ЛИР-158В 2000-05-ПИ: слепота!
В очередной раз на мой рабочий стол попали датчики серии ЛИР-158, а конкретно - ЛИР-158В 2000-05-ПИ. Они представляют собой оптические преобразователи угловых перемещений с 2000 рисками на оборот, питающиеся напряжением 5 В, имеющие на выходе прямоугольные TTL-импульсы. Много раз я ковырял подобные датчики с разными неисправностями, но конкретно эта пара меня удивила своими похожими по симптомам, но "инверсными" по сути неисправностями. Какими именно - читаем ниже.
Начнем с подключения к устройству цифровой индикации ЛИР-511Р. С исправными датчиками она должна показывать, насколько повернута ось датчика относительно начального положения (или нуль-метки, в соотв. режиме работы). Здесь оказалось все просто - индикация на подключение энкодеров не реагировала никак. Что же, придется взять осциллограф.
Прежде, чем измерять состояние выходов неисправных датчиков, стоит узнать, как оно должно быть на исправном датчике. Выходов всего шесть: сигнал канала А, инверсный сигнал канала А, сигнал канала B, инверсный сигнал канала B, сигнал канала R, инверсный сигнал канала R. Каналы А и B - счетные, по ним и ведется расчет перемещения вала. Сигналы их сдвинуты друг относительно друга на четверть периода. Направление этого сдвига дает информацию о направлении вращения вала. Канал R - нуль метка, которая отмечает точку начала отсчета. Осциллограммы я привожу для датчика, подключенного к УЦИ ЛИР-511Р. Без нагрузки на выходах уровни сигналов будут другие.
Канал А. Стоить обратить внимание на уровень сигнала (4,7 В) и его скважность (т.е. соотношение длительности сигналов высокого и низкого уровней), стремящуюся к 50%.
Канал А инверсный. Здесь скважность остается прежней, изменяется уровень сигнала (3,8 В). Он все еще остается в пределах нормы (>2,4 В), однако заметно меньше, чем на канале А. Поначалу я принимал такое поведение датчиков за неисправность, но нет, так и должно быть. Для канала B все аналогично.
Канал R. Сигнал нуль-метки представляет собой одиночный импульс амплитудой 4 В. Длительность импульса зависит от скорости вращения вала датчика (как и период сигналов каналов А и B).
Первый датчик
При измерении сигналов у него на выходах каналов счета (осциллограмма выше), я получил нормальный по амплитуде, но неправильный по скважности импульсов сигнал. После измерения же канала нуль-метки, все стало по своим местам - вместо одного импульса там имелся целый пучок. Чтобы понять, отчего такое может иметь место быть, стоит рассмотреть внутреннее устройство датчика.
Внутри датчика установлены два закрашенных стеклянных диска , один из которых (1) вращается относительно другого (2), находящиеся между излучателем (4) и приемником света (6). При совмещении отверстий Д и Е на этих дисках и получается сигнал нуль-метки. Отверстие Г задает опорный световой поток, позволяющий минимизировать воздействие разброса светимости излучателя на форму сигнала нуль-метки.
Теперь рассмотрим схему платы, преобразующей токовый сигнал с фотодиода в TTL-импульсы. Схему я взял из технических условий датчика (ЛИР-158.000ТУ, рис. 4.6), однако, она лишь примерно соответствует реальному датчику. Я исключил из нее отсутствующие на настоящей плате элементы, но нумерация ножек микросхем осталась неправильной. Для понимания проблем этого датчика, оно не важно. Просто помните, что при измерениях нужно ориентироваться на показания осциллографа и здравый смысл, а не нумерацию лапок на схеме.
Сигнал с фотодиодов VD3 поступает на инвертирующий вход 13 и, связанный с опорным напряжением С, неинвертирующий вход 12 операционного усилителя D1.4 (AD8604). Усиленный сигнал поступает на неинвертирующий вход 9 компаратора D2.3 (LM2901), где сравнивается с опорным напряжением С на инвертирующем входе 8. На выходе мы получаем уже почти правильный импульс, который поступает на вход микросхемы D3.3 (AM26C31), преобразующей его в соответствующий TTL-стандарту и готовый к передаче на УЦИ.
