Датчик угловой скорости Советский патент 1987 года по МПК G01P9/00 G01P3/46 

Изобретение относится к измери- тельньй технике и может быть использовано в качестве измерителя и индикатора угловой скорости, положения и ускорения подвижных объектов, преимущественно в навигации, для определения параметров движения танкеров и судов большого водоизмещения.

Цель изобретения - повышение достоверности выходной информации датчика угловой скорости за счет снижения инструментальной погрешности датчика угловой скорости при одновременном осуществлении непрерывного

to

блоки 30 эмиттерных повторителей (выполняется в виде (N+1) отдельных эмиттерных повторителей), источник 31 опорного напряжения, управляемый потенциометр 32, выполненный, в част ности, в виде последовательно соединенных ограничительного резистора и фотодиода так, что его выходное напряжение определяется интенсивностью освещения, операционный усилитель 33, счетчик 34, идентичньй счетчику 25 циклов, а также дишифратор 35, осуществляющий преобразование четырехразрядного двоично-десятичного

контроля его исправности, а также об- 5 кода соответствующей цифры выходной

легчения съема выходной информации. На фиг.1 изображена схема датчика угловой скорости; на фиг.2 - схема блока индикации; на фиг. 3 - 5 - временные диаграммы, поясняющие выполнение генератора и работу устройства.

Датчик угловой скорости содержит последовательно соединенные чувствительный элемент 1, усилитель 2, пер- вый. мультиплексор 3, сумматор 4, интегратор 5, компаратор 6, первый D-триггер 7, второй мультиплексор 8, реверсивный двоично-десятичный счетчик 9, блок 10 регистров, третий мултиплексор И и блок 12 индикации, а также источник 13 опорного напряжения, выход которого через аналого- управляемый инвертор-повторитель 14 подключен ко второму входу сумматора 4, генератор 15, первый счетчик 16 циклов, дешифратор 17, второй 18, третий 19 и четвертьй 20 D-триггеры, четыре элемента И 2 - 24, причем элементы 23 и 24 вьшолнены с инвер- тируюпоми вторыми входами, и второй счетчик 25 циклов.

Выходы счетчика 16 циклов соединены через дешифратор 17 с управляющим входами мультиплексора 3, а счетчика 25 циклов - непосредственно с. управляющими входами мультиплексора 11.

Блок 10 регистров включает регистры 26 и 27 для хранения (N-1) старших разрядов выходного кода N-разряд ного счетчика 9 и знака выходной информации (регистр 27 вьшолняется одноразрядным) .

Блок 2 включает блок 28 индикаторов (он вьшолнен в виде (N+1) отдельных индикаторов для индикации знака, выходного кода и сигнала неисправности, набор резисторов 29,

блоки 30 эмиттерных повторителей (выполняется в виде (N+1) отдельных эмиттерных повторителей), источник 31 опорного напряжения, управляемый потенциометр 32, выполненный, в частности, в виде последовательно соединенных ограничительного резистора и фотодиода так, что его выходное напряжение определяется интенсивностью освещения, операционный усилитель 33, счетчик 34, идентичньй счетчику 25 циклов, а также дишифратор 35, осуществляющий преобразование четырехразрядного двоично-десятичного

информации в семисегментный код, поступающий на вход светодиодного индикатора блока 28.

Датчик угловой скорости работает 0 следующим образом.

Выходное напряжение чувствительного элемента 1 после усилителя 2 поступает через мультиплексор 3 на первый вход сумматора 4. На его второй вход поступает опорное напряжение с третьего выхода источника 13, знак которого определяется состоянием триггера 7, который управляет инвертором-повторителем 14. Если на выходе три1 Гера 7 присутствует потенциал логической единицы (в дальнейшем используется логика), то на второй вход сумматора 4 подается напряжение - Е .

5

0

5

0.

5

0

5

Источник 13 вьтолняется, например, в виде последовательно соединенных собственно источника опорного напряжения, выход которого является третьим выходом источника 13, и делителя напряжения, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым выходом источника 13. Источник 13 может быть также вьшолнен в виде трех отдельных источников напряжения.

В результате, при нулевом напряжении на вьпсоде усилителя 2, интегратор 5 заряжается за одинакобые промежутки времени, поскольку триггер 7 тактируется с частотой f генератором 15 (фиг.З), а на информационном входе триггера 7 потенциал меняется вследствие срабатьшания компарато- ра 6. При положительном напряжении на первом входе компаратора 6, на его выходе присутствует нулевой лопяческий уровень.

