في الشكل 1، لتقليل تأثير تغيرات المسافة المكانية المنتظمة في إشارة الخرج على قناة جيدة، تم تحسين وضع رأس القراءة. قد تتسبب هذه التغييرات في تحرك رأس القراءة على طول دليل ميكانيكي غير مثالي. عند التحرك لأعلى ولأسفل في الوضع المتماثل، يتم تثبيت الإلغاء الأول. وبالمثل، من خلال ضمان التماثل الصحيح على الجانب الأيسر من النمط، يتم إمالة التأثير غير الحساس للخرج على محور الإحداثيات.
يؤثر إمالة لوحة الاستقبال لمستقبل موجة مربعة الوضع الخشن (الشكل 3ب) حول المحور الموازي لمحور الحركة على توازن الجزأين العلوي والسفلي لجهاز الإرسال؛ وبالتالي، يؤثر على توازن مخرجات الجيب وجيب التمام. لتقليل هذا التأثير، استُخدمت الاستراتيجية الموضحة في الشكل 5، حيث انعكست القضبان الرأسية لناقلات الجيب وجيب التمام ورُبطت بخط الوسط، لذا استُخدم قضيبان رأسيان متتاليان كتعويض.
3. فترة زمنية وتداعياتها
خلال فترة زمنية معينة، لا يكون النظام البصري مناسبًا لتوليد أنماط متكررة بدقة. ويرجع ذلك إلى أن دقة نمط الموجة الجيبية المُولّد محدودة، على الأقل وفقًا لمستوى التدرج الرمادي غير الخطي لوسط الصورة. من حيث المبدأ، يُمكن تجنب هذا القيد من خلال توليد موجات جيبية ثنائية المستوى وتقريب تعديل عرض النبضة، إلا أن وضع التصوير سيُصبح عبئًا ثقيلًا فيما يتعلق بتوضيح التجانس والاستجابة له. ستُحدّ القيود المختلفة من طول فترة نمط الموجة الجيبية المُولّد بواسطة الحيود.
يخضع المجال الكهروستاتيكي لقواعد مختلفة، ويمكن توليده افتراضيًا في أي دورة. في المكثف ذي اللوحين المتوازيين، يكون المجال الكهربائي موحدًا. بالإضافة إلى جهاز الحافة الذي يصبح حافته، يصغر جهاز الحافة نظرًا لتناقص النسبة إلى حجم اللوحة. لذلك، قد لا يتضمن المكثف ذي اللوحين المتوازيين مكونات تصبح أصغر من اللوحات المنفصلة، ويكون وضع المجال الكهربائي محدودًا في الطول بدلًا من مجرد تقصير الدورة.
سيوفر مُشفِّر الضوء الحيودي موجة جيبية، والتي يُمكن نظريًا إدخالها إلى ما لا نهاية. ومع ذلك، عمليًا، تُحدّ العيوب التالية من عمق الإدخال:
إزاحة التيار المستمر،
عدم تطابق السعة،
نغمة السبائك،
يشير هذا إلى أن خرج موجات الجيب وجيب التمام قد يُنتج عنه خطأ يتكرر مرة واحدة في كل دورة (دورة كهربائية)، إلا أن عدم تطابق السعة سيؤدي إلى خطأ يتكرر مرتين في كل دورة. ومع ذلك، وبسبب هذه الأخطاء، يُمكن تعويض التشوه التوافقي إلى حد ما، ويتم توليد تدفق إشارة الجيب وجيب التمام في ثنائيين ضوئيين منفصلين ومقياسي حرارة، يمكن الحفاظ عليهما ضمن نطاق درجة حرارة محدود. من ناحية أخرى، نظرًا لقصر فترة تشغيل المُشفِّر البصري، فإنه لا يزال يوفر دقة ووضوحًا مهمين، ويُشار إلى عدم الاكتمال المذكور أعلاه على أنه مجرد خطأ في التقسيم الفرعي.
تختلف المشفرات الخطية الكهربائية عن المشفرات الضوئية في بعض الجوانب، ويتمثل الاختلاف الأكبر في طول الفترة، وهو طويلٌ جدًا (في ميلر مقابل ميكرومتر فيس). لتحقيق دقة تُضاهي دقة المشفرات الضوئية، يلزم عامل استيفاء (عمق التكميم) أعلى بكثير، ويجب أن تكون المخرجات الجيبية للمشفر الكهربائي أكثر دقةً بشكل ملحوظ. ولحسن الحظ، تُمكّن العوامل المعنية من ذلك، كما يلي:
تعتمد جودة لوحات الإرسال والاستقبال على عملية إنتاج تصوير فوتوغرافي دقيقة بطبيعتها،
يلعب تأثير الحافة دورًا إيجابيًا من خلال تقليل التشوه التوافقي - في مساحة التوهين العالي في مجال الموجة الجيبية.