Очевидно, если сигнал, пришедший на вход компаратора D2.3, будет почти равен опорному напряжению, то мы получим переключение выхода компаратора то на высокий, то на низкий уровень и, вместо одного длинного импульса, несколько коротких, что наблюдается в данном случае. Вообще, такое поведение возможно и при повреждении одного из резисторов в обвязке микросхемы D1.4 или D2.3, но резисторы легко проверить мультиметром - они исправны. Еще остается вариант с неисправностью самих микросхем, однако такое их поведение при этом крайне маловероятно. Можно считать решенным, что проблема именно в уровне сигнала. Осталось понять, почему он изменился.
С учетом вышеуказанного, появляется мысль о проблемах в оптической части: мал световой поток излучателя, загрязнено стекло или уменьшилась чувствительность фотоприемника. Стекло легко проверить - оно в порядке. А вот дальше сложнее - излучатель или приемник? Тут пришлось действовать методом тыка. Самое простое - немного увеличить ток излучателя, что вызовет увеличение светового потока. Для этого следует уменьшить резистор в цепи светодиода. На схеме их много (R22-R26), но в реальном датчике установлены обычно один или два.
На фото выше указано расположение этих резисторов. Там стоят два по 180 Ом, в моем же датчике был один на 180 Ом. Его я заменил на 150 Ом. Результат - сигналы на выходе датчика стали как на эталонном, нуль-метка теперь всего одна на оборот. Получается, что проблема была в деградации светодиодов, световой поток которых уменьшился со временем. Теоретически, такое варварское вмешательство в схему должно уменьшить точность счета. Однако, оптическая система датчика спроектирована так, чтобы работать в некотором диапазоне светового потока. Т.е. достаточно обеспечить минимально допустимый. Время жизни светодиодов при увеличении тока на них, конечно, уменьшится, но, в отсутствии альтернативы, выбирать не приходиться. Удалось на месяцы-год продлить время жизни датчика - уже неплохо.
Второй датчик
После измерения сигналов на выходе второго датчика я получил такое же отклонение в скважности, однако множественные сигналы нуль-метки отсутствовали, датчик выдавал один импульс на оборот, как и положено. Очевидно, что тут уже дело не в светодиоде (однако, я это проверил, увеличив ток - ситуация не изменилась), но проблема должна быть где-то рядом. Начнем с измерения уровней сигналов на выходе микросхемы D1 (КТ1 и КТ2). Ниже представлено расположение микросхем и точки измерения опорного напряжения С.
Сигналы с выходов D1 поступает на D2 и сравниваются с опорным напряжением С величиной 2,14 В. Скважность сигналов на выходе D2 зависит от разницы между опорным напряжением сигнала с D1 и напряжением С, формируемым отдельно на плате. Но проще показать это на осциллограмме исправного датчика.
Первый канал осциллографа показывает сигнал в КТ1, второй - опорное напряжение С. Как видно, среднее их значение практически равно (2,16 В и 2,13 В), потому и на выходе получается 50% скважности. Теперь посмотрим на напряжения, измеренные в тех же самых точках, но уже неисправного датчика.
Опорное напряжение на месте - все те же 2,13 В. А вот с сигналом беда - среднее значение уже 2,6 В, т.е. сигнал смещен вверх и скважность уплыла к 80%. Опорное напряжение для сигнала с D1 формируется на входе этой микросхемой из напряжения С посредством резистора R2 и фотодиодов VD1.1 и VD1.3 (пример для канала А). Получается делитель напряжения, завязанный на поступающий на фотодиоды световой поток. Что тут может сломаться? Резистор, фотодиод или микросхема. Резистор проверен, микросхема - крайне маловероятно (но я попробовал заменить ее новой - ничего не изменилось), а вот фотодиод оказался под серьезным подозрением. Он, как и светодиод, может деградировать со временем, но ток на нем не увеличить. Остается только замена. И для этого дела нашелся у меня датчик с разбитым стеклом.
Стрелками показаны сами фотодиоды (по четыре штуки собраны в один корпус). Я отметил маркером их ориентацию, выпаял возможно неисправные и очистил контактные площадки медной оплеткой. Припаял на их место фотодиоды снятые с битого датчика(так же с отметками ориентации), стараясь максимально прижать их к плате, чтобы добиться параллельности поверхности фотодиодов и поверхности платы. На глаз все получилось ровно. Последующая проверка показала, что операция прошла успешно - на выходах появился сигнал с правильной скважностью. Точность счета не пострадала. В отличии от первого датчика, этот может прожить еще долго, т.к. все элементы работают в штатном режиме.
Вот такая "инверсия" неисправности получилась: от излучателя к приемнику. That's all. Надеюсь, кому-то этот опус будет полезен.