leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

Счетчик для "Электроника-004" (часть 1)



В магнитофоне «Электроника-004» используется механический счетчик расхода ленты. Хоть он на скорости ленты 19.05 см/с и показывает нечто близкое к реальному времени в секундах, все равно такой счетчик для магнитофона высшего класса не такого уж старого года выпуска является нонсенсом. Обзор существующих конструкций электронных счетчиков я уже делал тут и пришел к выводу, что придется делать счетчик собственной конструкции.



Механический счетчик имеет целый ряд недостатков. Цифры на нем видны плохо (подсветка не предусмотрена). Соответствие реальным секундам лишь приблизительное, и то лишь для одной скорости. Для привода используется резиновый пассик, который периодически требует замены. Кстати, это единственный пассик в этом магнитофоне. Привод счетчика нагружает обводной ролик, что может сказаться на равномерности транспортирования ленты. При больших скоростях перемотки счетчик сильно шумит. Механический счетчик требует периодического обслуживания (чистки и смазки).





Гораздо практичнее применить электронный счетчик ленты. Для реализации такого счетчика требуется датчик вращения, который будет формировать электрические импульсы, частота которых пропорциональна скорости движения ленты. Желательно формировать и сигнал направления движения ленты, потому что при смене режима работы катушки могут некоторое время вращаться по инерции, в таких случаях определить направление движения ленты по сигналам управления весьма затруднительно.

Обычно в качестве датчиков используются инкрементальных энкодеры. Такие энкодеры формируют на выходе два сигнала, чаще всего прямоугольной формы, которые сдвинуты друг относительно друга по фазе на угол 90°. Про такие сигналы говорят, что они находятся в квадратуре, или просто – являются квадратурными.

Квадратурные энкодеры могут быть механическими, где используется скользящий контакт. Примером могут служить распространенные энкодеры PEC-12 и PEC-16 фирмы Bourns, которые широко используются в панелях управления различных приборов. Но скользящий контакт обладает рядом недостатков: дребезгом, повышенным трением, невысокой надежностью, малым сроком службы. Более качественные энкодеры используют оптический способ считывания информации. Они обычно имеют диск с прорезями, через которые свет от излучателя попадает на фотоприемник. Используются два фотоприемника, установленные под определенными углами. В результате на выходе получаются квадратурные сигналы. Оптические энкодеры дороже, зато они надежней и практически не нагружают вращающиеся механические детали механизмов.



Существуют и другие способы бесконтактного считывания информации о вращении, например, с помощью датчиков Холла или индуктивных датчиков. Но в данном случае проще всего реализовать оптический способ считывания информации. В магнитофоне «Электроника-004» есть подходящее место, где может быть установлен оптический датчик. На правом обводном ролике имеется стальная крыльчатка, которая используется в составе индуктивного датчика движения ленты. Эту крыльчатку вполне можно использовать и для оптического датчика счетчика ленты.



В качестве оптического датчика можно применить отдельные светодиоды и фотодиоды. Но гораздо удобней применять готовые оптроны с открытым оптическим каналом. Наиболее распространенные из них – это щелевые оптроны. Корпус имеет щель, в которую можно поместить шторку или диск с прорезями.



К сожалению, в магнитофоне «Электроника-004» применение щелевых оптронов со штатной крыльчаткой затруднено, так как крыльчатка расположена слишком близко к передней панели. Такой оптрон просто не влезет. Но есть еще один вид оптронов с открытым оптическим каналом – это отражательные оптроны. Они располагаются только с одной стороны крыльчатки, в данном случае их можно установить снизу. Отражательные оптроны бывают разных форм и размеров. Для упрощения компоновки лучше подходят малогабаритные оптроны. Есть целое семейство малогабаритных оптронов с похожими характеристиками. Например, CNB1302, ON2170, KTIR0711S, KTIR0811S, KTIR0821DS, ITR8307, TPR-105F, QRE1113. Есть похожие оптроны и в SMD имполнении: KRC011, EE-SY193, EE-SY199. Самыми доступными оказались оптроны KTIR0821DS.



Отражательные оптроны более капризны в работе. Они чувствительны к внешней засветке и требуют отражающей поверхности с определенными свойствами. Такие оптроны чаще всего работают в ИК-диапазоне, типичная длина волны составляет 940 нм. Коэффициент отражения на этой длине волны у разных поверхностей может сильно отличаться, причем иногда он может быть совсем не таким, как для видимого света. Хорошо отражают ИК серебристые поверхности – металлы, серебристая краска, серебристая пленка. Неплохо отражает пластик светлых цветов. Крыльчатку с нижней стороны можно покрасить серебристой краской, но оказалось проще заклеить ее пленкой Oracal серебристого цвета. Сигнал с оптронов это удвоило. Сверху крыльчатку оставил без изменений.







Для проверки работы оптического датчика была изготовлена небольшая плата.



