УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01P15/13 

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации и может найти применение в приборах компенсационного типа для измерения механических величин.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ 2098833, МПК⁶ G 01 P 15/13, опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости при воздействии электрических помех в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителей отрицательной обратной связью осуществить компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (авт.св. 742801, МПК⁶ G 01 P 15/00, БИ 23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент, дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Задачей изобретения является повышение разрешающей способности и точности путем увеличения количества раз опроса за один период несущей частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно по информационным входам к выходу усилителя первый эммиторный повторитель, синхронный JK-триггер, дифференцирующие цепи, схемы совпадения, схемы собирания, RS-триггер фиксации состояния, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, блок собирания, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через первый инвертор и второй эммиторный повторитель.

Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, двоичного умножителя и третьим входом знакового переключателя. Второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом блока собирания, третий выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя. Также в устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, вход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера, выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр. Единичный (S) и нулевой (R) входы RS-триггера фиксации состояния соединены с выходами четырехвходовых первой и второй схем собирания, которые в свою очередь соединены с выходами первой и второй схем совпадения, входы которых попарно соединены циклически в прямом и обратном направлении к прямым и инверсным выходам синхронного JK-триггера и триггера Шмитта, а также к перекрестным выходам четырех дифференцирующих цепей, причем первая и вторая дифференцирующие цепи соединены с прямым и инверсным выходами синхронного JK-триггера, вход третьей дифференцирующей цепи соединен с выходами фазосдвигающей цепи через триггер Шмитта, а вход четвертой дифференцирующей цепи соединен со вторым выходом триггера Шмитта через второй инвертор, выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Выходная обмотка датчика утла 2 соединена со входом полосового фильтра 3, выход которого связан со входом усилителя 4 со стабильным коэффициентом передачи. Выход усилителя 4 соединен с входами первого эммиторного повторителя 5 и первого инвертора 6, причем выход первого инвертора 6 соединен с входом второго эммиторного повторителя 7. Первые и вторые входы универсального синхронного JK-триггера 8 соединены с выходами первого и второго эммиторных повторителей 5 и 7. Третий вход синхронного JK-триггера 8 соединен с выходом формирователя длительности импульсов 9. Вход формирователя длительности импульсов 9 соединен через компаратор 10 с выходом фазосдвигающей цепи 11, вход фазосдвигающей цепи 11 соединен с первым выходом генератора несущей частоты 12, второй выход которого соединен с обмоткой возбуждения датчика угла 2. Прямой выход синхронного JK-триггера 8 соединен с первой дифференцирующей цепью 13, а инверсный выход JK-триггера 8 соединен с входом второй дифференцирующей цепи 14. Второй выход фазосдвигающей цепи 11 соединен с входом триггера Шмитта 15, первый выход которого соединен с входом третьей дифференцирующей цепи 16, а второй выход триггера Шмитта 15 соединен через второй инвертор 17 с входом четвертой фазосдвигающей цепи 18.

Первый вход первой схемы совпадения 19 соединен с выходом 15, второй вход с выходом 14, третий вход с выходом 17, четвертый вход с выходом инверсного выхода 8, пятый вход с выходом 18, шестой вход с выходом 13, седьмой вход с выходом 16 и восьмой вход с прямым выходом JK-триггера 8. Каждая пара входов схемы совпадения 19 имеет выход, который соединен с четырехвходовой первой схемой собирания 20. Входы второй схемы совпадения 21 соединены соответственно: первый с выходом 18, второй с выходом 8 (прямой выход JK-триггера 8), третий с выходом 17, четвертый с выходом 14, пятый с выходом 16, шестой с выходом 8 (инверсный выход JK-триггера), седьмой с выходом 15, восьмой с выходом 13. Четыре выхода второй схемы 21 соединены с четырехвходовой второй схемой собирания 22. Выходы первой и второй схем собирания 20, 22 соединены с входами R и S триггера фиксации состояния 23, выходы которого соединены соответственно с первыми входами ждущих синхронных генераторов 24 и 25. Выходы ждущих синхронных генераторов 24 и 25 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 26, первый выход которого связан с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 27, а второй со вторым входом блока собирания 28, первый вход которого соединен с выходом преобразователя дополнительного кода в прямой 27. Выход блока собирания 28 соединен с первым входом двоичного умножителя 29, выход двоичного умножителя 29 соединен с входом сглаживающего фильтра 30, выход которого соединен с первым входом знакового переключателя 31, второй вход которого соединен с третьим выходом реверсивного двоичного счетчика 26. Вторые входы ждущих синхронных генераторов 24 и 25 соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов 32, вход которого связан с выходом кварцевого генератора 33, второй вход двоичного умножителя 29 и третий вход знакового переключателя 31 соединены с выходами устройства распределения синхроимпульсов 32. Выход знакового переключателя 31 соединен с входом датчика момента 34.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, описаны в книге Майоров С. А., Новиков Г.И. "Принцип организации цифровых машин". Л.: Машиностроение. 1974. 432 с. Синхронный JK-триггер 64-67 с. , ждущие синхронные генераторы, эммиторные повторители, инверторы, дифференцирующие цепи, триггеры Шмитта, схемы совпадения и собирания, реверсивные двоичные счетчики, преобразователи кода, двоичные умножители, сглаживающие фильтры, знаковые переключатели, блок собирания описаны в книге П. Хоровиц, У. Хилл " Искусство схемотехники". М.: Мир, т.1-3, 1993.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксирует датчик угла 2, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты 12. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0^o либо 180^o относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 3 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на усилитель 4. На информационные входы синхронного JK-триггера 8 сигнал должен подаваться в противофазе. Для этого усиленный по напряжению сигнал с усилителя 4 инвертируется на первом инверторе 6. Первые и вторые эммиторные повторители 5 и 7 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления усилителя 4 и первого инвертора 6 с низкоомным входным сопротивлением входов JK-триггера 8. Для определения направления действия ускорения, фазы сигналов с датчика 2 и генератора 12 сравниваются JK-триггером 8, для работы которого необходимо подать на синхронный третий вход импульс определенной длительности. Для этого используются фазосдвигающая цепь 11, компаратор 10 и формирователь длительности импульса несущей частоты 9. Фазосдвигающая цепь 11 обеспечивает сдвиг фазы сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через фильтр 3 и усилитель 4. Компаратор 10 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты 9. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 совпадает с фазой генератора несущей частоты 12, то в момент подачи импульса несущей частоты синхронный JK-триггер 8 переходит в состояние "1", в противном случае в "0". Кварцевый генератор 33 вырабатывает прямоугольные импульсы (f≥1 МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала.

Устройство распределения синхроимпульсов 32 вырабатывает синхронированные по времени управляющие синхроимпульсы, необходимые для функционирования устройства. На выход фазосдвигающей цепи 11 включен триггер Шмитта 15, на выходе которого будут прямоугольные импульсы. Для определения направления вращения вектора несущей частоты или необходимо иметь информацию о сигналах х и у (х - сигнал опорной частоты, у - сигнал несущей частоты) в каждом квадранте плоскости ху. При вращении вектора f против часовой стрелки для каждого квадранта можно записать информацию О х и у (см. таблицу)
За один период для вектора можно записать выражение:

Аналогичным образом можно записать выражения для вектора f, вращающегося в плоскости ух по часовой стрелке:

Для реализации выражений (1) и (2) необходимо в цепи несущей частоты предусмотреть устройства, осуществляющие инвертирование импульсов с помощью второго инвертора 17 и дифференцирование с помощью третьей и четвертой дифференцирующих цепей 16 и 18.

В цепи изменения фазы (опоры) с выходов синхронного JK-триггера 8 имеем импульсы х и . Дифференцирование импульсов осуществляется соответственно первой 13 и второй 14 дифференцирующими цепями. Схемы совпадения 19 и 21 устанавливают соответствие между импульсами у и х для каждого квадранта и осуществляют операцию логического умножения (∧). В зависимости от положения вектора f в плоскости ух работают соответствующие входы схем совпадения 19 и 21 и соответствующие четыре выхода, являющиеся входами схем собирания 20 и 22, осуществляющие операцию логического сложения (∨) На вход (R) RS-триггера фиксации состояния 23 подается импульс, если вектор несущей частоты f вращается против часовой стрелки, и на вход (S) в противном случае. Сигнал с триггера 23 поступает на первые входы ждущих синхронных генераторов 24 и 25. С помощью генератора 33 и устройства распределения синхроимпульсов 32 обеспечивается требуемый фронт нарастания и спада сигнала, и ждущий синхронный генератор 24 выдает на выходе один импульс на частоте 10 МГц на каждое воздействие входного сигнала, равного "1".

Аналогичным образом работает ждущий синхронный генератор 25.

Реверсивный двоичный счетчик 26 производит подсчет единичных импульсов, поступающих на суммирующий вход с генератора 24, и вычитание импульсов, поступающих с ждущего синхронного генератора 25. Реверсивный двоичный счетчик 26 представляет положительную информацию в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном. Преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем 27. На вход блока собирания 28, осуществляющего операцию логического сложения, подаются сигналы с счетчика 26, если у и х в фазе и с преобразователя 27 в противном случае. Сигнал с блока собирания 28 подается на вход двоичного умножителя 29, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему с блока 28. Двоичный умножитель 29 преобразует двоичный код в единичный импульс. Сглаживающий фильтр 30, на вход которого поступает единичный код с 29, устраняет пульсацию. На токовую обмотку датчика момента 34 поступает сигнал по уровню со знакового переключателя 31 со знаком разрядного счетчика 26. Выход с двоичного реверсивного счетчика 26 является цифровым выходом устройства. Момент, развиваемый датчиком моментов 34, компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения.

Введение в устройство триггера фиксации состояния, к единичному и нулевому входу (S и R) которого подключены четырехвходовые логические элементы, схемы совпадения (два И) и схемы собирания (ИЛИ), попарно соединенные циклически в прямом и обратном направлении, позволяет увеличить частоту опроса за один период в 4 раза (зависимости 1, 2).

Увеличение частоты опроса позволяет повысить разрешающую способность устройства и точность измерения.

Устройство предназначено для использования в системах стабилизации, наведения и навигации. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности устройства. Это достигается путем введения в устройство последовательно соединенных по информационным входам к выходу усилителя первого эммиторного повторителя, синхронного JK-триггера, дифференцирующих цепей, схем совпадения, схем собирания, RS-триггера фиксации состояния, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, блока собирания, двоичного умножителя, сглаживающего фильтра и знакового переключателя, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через первый инвертор и второй эммиторный повторитель. Устройство также содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающую цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера. 1 табл., 1 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, отличающееся тем, что в него введены последовательно по информационным входам к выходу усилителя первый эммиторный повторитель, синхронный JK-триггер, дифференцирующие цепи, схемы совпадения, схемы собирания, RS-триггер фиксации состояния, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, блок собирания, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через первый инвертор и второй эммиторный повторитель, кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, двоичного умножителя и третьим входом знакового переключателя, второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом блока собирания, третий выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя, а также в устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера, выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика утла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр, а единичный (S) и нулевой (R) входы RS-триггера фиксации состояния соединены с выходами четырехвходовых первой и второй схем собирания, которые, в свою очередь, соединены с выходами первой и второй схем совпадения, входы которых попарно соединены циклически в прямом и обратном направлении к прямым и инверсным выходам синхронного JK-триггера и триггера Шмитта, а также к перекрестным выходам четырех дифференцирующих цепей, причем первая и вторая дифференцирующие цепи соединены с прямым и инверсным выходами синхронного JK-триггера, вход третьей дифференцирующей цепи соединен с выходом фазосдвигающей цепи через триггер Шмитта, а вход четвертой дифференцирующей цепи соединен со вторым выходом триггера Шмитта через второй инвертор, выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.