Генератор 6 осуществляет синхронизацию работы датчика и вьшолняется по стандартной методике синтеза

цифровых автоматов на основании временной диаграммы его работы, пример которой дан на фиг.3-5. В частности генератор может быть выполнен в виде последовательно соединенных за- дающего генератора, кольцевого счетчика и дешифратора. Счетчик осуществляет подсчет числа импульсов задающего генератора в течение периода временных диаграмм по фиг.3-5, а де- шифратор - формирование изображенных на них последовательностей импульсов по последовательности состояний счетчика. Выходы дешифратора соединяются с соответствующими выходами генератора 15, а по окончании указанного периода счетчик генератора 15 обнуляется.

Напряжение Е,„ на третьем выходе источника 13 выбирается более макси- мального выходного напряжения усилителя 2 так, что, при положительной полярности последнего, заряд интегратора 5 осуществляется быстрее, чем разряд. При этом счетчик 9 осущест- вляет подсчет числа импульсов (частота на входе счетчика 9 присутствуе только в течение цикла) частоты на . втором выходе генератора 15. Направление счета определяется потенциалом на одном из выходов триггера 7 в зависимости от состояния знакового триггера 18. Причем, если на управляющем входе мультиплексора 8 присутствует логическая единица, то он соединяет инверсный выход триггера 7 со знаковым входом счетчика 9, а при нулевом уровне на его управляющем входе - прямой выход триггера 7 со знаковым входом счетчика 9. .

Мультиплексор 8 может быть реализован в виде двух ключей с объединенными, выходами, входы которого соединены со -входами мультиплексора 8, и инвертора, причем на управляющий вход первого ключа управляющий сигнал поступает непосредственно, а на .управляющий вход второго - через инвертор.

В результате, при чрезвычайно малом положительном значении выходного напряжения усилителя 2,счетчик 9 в течение некоторого времени осуществляет поочередное накопление с проти воположными знаками, а интегратор 5 разряжается и заряжается с переходом через нуль. Однако максимум отрицательного напряжения на интеграторе 5

становится все меньше по абсолютное величине и в определенный момент импульс на тактовый вход счетчика 9 поступит дважды со знаком плюс.

При значительном напряжении на входе интегратора 5 его работа осуществляется аналогично, однако именно вышеописанньш процесс преобразования позволяет повысить чувствительность датчика, так как интегратор 5 осуществляет накопление входного напряжения в течение всего цикла, работая в то же время на линейном участке характеристики.

Необходимо отметить также, что нестабильность опорного напряжения источника 13 и тактовой частоты генератора 15 не сказывается существенным образом на величине кода, накопленного в счетчике 9, поскольку при изменении Е скорость заряда и разряда интегратора 5 изменится в одинаковой степени, а на величину выходного кода влияет лишь их разность а при изменении частоты одновременно изменяется тактовая частота на входе счетчика 9 и время его заполнения (длительность цикла), для чего все выходные импульсы генератора 15 еле- дует формировать из одного импульсного, сигнала(например задающего генератора) .

Второй существенной особенностью предлагаемого датчика является то, что выходной код счетчика 9, несмотря на то, что он вьшолнен реверсивным и представляет собой модуль угловой скорости. Так, при достижении счетчиком 9 нулевого состояния и нулевом уровне на выходе мультиплексора В (что соответствует счету в минус), на выходе переноса счетчика 9 возникает уровень логической единицы, который в момент появления очередного импульса на третьем выходе генератора 15 (фиг.З) через элемент 21 поступает на тактовый вход триггера 18, изменяя таким образом направление счета счетчика 9 через мультиплексор 8. В этом случае, при появлении очередного импульса на пятом выходе генератора 15 модуль выходного кода перепишется в . регистр 26, а знак - в регистр 27 блока 10 (элемент 24 открыт). Затем, с.появлением импульса на четвертом выходе генератора 15, счетчик 9 и триггер 18 обнуляются. Это позволяет

осуществлять непосредственную индикацию кода, накопленного в счетчике 9, без дешифрации дополнительного кода в прямой и одновременно осуществлять простой и надежный контроль достоверности выходной информации в контрольных циклах (заштрихованные импульсы на фиг.4). С этой целью выходной код счетчика 16, который вьтолняется кольцевым, т.е. работает без внешнего обнуления, а обнуляется в момент переполнения, поступает на дешифратор 17, управляющий работой мультиплексора 3. Например, если счетчик 16 вьшолнен пятиразрядным, т.е. имеет тридцать два различных состояния, то тридцать состояний являются рабочими, а тридцатое и тридцать второе - контрольными. В этом случае коды от 00000 до 01111 на выходе счетчика 16 преобразуются дешифратором 17 в первый управляющий сигнал, например 100, поступающий на соответствующие входы мультиплексора 3, код 10111 - во второй управляющий сигнал, HanpHbjep 010, а код 11111 - в третий, например 001 Мультиплексор 3 может быть вьтол- нен при этом в виде трех ключей, на

входы которых поступают соответствен- 30 тригге 19 запишется единица и блок

но сигналы с выхода усилителя 2, первого и второго выходов источника 13, выходы которых объединены, а управляющие входы соединены соответственно с первой, второй и третьей выходными шинами дешифратора 17. Тогда, в течение первых тридцати циклов через мультиплексор 3 на сумматор 4 поступит выходное напряжение

усилителя 2, в течение тридцать пер- 40. вательно, код, вырабатываемый в конвого цикла - контрольное положительное напряжение с первого выхода, источника 13, а в течение тридцать второго - контрольное отрицательное напряжение, которое выбирается по модулю большим в два раза, чем положительное напряжение в тридцать первом цикле.