Декодировать квадратурные сигналы довольно просто. В самом примитивном случае используется один D-триггер. Тактирование триггера производится одним из сигналов, а на вход D поступает другой. Если фронт тактового сигнала приходит при высоком уровне второго сигнала – вращение вперед. Если при низком – назад. У такого декодера есть ряд недостатков. Представим ситуацию, что диск энкодера не вращается, а совершает небольшие повороты вперед-назад. При повороте в одну сторону будет формироваться фронт тактового сигнала, что будет вызывать счет. При повороте в другую сторону будет формироваться спад тактового сигнала, при этом счета происходить не будет. В результате «дрожание» на одном месте приведет к ошибочному монотонному счету.

Если рассмотреть логические состояния выходных сигналов энкодера, то прохождение одной лопасти крыльчатки будет вызывать смену 4-х состояний. Можно реализовать такую логику работы, когда любая смена состояния будет вызывать счет. Причем направление счета будет всегда соответствовать направлению вращения крыльчатки. Такой декодер называют 4X квадратурным декодером. Есть декодер, который производит счет каждого второго состояния, он называется 2X квадратурным декодером. Есть и 1X декодер, который фактически считает лопасти, т.е. считает каждое четвертое состояние. Именно 1X декодер получается на D-триггере. Хотя и такой декодер можно реализовать лучше, избавившись от ошибок счета.

Если проанализировать состояния выходных сигналов квадратурного энкодера, оказывается, что для вычисления направления проще всего использовать предыдущее значение одного из сигналов.



4X квадратурный декодер может быть реализован на логике, но в данном случае его проще реализовать программно.



Некоторые микроконтроллеры (например, семейства STM32) имеют возможность аппаратно декодировать сигналы квадратурного энкодера. Для этого их таймеры имеют специальный режим работы. Существуют и специализированные микросхемы для обработки сигналов квадратурного энкодера, например, HCTL-2000, LS7166. Но аппаратные решения имеют смысл только для скоростных энкодеров. Здесь же частота вращения невысокая, с декодированием вполне справится любой микроконтроллер программно. Микроконтроллеры семейства STM32, которые имеют аппаратный квадратурный декодер, хоть формально и лучше подходят для этой задачи, но здесь их применение вряд ли оправдано.

Для реализации 4X квадратурного декодера может пригодиться такая возможность микроконтроллеров, как прерывания по изменению состояний выводов порта. Такая возможность есть в линейке AVR-микроконтроллеров ATmega48/88/168/328. Учитывая предполагаемый объем необходимой памяти, для счетчика был выбран контроллер ATmega88. Декодирование можно реализовать в прерывании по изменению двух выходных сигналов с энкодера. Текст 4X квадратурного декодера приведен ниже:

#pragma vector = PCINT0_vect
__interrupt void Opto_Handler(void)
{
  static bool preF1 = 0;
  bool nowF1 = TCount::Pin_F1;
  bool nowF2 = TCount::Pin_F2;
  (preF1 == nowF2)? TCount::Count-- : TCount::Count++;
  preF1 = nowF1;
}


Оптические энкодеры не имеют дребезга, присущего механическим энкодерам, у которых контакты могут некоторое время вибрировать, замыкаясь и размыкаясь. В результате во время дребезга на выходе появляется серия импульсов малой длительности, но полной амплитуды. У оптического энкодера при переключении тоже есть определенные аномалии, но характер их другой. Вблизи точки переключения световой поток меняется относительно плавно, поэтому на выходе формируется аналоговый сигнал с довольно низкой скоростью нарастания. Для формирования цифрового сигнала с короткими фронтами требуется некий пороговый элемент. Любой аналоговый сигнал имеет некоторый уровень шумов и помех. Помехи могут иметь разное происхождение, начиная от электрических наводок и пульсаций напряжения питания, заканчивая внешней засветкой переменной интенсивности и механической вибрацией крыльчатки, приводящей к модуляции светового потока. Когда выходное напряжение фотоприемника преодолевает пороговое значение, из-за флуктуаций сигнала на выходе порогового элемента может произойти целая серия переключений, что приведет к ошибочному счету. Чтобы этого не случилось, пороговый элемент должен иметь гистерезис. Логические входы микроконтроллера тоже имеют гистерезис, но его величина может оказаться недостаточной. Лучше всего применить внешний пороговый элемент, для которого величину гистерезиса можно задавать произвольно. Для этой цели хорошо подходит сдвоенный компаратор LM393.

Надо отметить, что для подавления дребезга механических контактов гистерезис бесполезен. В отличие от оптических датчиков, там «шум» при переключении имеет полную амплитуду и никак не отличается от полезного сигнала, не считая скорости переключения. А смысл гитерезиса заключается как раз в том, чтобы подавлять сигналы малой амплитуды. Для механических контактов требуется не амплитудная, а временная селекция сигналов – надо пропускать на выход медленные сигналы и подавлять быстрые. Это может сделать фильтр нижних частот, например, в виде RC-цепочки, или специальный программный алгоритм подавления дребезга.

