мм, на которых расположены
нормально друг другу медные проводники. В результате получается
сетка, между листами помещается тонкая полиэфирная пленка с
отверстиями, расположенными точно напротив пересечений сетки. При
касании острия карандаша на носителе над пересечениями сетки
происходит замыкание соответствующих вертикальных и горизонтальных
проводников, что приводит к срабатыванию электронной схемы.
Несмотря на простоту электронной схемы управления, эти
устройства не получили широкого распространения из-за их низкой
разрешающей способности.
Производительность таких устройств – примерно 20 точек в
минуту, в то время как при работе с другими устройствами оператор
может обеспечить скорость 60 точек в минуту.
Хотя
акустические
и
электрические
полуавтоматические
устройства
по
точности
более
чем
на
порядок
уступают
электромеханическим устройствам, однако их простота и низкая
стоимость позволила эффективно использовать эти устройства в
составе интерактивных графических комплексов в качестве дисплейных
планшетов. Основное назначение этих устройств состоит в управлении
перемещением маркера на экране графического дисплея и вводе
смысловой информации с бланков “меню”, которые размещаются на
рабочей
поверхности
планшета.
Дисплейные
планшеты
оказались
значительно более удобными в работе, чем используемые ранее
рычажный (джойстик) и шаровой (трекбол) указатели перемещений, а
также световое перо, так как при работе с планшетом оператор
производит действия, аналогичные тем, которые он привык делать при
рисовании или письме на обычной бумаге обычной ручкой и ему не
требуется вырабатывать специальные навыки для работы с такими
устройствами.
21