В этом случае (при исправной работе Датчика) код в счетчике 9 за первый контрольный цикл достигнет некоторого значения, затем во втором контрольном цикле начнет уменьшаться пройдя же через нуль, вновь начнет увеличиваться и достигнет значения, при котором единица появится в старшем разряде (половина емкости счетчика 9). Например, если напряжение

на первом выходе источника 13 соответствует 17/30 емкости счетчика 9, то появление единицы в старшем разряде должно произойти позже середины

тридцать второго цикла (второго контрольного ), но раньше его окончания . В середине же тридцать второго цикла на вход записи триггера 20 подается импульс (он поступает с 9-го

выхода генератора 15). При этом (в случае исправной работы датчика) единица в старшем разряде счетчика появляется в указанный интервал времени и при наличии единицы на прямом

выходе триггера 18, что соответствует знаку минус выходного кода. Этот единичный уровень осуществляет через элемент 22 сброс триггера 20 так, что, в момент поступления импульса записи на тактовый вход триггера 19, в этот триггер запишется ноль и индикация неисправности произведена не будет.

В случае же непоявления единицы в

старшем разряде счетчика 9 в требуе- мьш интервал времени между появлением установочного импульса на девятом выходе генератора 15 и окончанием второго контрольного цикла, в

12 произведет индикацию неисправности, а оператор прекратит съем выходной информации.

Между контрольными циклами счет- 35 чик 9 не обнуляется (для этой цели служит элемент 23), а импульс считывания не поступает на вход блока 10 после обоих контрольных циклов (для этой цели служит элемент 24), следотрольньтх циклах не индицируется.

Рассмотрим процесс индикации. Каждые четыре разряда выходного кода двоично-десятичного счетчика 9, представляющие одну десятичную цифру выходного кода датчика, поочередно поступают на мультиплексор 11 из соответствующих разрядов регистра 26

на вход дешифратора 35. Управление работой мультиплексора 11 осуществляется счетчиком 25 циклов. Например, если блок 28 включает четыре индикатора значащих цифр, то после каждых трех импульсов на шестом выходе генератора 15 появляется импульс на его седьмом выходе (фиг.5).

Каждому из состояний; 00, 10, 01 счетчика 25 циклов соответствует

Определенное состояние мультиплексора 11, который может быть выполнен в виде входного дешифратора и четырех групп по четыре ключа, причем выходы одноименных ключей в каждой группе объединены (выходы первых ключей всех групп, .вторых и т.д.). Управляющие входы ключей объединены внутри каждой группы и соединены с выходами входного дешифратора, который вьш1еуказанные последовательности состояний трансформирует в позиционный код: 1000, 0100, 0010, 0001.

В этом случае двоичный эквивалент десятичных цифр поочередно поступает через кабель, .которьй на фиг.1 изображен в виде разрыва входных шин блока 12, на вход дешифратора 35, на выходе которого присутствует семи- сегментный эквивалент соответствую- шей двоичной цифры.

Возможно также выполнение счетчика 25 в виде четырехразрядного распределителя импульсов. Тогда мультиплексор 11 может быть выполнен без входного дешифратора.

Счетчик 34 работает синхронно со счетчиком 25 и также может бйть выполнен в виде четырехразрядного распределителя импульсов или вьш1еописаи ным образом в виде последовательно соединенных двухразрядного двоичного счетчика и дешифратора, вьтолнение которого совпадает с выполнением вхоного дешифратора мультиплексора 11.

При этом (в момент появления еди- ницы на одном из выходов счетчика 34 циклов) открывается транзистор соответствующего .эмиттерного повторителя блока 30 и напряжение питания со второго выхода источника 31 поступает на шину питания соответствующего цифрового индикатора блока 28.