حجم المنطقة التفاعلية بين رأس القراءة والمقياس مرن. يمكن زيادة طول رأس القراءة إلى أقصى حد، حسب التطبيق، عن طريق تقسيم العديد من الدورات بالتساوي وتحسين الدقة.
قبل إزالة التعديل، يتم محاكاة إشارة الخرج وتشارك في لوحة استقبال مشتركة وقناة معالجة، وبالتالي فهي أقرب إلى المثالية من حيث تحيز التيار المستمر، ومطابقة السعة، والتشويه التوافقي، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، وهي أيضًا مستقرة عند درجة حرارة معينة.
الإرشادات العملية طويلة المدى وترددات الإشارة المنخفضة ذات الصلة هي:
لا توجد حاجة لفهرسة الموضع، وحتى مع وجود توقف ميكانيكي مع قدرة جيدة على التكيف، فإن السفر المتحكم به في الإصدار المتزايد كافٍ لتحديد فترة الإنهاء التي يمكن تحديدها من موضعها المطلق،
تقليل الأخطاء الديناميكية والتغيرات الطورية الطفيلية،
تقليل معدل أخذ العينات عندما لا توجد أخطاء في الحلقة عالية السرعة،
تقليل تداخل PWM الحساس المجاور واحتلال منطقة طيفية منفصلة،
في الأساس، لا يوجد تعارض بين الطريق السريع والحل - كما هو موضح أدناه
تتطلب الدقة زيادة زمن استجابة قناة جيدة على مقياس من قناة تقريبية، أي عندما يصبح المقياس أطول، يصبح زمن استجابة قناة جيدة أقصر. لتقليل هذا المتطلب، سيتم تقليل التغييرات الموضحة تخطيطيًا في الشكل 6، مع عدة دورات نمطية تقريبية على طول المقياس. لتجنب القراءة غير المؤكدة، يتم تعديل سعاتها خطيًا ويتم حساب المواضع التي تعتمد على عدد أنماط جيب التمام التقريبية واستخدامها لتحديد دورات الأنماط التقريبية. ومع ذلك، تعتمد أهمية المتجهات أيضًا على الفرق بين رأس القراءة والمقياس - مما قد يؤدي إلى أخطاء جسيمة. يتم تعويض هذا الخطأ بناءً على حقيقة أن أهمية متجه القناة الجيد مستدامة طوال فترة التشغيل بأكملها لفجوة محددة. لذلك، من أجل تصحيح الإشارة في الوضع التقريبي، يمكن أن يكون بمثابة قياس الفجوة.
الشكل 6 تعديل السعة للوضع الخشن
4. نسبة الإشارة إلى الضوضاء
يوضح الشكل 7 نموذج الضوضاء للمُشفِّر الكهربائي الخطي، حيث Cf=10pF هي سعة التغذية الراجعة لمُضخِّم التكلفة، وCs هي سعة لوحة الاستقبال، وCp هي سعتها الطفيلية للطبقة المؤرضة خلفها. على رأس قراءة 25×60 مم، تبلغ مساحة لوحة استقبال القناة ذات الموجة الجيبية الجيدة 7 سم². تبلغ المسافة المُثلى بين لوحة الاستقبال ولوحة الإرسال 4 ملليمترات، وتُعامل خلال هذه الفترة على أنها 1 ملليمتر وفقًا لطول الفترة، مما ينتج عنه C=5pF. اللوحة المخفية هي طبقة داخلية في لوحة دائرة مطبوعة، بثابت عزل 4.5 ومسافة 0.5 ملليمتر تفصل عادةً راتنج الإيبوكسي الزجاجي، مما ينتج عنه Cp=45pF.
الشكل 7 نموذج الضوضاء للمشفر الكهربائي الخطي
المصدر الرئيسي للضوضاء هو المراحل الأولى من تشغيل مُضخِّم التكلفة. يُحسب اكتساب الجهد لمُضخِّم التكلفة المثالي بـ - C/Cf -، وهو مُشتق من نسبة السعة إلى سعة التغذية الراجعة، بافتراض مقاومة تغذية راجعة لا نهائية. عمليًا، تُستخدم مقاومة 10M Ω، وتُزاد قيمتها الفعالة عن طريق توفير جهد خرجها (غير موضح) عبر مُقسِّم جهد مقاوم، مما يجعل تأثيرها في استجابة التردد ضئيلًا.