Квадратурные декодеры 2X и 4X имеют преимущество в том, что при том же количестве прорезей позволяют получить в 2 или 4 раза больше импульсов на оборот крыльчатки и повысить разрешающую способность. Например, для крыльчатки обводного ролика магнитофона «Электроника-004», которая имеет 5 лопастей, эти декодеры позволят вместо 5-ти импульсов на оборот получить 10 или 20 импульсов. Надо отметить, что для 2X и 4X квадратурных декодеров может наблюдаться некоторая неравномерность выходных событий при равномерном вращении диска. Это связано с тем, что любой энкодер имеет определенные погрешности изготовления. Особенно эта неравномерность заметна в простых оптических энкодерах, где световой пучок слабо коллимирован. Длительность импульса на выходе оптического датчика не равна в точности времени прохождения прорези диска, так как чувствительная зона фотоприемника представляет собой не точку, а окружность определенного радиуса. В качественных энкодерах эти погрешности сведены к минимуму. При использовании 1X квадратурного декодера погрешности будут меньше, но все равно они останутся из-за некоторой неравномерности изготовления прорезей. Для счетчика ленты равномерность событий энкодера не является критичной, а вот иметь побольше событий на оборот весьма желательно. Поэтому здесь вполне уместно применение 4X квадратурного декодера.

Одной из проблем в применении оптронов является их низкое быстродействие. Это особенно актуально для тех типов, которые реализованы на основе составного фототранзистора (например, KTIR0821DS). Чтобы оценить требуемые частотные рамки, надо рассчитать максимальную скорость вращения обводного ролика. При перемотке скорость ленты может достигать 10 м/с. При диаметре ролика около 40 мм его частота вращения составит около 80 об/с (4800 об/мин). Учитывая количество лопастей на крыльчатке, максимальная частота сигнала с выхода каждого оптрона составит около 400 Гц.

Существуют методы повышения быстродействия фотоприемников. Как правило, они сводятся к одному – уменьшению размаха напряжения на выходе фотоприемника, чтобы облегчить перезаряд паразитных емкостей. Чаще всего делают токовый вход усилителя фотоприемника, например, применяя инвертирующий усилитель на ОУ. Можно поступить проще и применить усилительный каскад с общей базой на одном транзисторе. Он тоже значительно снизит размах напряжения на выходе фотоприемника. Подобная схема применяется для высокоскоростных оптических датчиков в магнитофоне Studer A820.



Конечно, здесь не требуется такая большая частота, но быстродействие оптронов все равно лучше проверить. Для проверки на фотодатчик оптрона было направлено излучение внешнего ИК-диода, который питался от генератора прямоугольных импульсов частотой 1 кГц. Ниже приведены фотографии экрана осциллографа (масштаб по вертикали 1V/div, по горизонтали 0.5 ms/div).

Оптрон с одиночным транзистором, нагрузка 1 кОм:



Оптрон с одиночным транзистором + внешний каскад с ОБ, нагрузка 1 кОм:



Оптрон с составным транзистором, нагрузка 1 кОм:



Оптрон с составным транзистором + внешний каскад с ОБ, нагрузка 1 кОм:



Видно, что оптрон с составным транзистором имеет быстродействие заметно хуже. Добавление каскада с ОБ значительно улучшает ситуацию.

Лучше всего, если замена механического счетчика электронным не потребует никакой переделки передней панели магнитофона. В штатное окошко счетчика помещаются 4 индикатора с высотой цифры 5 мм. Но этот вариант имеет серьезные недостатки. Во-первых, четырех разрядов недостаточно для отображения реального времени в формате «часы : минуты : секунды». А для реверсного аппарата желательно еще и отображение знака «минус», чтобы при обратном направлении движения ленты видеть нормальный счет. Во-вторых, цифры счетчика получаются очень маленькими, что затрудняет считывание показаний. К тому же, такие цифры выглядят непропорционально маленькими на относительно большой передней панели магнитофона. Поэтому было принято решение не придерживаться штатного окна счетчика, а выбрать размер цифр исходя из соображений дизайна.

Сравнение нескольких вариантов рисунков передней панели с разным размером цифр позволило сделать выбор оптимального размера индикатора. Подошел индикатор Kingbright SA39-11SRWA с высотой цифры 0.39 дюйма.



Выбор индикаторов делался среди доступных в продаже. Данный тип значился в наличии в магазине "Чип и Дип". Но драматическая разница в цене заставила заказать эти индикаторы на Aliexpress.

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, магнитофон, микроконтроллер
Subscribe

  • Измеритель уровня V0.1

    Сделал первую версию прошивки нового измерителя уровня для магнитофона "Электроника-004". Все еще очень-очень сырое, но уже полоски как-то…

  • Sharp GF-777

    Попал тут ко мне Sharp GF-777. Без преувеличения можно сказать, что это легенда. Обладать таким аппаратом могли лишь избранные. Стоил он когда-то…

  • JVC TD-V662

    Когда просят посмотреть кассетную деку, говорят удивительные вещи. Что не могут найти мастера, который за это бы взялся. Но ведь аналоговая…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments