УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01P15/13 

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

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2165625, кл. 7 G 01 P 15/13, опубл. 20.04.2001, бюл. №11), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, в который введена местная положительная обратная связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжения - ток. Местная отрицательная обратная связь введена с выхода на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь напряжения - ток. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента и содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор, при этом второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания, выход которой является выходом цифрового кода устройства. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей.

Недостатком данного устройства является то, что выдается информация в виде интегрированного аналогового сигнала, что не позволяет использовать его в цифровых измерительных системах стабилизации, навигации и наведения.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (пат. RU №2171995, кл. 7 G 01 Р 15/13, опубл. 10.08.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенного в обратную связь, в которое введены последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эммитерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр. К второму выходу асинхронного RS-триггера последовательно подключены по информационным входам две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, преобразователь цифровой информации в прямой код, второй реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с первым входом третьего двоичного умножителя. Первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схемы совпадения через последовательно соединенные схемы "ИЛИ", суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель. Выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, второго реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя. В устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса, выход 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. Выход второго двоичного умножителя является выходом относительного цифрового кода устройства.

Недостатком устройства является то, что оно работает в режиме автоколебаний, и увеличение точности может быть достигнуто путем повышения частоты автоколебаний, что в свою очередь приводит к уменьшению разрядности цифрового кода. Уменьшение цифрового кода приводит к уменьшению точности измерения ускорения.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности.

Поставленная цель достигается тем, что для увеличения разрядности цифрового кода устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенного в обратную связь, последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эммитерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр третьего порядка. Выход асинхронного RS-триггера соединен по информационным входам с двумя схемами совпадения, к выходам которых последовательно подсоединены малоразрядный реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, многоразрядный реверсивный двоичный счетчик, второй вход которого соединен с выходом второго двоичного умножителя. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя. Генератор несущей частоты последовательно соединен с третьим входом синхронного JK-триггера через фазосдвигающую цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса и с входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр. Выход второго двоичного умножителя является выходом многоразрядного цифрового кода устройства, а выход первого двоичного умножителя является выходом малоразрядного цифрового кода.

За счет последовательного введения от преобразователя цифровой информации в прямой код первого двоичного умножителя на суммирующий вход многоразрядного реверсивного двоичного счетчика, в обратную связь которого на вычитающий вход включен второй двоичный умножитель, достигается увеличение частоты автоколебаний и увеличение разрядности цифрового кода, что приводит к увеличению точности.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент - 1, угловое положение которого определяется датчиком угла - 2. Обмотка возбуждения датчика угла - 2 соединена с выходом генератора несущей частоты - 3. Выходная обмотка датчика угла - 2 соединена с входом полосового фильтра - 4, выход которого соединен с входом усилителя со стабильным коэффициентом передачи - 5. Выход усилителя - 5 соединен с входом первого эммитерного повторителя - 6 и с входом инвертора - 7, причем выход последнего соединен с входом второго эммитерного повторителя - 8. Выход генератора несущей частоты - 3 соединен также с входом фазосдвигающей цепи - 9, выход которой соединен с входом компаратора - 10. Выход компаратора - 10 соединен с входом формирователя длительности импульсов несущей частоты - 11. Первые и вторые входы универсального синхронного JK-триггера - 12 соединены соответственно с выходами первого и второго эммитерных повторителей - 6 и - 8. Третий вход синхронного JK-триггера - 12 соединен с выходом формирователя длительности импульса несущей частоты - 11. Первый и второй выходы JK-триггера - 12 подключены к первым входам ждущих синхронных генераторов - 13 и - 14, вторые входы которых соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов - 15, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора - 16. Выходы ждущих синхронных генераторов - 13 и - 14 подключены к входам асинхронного RS-триггера - 17. Первый выход асинхронного RS-триггера - 17 соединен с входом прецизионного релейного элемента - 18, выход которого подключен к первому входу датчика моментов - 19, второй вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра третьего порядка - 20, соединенного с выходом прецизионного релейного элемента - 18. Второй выход асинхронного RS-триггера - 17 соединен с первыми входами схем совпадения (схемы "И") - 21 и - 22. Вторые входы схем совпадения - 21 и - 22 соединены с выходами устройства распределения синхроимпульсов - 15. Выходы схем совпадения - 21 и - 22 соединены соответственно с первым и вторым входами малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 23, третий вход малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 23 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов - 15. Первый вход итогового регистра малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 24 соединен с выходом малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 23, а его второй вход с выходом устройства распределения синхроимпульсов - 15. Выход итогового регистра малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 24 соединен с входом преобразователя цифровой информации в прямой код - 25, а его выход с первым входом первого двоичного умножителя - 26. Второй вход первого двоичного умножителя - 26 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов - 15. Выход первого двоичного умножителя - 26 соединен с первым входом многоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 27 синхроимпульсов - 15. Выход второго реверсивного двоичного счетчика - 27 соединен с входом второго двоичного умножителя - 28, а выход второго двоичного умножителя - 28 соединен со вторым входом многоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 27. Выход с первого двоичного умножителя - 26 обеспечивает выдачу малоразрядного цифрового кода, а выход второго двоичного умножителя - 28 - многоразрядного цифрового кода. Элементы с 3-19 образуют отрицательную обратную связь, с 19-20 - положительную обратную связь. Элементы 13-17 обеспечивают выход малоразрядного цифрового кода, а элементы 26-28 позволяют увеличить количество разрядов цифрового кода.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описано в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И. Принцип организации цифровых машин. Л.: Машиностроение. 1974, 432 с., Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, М.: Мир т.1-3, 1993.