يمكن الحصول على كثافة ضوضاء جهد خرج مكبر الصوت الإجمالي عند [2]، [3]
4kT/Rf (في الشكل 7) هي ضوضاء جونسون لمقاومة التغذية الراجعة، حيث k=1.38x10-23 وT=300o. القيمة الإجمالية لـ Rf=10MO هي 1.6x10-27 [A2/Hz]. في الحالة 2، توجد مرحلة إدخال FET ذات تردد يتراوح عادةً بين 10-28 [A2/Hz]، وهو أمرٌ يُهمَل مقارنةً بالضوضاء الحرارية - فالتشغيل بتردد 10 كيلوهرتز سيؤدي إلى كثافة ضوضاء خرج تبلغ 4x10-15 [V2/Hz].
بالنسبة لمضخم ومكثف علوي بجهد مصدر ضوضاء en=10nV/√Hz، ستكون كثافة ضوضاء المصدر الثاني 3.6x10-15 [V₂/Hz]. يُفضل أن تكون كثافة ضوضاء الخرج الكلية عند تردد 10 كيلوهرتز 8x10-15 [V₂/Hz].
إذا كان تردد قطع مرشح الترددات المنخفضة الموضح في الشكل 2 (وهو أيضًا عرض نطاق إشارة خرج المُشفِّر) هو f0، فإن إشارة تعديل السعة الصادرة عن مُضخِّم التكلفة ستشغل نطاق ترددي fc ± f0. ستنتقل الضوضاء العشوائية ضمن نطاق التردد 2f0 إلى النطاق الأساسي عند فك التعديل المتزامن، وسيتم ضبط دقة الحد الأقصى للمستشعر. سيكون عرض نطاق الضوضاء عند f0 = 1 كيلوهرتز 2 كيلوهرتز، وسيكون خرج الضوضاء الجذري التربيعي قبل المُضخِّم 4 ميكروفولت.
إذا كانت الموجة الحاملة موجة مربعة، فيجب إضافة مساهمة الضوضاء عند الفاصل بين الترددين التوافقيين الثالث والخامس المحيطين بنا. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض مساهمة الضوضاء الحرارية، فإن الضوضاء المضافة في فوائد مُفكك التضمين المتزامن (1/3 و1/5، بناءً على معاملات فورييه) تكون ضئيلة.
جهد إشارة خرج مضخم التكلفة هو Vs Cs/Cf، ولجهد إثارة من الذروة إلى الذروة Vs=5V، يكون 2.5V. أقصى قيمة لإشارة المودم (تصحيح الموجة الكاملة) هي 1.25V، ونسبة الضوضاء إلى RMS هي 3x105.
كما هو معروف، تتجاوز الضوضاء العشوائية الغوسية 3.3 أضعاف قيمتها التربيعية المتوسطة، وزمن التربيعية المتوسطة لا يتجاوز 0.1%. في الواقع، لا يمكن أن تتجاوز 4 أضعاف قيمتها التربيعية المتوسطة. وينطبق الأمر نفسه على الإشارات العشوائية الديناميكية، التي تُعامل بأمان على أنها ¾ × 10-57 × 10، أي ما يعادل 16 بت.
4. الواجهة الكهربائية، معالجة الإشارة، الدقة، السرعة
يستهلك المُشفِّر الخطي تيارًا قدره 5 مللي أمبير، ومصدر تيار مستمر أساسي +5 فولت للتشغيل. يعود هذا الانخفاض غير المعتاد في قيمة التيار إلى حمل المكثفات منخفضة النطاق، وانخفاض تردد الإثارة (10 كيلو هرتز)، ودوائر معالجة CMOS.
إشارات الخرج للجيب وجيب التمام تكون عادةً 2 فولت من الذروة إلى الذروة، ويكون كل وضع مختلفًا، بينما يتم تقليل ضوضاء الوضع المشترك الأخرى إلى زوج مكمل. بعد رقمنة إشارات الفرق، يتم تحويلها إلى إشارات رقمية. تعتمد خوارزمية التحويل على جدول البحث المماس. ويستند هذا إلى حقيقة أن جميع أشكال موجة الجيب تحتوي على 8 انعكاسات و/أو تحويلات متكررة من نفس النمط. يمكن عرض ذلك في تمثيل الزاوية الثنائية كزاوية محسوبة إضافية مكونة من 3 بتات (البت الأول يمثل 180 درجة). يوفر محول A/D ذو n بت n-2 بت فائدة (باستثناء بتات العلم و LSB). أريد إخراج دقة الزوايا الثنائية، لذا فهي n + 1 بت. يمكن بناء جميع خوارزميات التحويل على [4].
وفقًا لما ورد أعلاه، يتم دمج مقياس 4 ملليمترات لكل دورة مع محول A/D 12 بت، والذي سيوفر دقة 4/213 مم أو 0.5 ميكرومتر، ومع ذلك، سيوفر محول A/D 14 بت دقة 0.1 ميكرومتر.