В результате поджигаются те све- тодиоды этого индикатора, на катоде которых присутствует потенциал общей точки (через соответствующий выход- ,ной транзистор дешифратора 35). На коллектор каждого из транзисторов 3MHTTej)Hbix повторителей блока 30 поступает напряжение питания, эмиттер соединен с анодом соответствующего индикатора блока 28, на базу поступает управляющий сигнал со счетчика 34. Питание этого счетчика осуществляется от операционного усилителя 33, который производит сравнение регулируемого опорного напряжения,

поступающего с потенциометра 32, с напряжением на соответствующем выходе блока 30. При этом яркость индикаторов блока 28 возрастает с увели- чением внешней освещенности и не зависит от разброса параметров эмит- терных повторителей блока 30, выходных транзисторов дешифратора 35 и, главное, от высвечиваемой цифры, так как операционный усилитель 33 осуществляет непрерьгоное слежение за величиной питающего напряжения счетчика 34, изменяя таким образом и напряжение, поступающее на вход блока 28, счетчик 34 вьшолняется при этом по К-МОП-технологии так, что амплитуда его выходного сигнала (логической единицы) с высокой степенью точности равна питающему напряжению.

20

Источник 31 выполняется в виде маломощного, но высокостабильного источника опорного напряжения, выход которого соединен со входом управляе- мого потенциометра 32, и более мощного источника, запитывающего блок 30, к которому не предъявляется высоких требований.

Формула изобретения

30 35

40

1. Датчик угловой скорости, содержащий последовательно соединенные чувствительный элемент и усилитель, источник опорного напряжения, генератор, счетчик, два триггера, а также последовательно соединенные сумматор и интегратор, отличающийся тем, что, с целью повыше- ния достоверности выходной информации датчика, в него введены три мультиплексора, компаратор, инвертор-повторитель , блок регистров, два счетчика циклов, дешифратор, блок

43 индикации, третий и четвертый триггеры и четыре элемента И, при этом триггеры выполнены в виде D-тригге- ров, выход усилителя соединен с первым-входом первого мультиплексора,

5( выход которого соединён с первым входом сумматора, выход интегратора соединен с первым входом компаратора второй вход которого соединен с шиной общей точки, а выход - с инфор55 мационным входом первого триггера, первьй выход которого соединен с первым входом второго мультиплексора, выход которого соединен со знаковым входом счетчика, выходы разрядов которого соединены с первой группой входов блока регистров, выходы которого соединены с информационными входами блока индикации, первый выход генератора соединен с тактовым входом первого триггера, второй выход которого соединен с вторым входом второго мультиплексора, управляющим входом инвертора-повторителя и информационным входом второго триггера, первый выход которого соединен с управляющим входом второго мультиплексора и знаковым входом блока регистров, знаковый выход которого соединен с соответствующим входом блока индикации, второй выход генератора соединен с входом первого счетчика циклов, выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с управляющими входами первого мультиплексора, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами источника опорного напряжения третий выход которого соединен с входом инвертора-повторителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, третий выход генератора соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом второго триггера, установочный вход которого соединен с первым входом второго элемента И и четвертым выходом генератора, пятый выход которого соединен с первым входом третьего элемента И и с тактовым входом третьего триггера, выход которого соединен с входом индикации неисправности блока индикации, тактовьш и установочный входы которого соединены соответственно с тактовым и установочными входами второго счетчика циклов и шестым и седьмым выходами генератора, восьмой выход которого соединен с тактовым входом счетчика, выход переполнения

и выход старшего разряда которого соединены соответственно с вторым входом nepBoi o элемента Икс первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом четвертого триггера, вход записи которого соединен с девятью выходом генератора, а выход - с информационным входом третьего триггера, причем десятый и одинадцатьй выходы генератора соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с установочным входом счетчика и тактовым входом блока регистров, выходы второго счетчика циклов соединены с управляющими входами третьего мультиплексора, второй выход второго триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И, а информационный вход четвертого / триггера соединен с шиной логического нуля.

2. Датчик поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что блок индикации вьшолнен в виде последовательно соединенных источника опорного напряжения, регулируемого потенциометра, операционного усилителя, счетчика, блока эмиттерных повторителей и блока индикаторов, информационные входы которого через дешифратор соединены с информационными входами блока индикации, вход индикации неисправнос- ти и знаковый вход которого соединены с соответствующими входами блока индикаторов, при этом тактовый и установочный входы блока индикации соединены с соответствующими вх:ода- ми счетчика, а второй выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом блока эмиттерных повторителей, выходы которого соединены через развя зы- вающие резисторы с вторым входом операционного усилителя.

Изобретение может быть использовано в. качеств е измерителя и индикатора угловой скорости, положения и ускорения подвижных объектов. Цель изобретения - повьш1ение достоверности выходной информации устройства. Оно содержит чувствительный элемент I,усилитель 2, мультиплексоры 3, 8, II,сумматор 4, интегратор 5, компаратор 6, D-триггеры 7,18-20, счетчик 9, блок 10 регистров, блок индикации, источник 13 опорного напряжения, инвертор-повторитель 14, генератор 15, счетчик 16 циклов, дешифратор 17, элементы И 21-24 и счетчик 25 циклов. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет снизить инструментальные погрешности устройства при одновременном осуществлении непрерывного контроля его исправности и облегчении съема выходной информации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (О (Л фи.2