Адаптивное устройство для измерения угла наклона Советский патент 1993 года по МПК G01C9/06 

(А)

Дз

/ (Т5)

п +1

1 jST

2 D

nf

а неравенство (5) конкретизируется следую- и щим образом.

/Xn(K)-X/ (

Отметим важную особенность предлагаемого адаптивного измерительного преобразователя: как видно из неравенства (tO) первое слагаемое в правой части убывает по степенному закону, т.е. погрешность АЦП в данном устройстве подавляется со скоростью убывания степенной функции.

А

2 L

Г-ЛМ L . Дв J

+1

(13)

2 D

nf

и

35

40

ДБ Таким образом, предельная точность обсуждаемого адаптивного измерителя и его допустимый диапазон измерений (динамический диапазон) определяются только точностью Дц и динамическим диапазоном L используемого в схеме ЦАП.

При этом, как видно из соотношения (13) характеристики АЦП определяют только скорость (число тактов п), в которой рассматриваемый адаптивный измеритель выходит на уровень предельной точности измерений ±Дц/2. Из полученных формул, в частности следует, что при ( Да Дц) точность Дц/2 достигается на втором такте работы измерителя. А предельный диапазон, в котором можно проводить с его помощью измерений напряжений, будет шире диапазона исходного АЦП в Да/ Дц раз, т.е.

-Ј°

(14)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к средствам для определения углов наклона. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит индуктивно-емкостной датчик 1, включенный в контур 1С-автогенератора, адаптивный блок согласования, АЦП 6, ЦАП 9, блок обработки 7. Адаптив ный блок согласования выполнен в виде схемы вычитания 2, усилителей 4 с заранее выставленными коэффициентами усиления и коммутаторов 3,5, подключающих необходимый усилитель 4 по команде с блока обработки 7 в цепь обработки сигнала блоками АЦП 6 и ЦАП 9. 1 ил.

Будем считать погрешность АЦП подавленной, когда отмеченное первое слагаемое в (tO) сравнивается со вторым (после чего точность оценки Хгг будет монотонко стремиться к значению точности ЦАП

т

/xV)00

л/ 2

1 +

Аз 2D

1 ив2D

4

В измерительной системе происходит расширение динамического диапазона D АЦП до значения 1 Да/ Дц , а точность измерений, равная Дц /2« Да/2 может быть получена уже на втором такте работы.

Это значит, что для данного случая достаточно двух операционных усилителей с коэффициентами, равными Со и d.

Если используются произвольные АЦП и ЦАП, с характеристиками не связанными соотношением (14) то при диапазоне L предельная точность А ц/2 достигается за п тактов работы измерителя (п в большинстве практических задач имеет величины 2-5 тактов) в этом случае в схему необходимо включить п коммутируемых операционных усилителей с заранее выставленными коэффициентами усиления.

После двух или п тактов работы измерение данного значения величина напряжения X на входе измерителя заканчивается, микропроцессорный управляющий блок 5 выдает адресату точное значение измеренного напряжения XV и одновременно вырабатывает и посылает во все блоки измерителя команды, возвращающие их в состояния готовности к следующему циклу измерений. Этот цикл начинается при подаче команды начала работы, подаваемой извне (автоматом или человеком) на микропроцессор и идет описанным выше образом.

В реальных условиях коэффициенты усиления Спр на каждом n-ом такте могут быть установлены на теоретическое значение Сп только с некоторой точностью, обусловленной величиной относительного разброса у

С|,(1 -y)(1 + У) (15)

Здесь у-относительная погрешность установки значений коэффициента усиления, считается не зависящей от п, а Сп - поправленные значения теоретических коэффициентов

(1+ у ),

(16)

что связано с необходимостью удержания на каждом такте величины Yn+1 выходного напряжения, снимаемого с усилителя, в рабочем диапазоне -D, D АЦП.

При учете погрешности установки коэффициентов Спр неравенство, характеризующее точность результирующих оценок .напряжения принимает вид

/хЈк)-х/Ј Гу°1+п2 /х

Lк 1

/А , , Дц ,Аз

л()+-г+Тд - л,)+ + )-(17)

Из (17) видно, что погрешности установки реальных коэффициентов усиления Спр приводят к появлению в итоговой оценке точности измерений неисчезающей с п ве- личины, пропорциональной у

/ЙК)(Л()+

(18)

0 Поправка к погрешности оценок за счет у может достигать существенных значений при у 0,05-0,1, т.к. в скобках в (18) содержится величина Лэ/2 Со Лз L/D порядка погрешности АЦП.

5 Непрерывная перестройка операционного усилителя назначения Со, Ci, Сг... даже по калиброванной последовательности управляющих напряжений, неизбежно связана с погрешностями, намного большими,

0 чем погрешности усилителей с заранее эталонно выставленными или отъюстированными коэффициентами усиления. В промышленных условиях такая установка может быть доведена до погрешностей по5 рядка долей процента.

Кроме того, т.к. п невелико, то можно пользоваться достаточно простыми и одновременно надежными и быстродействующими системами коммутации, осуществляя переключение усилителей за время, много меньшее одного такта работы АЦП.

В непрерывно перестраиваемом операционном усилителе при синхронной с тактами работы АЦП перестройке коэффициентов Сп величина погрешности в зависимости от требований к быстродействию всего измерителя, может за счет физических переходных процессов приобретать недопустимо большие значения. И тогда предельную точ0 ность измерений (18) удается достичь .только увеличивая длительность отдельного такта измерения с целью дать время на более точную установку коэффициентов Спр. Но и в этом случае точность будет ниже точности, достижимой при подключении усилителей с заранее выставленными коэффициентами усиления.

Для последних у можно считать пренебрежимо малым и для расчетов характеристик и параметров синтезируемых адаптивных измерителей пользоваться соотношениями (1-4). При этом сохраняются все качественные и количественные результаты, описанные выше в заявке.

Переход к коммутируемому составному согласующему блоку позвол яет резко повысить точность итоговых измерений по сравнению с согласующим блоком на единственном перестраиваемом в ходе на0

5

5

0

5

блюдений операционном усилителе. Одновременно снижаются ограничения по допустимой скорости перестройки богласующего блока, что позволяет повысить быстродействие всего измерительного преобразователя в целом.

Отметим, так же, что использование ЦАП с широким диапазоном выходных напряжений L и точностью А ц, даже не превосходящей Да все равно позволяет в L/D раз расширить динамический диапазон измеряемых с его помощью напряжений без потери точности.

Формула изобретения Адаптивное устройство для измерения угла наклона, содержащее последовательно соединенные автогенераторный датчик угла наклона, адаптивный блок согласования, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки, отличающееся тем, что. с целью повышения точности измерения, адаптивный блок согласования выполнен в

виде цифроаналогового преобразователя, схемы потактной синхронизации и последовательно соединенных схемы вычитания, подключенной первым входом к выходу автогенераторного датчика угла наклона, первого коммутатора, набора операционных усилителей с различными коэффициентами усиления и второго коммутатора, выходом подключенного к входу аналого-цифрового

преобразователя, соответствующие выходы блока обработки подключены к входам схемы потактной синхронизации и цифроаналогового преобразователя, связанного синхронизирующим входом с первым выходом схемы потактной синхронизации, а выходом с вторым входом схемы вычитания, второй выход схемы потактной синхронизации подключен к соответствующим входам первого и второго коммутаторов, а каждый

из операционных усилителей включен между соответствующими выходом первого и входом второго коммутаторов,