Работа предлагаемого устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента - 1, под действием ускорения, вызывает смещение центра автоколебаний относительно нулевого положения. Это смещение фиксирует датчик угла - 2, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты - 3. Выходной сигнал с датчика угла - 2 имеет фазу 0° или 180° относительно несущей частоты. Полосовой фильтр - 4 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла - 2 на усилитель - 5. На информационные JK-входы универсального JK-триггера - 12 сигнал должен подаваться в противофазе. Для этого усиленный сигнал по напряжению с усилителя - 5, для одного из входов, инвертируется на инверторе - 7. Первые и вторые эммитерные повторители - 6 и 8 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления усилителя - 5 и инвертора - 7 с низкоомным входным сопротивлением информационных входов JK-триггера - 12. Для определения направления действия ускорения, фазы сигналов с датчика - 2 и генератора - 3 сравниваются на JK-триггере - 12, для работы которого необходимо подать на синхронный С-вход (третий вход) импульс определенной длительности. Формируют этот импульс фазосдвигающая цепь - 9, компаратор - 10 и формирователь длительности импульса несущей частоты - 11. Фазосдвигающая цепь - 9 обеспечивает сдвиг фазы гармонического сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через полосовой фильтр - 4 и усилитель - 5. Компаратор - 10 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты - 11. Если фаза отклонения чувствительного элемента - 1 совпадает с фазой генератора несущей частоты - 3, то в момент подачи импульса несущей частоты JK-триггер переходит в устойчивое состояние "1", в противном случае "0". Кварцевый генератор - 16 вырабатывает прямоугольные, стабилизированные по частоте импульсы (f≥1 МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов - 15 вырабатывает синхронизированные по времени управляющие синхроимпульсы необходимые для работы всего устройства. Ждущие синхронные генераторы - 13 и - 14, взводимые от JK-триггера - 12, вырабатывают короткие (длительностью, определяемой частотой устройства распределения синхроимпульсов - 15) импульсы, частота которых определяется частотой переключения триггера - 12. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента - 1 на асинхронный RS-триггер - 17 подается импульс либо с ждущего синхронного генератора - 13, либо - 14, т.е. асинхронный RS-триггер - 17 переключается с частотой JK-триггера - 12. Входной сигнал с асинхронного RS-триггера - 17 не может быть непосредственно подан на вход датчика момента - 19 ввиду своей нестабильности по амплитуде. Для повышения точности измерения этот импульс подается на прецизионный релейный элемент - 18, осуществляющий стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с прецизионного релейного элемента - 18 подается на один из входов датчика моментов - 19, который возвращает чувствительный элемент - 1 в исходное положение. В положительную обратную связь датчика моментов - 19 включен сглаживающий фильтр третьего порядка - 20, выделяющий постоянную составляющую входного сигнала с прецизионного релейного элемента - 18. На первые входы схем совпадения (схем "И") - 21 и - 22 подаются сигналы со второго выхода асинхронного RS-триггера - 17, на другие - импульсы счета с устройства распределения синхроимпульсов - 15. В зависимости от состояния триггера - 17 эти импульсы будут проходить либо на суммирующий (первый), либо на вычитающий (второй) вход малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 23. По окончании периода колебания информация из счетчика (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов - 15 (импульс на С-вход регистра) переписывается в итоговый регистр малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 24. Следующим синхроимпульсом с устройства распределения синхроимпульсов - 15 на вход сброса R₀ малоразрядный реверсивный двоичный счетчик - 23 обнуляется, при этом положительная информация представляется в прямом коде, а отрицательная - в дополнительном. На выходе итогового регистра малоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 24 имеется информация, равная разности временных интервалов. Информация с итогового регистра реверсивного двоичного счетчика - 24 поступает на вход преобразователя цифровой информации в прямой код - 25, а затем на первый вход первого двоичного умножителя - 26, на выходе которого число синхроимпульсов с устройства распределения синхроимпульсов - 15 будет пропорционально малоразрядному цифровому коду. Синхроимпульсы с первого двоичного умножителя - 26 поступают на суммирующий вход многоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 27. Информация с выхода второго реверсивного двоичного счетчика - 27 является относительным цифровым кодом, и эта информация подается на второй вход второго двоичного умножителя - 28. Число импульсов с выхода второго двоичного умножителя - 28, пропорциональных цифровому коду, подается на вычитающий (второй) вход многоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 27. Информация с выхода первого двоичного умножителя - 26 представляется в виде малоразрядного цифрового кода, а с выхода второго двоичного умножителя - 28 - в виде многоразрядного двоичного умножителя.