أقصى سرعة لرأس القراءة لمرشح بتردد قطع 1 كيلوهرتز وخطوة 4 مم هي 4 أمتار/ثانية - بغض النظر عن الدقة المحددة. وكما هو معروف، فإن زيادة نشاط الجهد ستزيد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء، مما يسمح بزيادة البروتوكولات، بينما يتيح تحسين تردد الإثارة وتردد قطع المرشح سرعات لا نهائية تقريبًا.
5. البناء والدقة
يُصنع مقياس وطبقة رأس القراءة باستخدام تقنية الدوائر المطبوعة القياسية. يتراوح سمك المقياس بين 0.2 و0.5 مليمتر، بينما كانت درجات القياس القياسية الجيدة في البداية 1 و24 و8 مليمتر. يبلغ عرض المقياس القياسي أيضًا 25 أو 10 مليمتر. رأس القراءة المقابل - بما في ذلك جميع إلكترونات المعالجة بطول 6 مليمتر - عبارة عن قطعة بطول 60 و40 مليمترًا على التوالي.
تتيح التقنية الحالية الحصول على طول مبكر مُزعج يبلغ حوالي 0.5 مليمتر، بالإضافة إلى دقة النماذج المُصنّعة باستخدام تقنية التصوير المباشر بالليزر (LDI) الجديدة في بعض طلبات الميكرون. ومع ذلك، تتأثر الدقة الإجمالية للمُشفّر بعدة عوامل أخرى:
متوسط العديد من الدورات،
يؤدي إضعاف التوافقيات الأعلى في الوضع إلى إنشاء زخارف في الموقع،
إن درجة التغيرات الميكانيكية في الدوائر المطبوعة تتبع بشكل وثيق تصوير الألواح النحاسية.
دقة القياس عادة تكون 10 ميكرومتر أو أفضل، اعتمادا على طول المسطرة.
6. التسامح البيئي
تتميز منتجات المشفرات الخطية الكهربائية بقدرتها المذهلة على الحفاظ على استقرارها في مواجهة عوامل مختلفة، مثل درجة الحرارة والرطوبة والتلوث والاهتزازات الميكانيكية والتداخل الكهربائي. ويعود ذلك إلى عدة عوامل:
رأس قراءة كبير ومنطقة تفاعلية بالمقياس،
البنية الهندسية المتماثلة لوضع المستقبل،
إخراج إشارة النطاق الضيق،
تختلف درجة الحرارة في دائرة المعالجة، وكذلك الفجوة بينها، مما يؤثر بدوره على إشارات الجيب وجيب التمام، ولكن ليس على نسبتهما. لذلك، فإن تشغيل المُشفِّر مستقلٌّ أساسًا عن درجة الحرارة. التأثير الحراري الوحيد الذي لا يُعوَّض ذاتيًا هو التمدد الرأسي للمقياس. ومع ذلك، من الممكن إيجاد تمدد مناسب للطبقة الأساسية عند مقياس سمكه 0.2 مليمتر، بافتراض معامل تمدده الحراري، لجميع أغراض الاستخدام. يُعد هذا الوضع مثاليًا في العديد من التطبيقات، إذ يضمن تمددًا بدون فرق، ويرتبط بعناصر الآلة الأخرى. في التطبيق، يجب تقليل التمدد الحراري إلى أدنى حد، ويجب أن يصل المقياس إلى قاعدة مستقرة.
لا يتأثر المُشفِّر الخطي الكهربائي بشكل كبير بترسب جزيئات الغبار، إذ إنه مُقسَّم بالتساوي في مساحة تفاعلية واسعة. ويتجاوز تأثير الغبار ورواسب السوبر ماركت فجوة الهواء المتزايدة بكثير.
لا يتأثر المُشفِّر الخطي الكهربائي بطبيعته بالمجالات المغناطيسية. ونظرًا لأن المنطقة التي تُساعد فيها لوحة المُستقبِل مُغطاة كهربائيًا، فإنها مُعلَّمة أيضًا على عناصر المقياس.
7. رأس القراءة اللاسلكي وأجهزة التشفير الكهربائية الأخرى
يجري تطوير نسخة أخرى من المُشفِّر الخطي الكهربائي، بمقياسين متقابلين، أحدهما يعمل كناقل والآخر كجهاز استقبال. عند الحركة على مقياس ثابت، تُولَّد إشارات تقريبية وجيدة، وتُولَّد رؤوس قراءة للوحات المعزولة.
بالإضافة إلى المُرمِّزات الخطية، تُطبَّق مواضع كهربائية جديدة لتقنية حساسة على المُرمِّزات الفاسدة، باستخدام خصائص غير مألوفة مماثلة. يوضح الشكل 8 الإصدارات المختلفة التي تم الحصول عليها. تُرقمن النسخة الرقمية للحصول على ومعالجة عملية الحصول على الإخراج التناظري، وذلك لتوفير صيغة الإخراج المطلوبة.
الشكل 8 نسخة من مستشعر الموضع الكهربائي