В предлагаемом устройстве для измерения ускорений положительная обратная связь охватывает все устройство в целом, устойчивость обеспечивается параметрами сглаживающего фильтра третьего порядка - 20 в отрицательной обратной связи. Точность работы устройства для измерения ускорений определяется коэффициентом передачи полосового фильтра - 4, усилителем - 5 и порогом срабатывания прецизионного релейного элемента - 18, а также разрядностью реверсивных двоичных счетчиков - 23 и 27.

Предлагаемое устройство для измерения ускорений относится к самонастраивающей автоколебательной системе, и увеличение точности связано с увеличением частоты автоколебаний и наличием многоразрядного цифрового кода. Это обеспечивается путем введения первого двоичного умножителя на суммирующий вход многоразрядного реверсивного двоичного умножителя, на вычитающий вход которого введен, в обратную связь, второй двоичный умножитель.

Покажем, что включение перечисленных элементов (26-28) приводит к увеличению цифрового кода. Многоразрядный реверсивный двоичный счетчик - 28 можно представить в виде интегрирующего звена охваченного отрицательной обратной связью. Передаточную функцию многоразрядного реверсивного двоичного счетчика можно представить в виде:

где К=К1/К2, Т=1/К2, К1 - коэффициент передачи двоичного умножителя в прямой ветви, равный К1=f/2ⁿ¹. К2 - коэффициент передачи двоичного умножителя в обратной связи реверсивного двоичного счетчика, равный K2=f/2ⁿ², где n1 и n2 - разрядность, f - частота, S - преобразователь Лапласа. После подстановки значений К1 и К2 в К получим K=2^n1-n2. Пусть разрядность прямой ветви равна n1=8, а разрядность обратной связи равна n2=16, тогда значение коэффициента передачи реверсивного двоичного счетчика будет равно К=2⁸=256 и постоянная времени реверсивного двоичного счетчика равна

Включение в устройство для измерения ускорений многоразрядного реверсивного двоичного счетчика - 27 с двоичным умножителем - 28 в обратной связи позволяет расширить цифровой код в 256 раз по сравнению с прототипом и соответственно повысить точность измерения ускорений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах стабилизации, наведения и навигации. Технический результат - повышение точности. Для достижения данного результата выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр третьего порядка. Выход асинхронного RS-триггера соединен по информационным входам с двумя схемами совпадения, к выходам которых последовательно подсоединены малоразрядный реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, многоразрядный реверсивный двоичный счетчик. 1 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эммитерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель, второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр третьего порядка, выход асинхронного RS-триггера соединен по информационным входам с двумя схемами совпадения, отличающееся тем, что в него введены последовательно с выхода двух схем совпадения к входу второго двоичного умножителя малоразрядный реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, многоразрядный реверсивный двоичный счетчик, второй вход которого соединен с выходом второго двоичного умножителя, кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя, а генератор несущей частоты последовательно соединен с третьим входом синхронного JK-триггера через фазосдвигающую цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса и с входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр, выход второго двоичного умножителя является выходом многоразрядного цифрового кода устройства, а выход первого двоичного умножителя является выходом малоразрядного цифрового кода.