Датчик угловой скорости

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Р(-;

/вД

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ аа

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3901716/24-10 (22) 23.05.85 (46) 15.03.87. Бюл. К- 10 (72) Б.С.Альтшуллер, А.А.Васюхно, Л.Н,Волков, А.В.Орлов, К.И.Попов и В.M.Ôèëàòîâ (53) 531.77 (088.8) (56) Коновалов С.Ф. и др. Гироскопические системы ч.III. M. Высшая школа, 1980, с.74. о

Коновалов С.Ф. и др. Гироскопические системы, ч.III, N.: Высшая школа 1980, с. 30-33, 76. (54) ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ (57) Изобретение может быть использовано в.качестве измерителя и индикатора угловой скорости, положения и ускорения подвижных объектов. Цель

„„SU„„1296949 А 1 (51) 4. G 01 P 9/00, Д 01 P 3/46 изобретения — повышение достоверности выходной информации устройства.

Оно содержит чувствительный элемент

1, усилитель 2, мультиплексоры 3, 8, 11, 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 I5, счетчик 16 циклов, дешиф— ратор 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 осущестCl влении непрерывного контроля его исправности и облегчении съема выходной информации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

6949 2 блоки 30 змиттерных повторителей (выполняется в виде (N+1) бтдельных змиттерных повторителей), источник

31 опорного напряжения, управляемый йотенциометр 32, выполненный, в частности, в виде последовательно соединенных ограничительного резистора и фотодиода так, что его выходное напряжение определяется интенсивностью

10 освещения, операционный усилитель

33, счетчик 34, идентичный счетчику

25 циклов, а также дишифратор 35, осуществляющий преобразование четырехразрядного двоично-десятичного

15 кода соответствующей цифры выходной информации в семисегментный код, поступающий на вход светодиодного индикатора блока 28.

Датчик угловой скорости работает

20 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 ?, который управляет инвертором-повторителем 14. Если на выхо -З0 де триггера 7 присутствует потенциал, логической единицы (в дальнейшем ис-! пользуется логика}, то на второй вход сумматора 4 подается напряжение E,„

Датчик угловой скорости содержит последовательно соединенные чувствительный элемент 1, усилитель 2, первый мультиплексор 3, сумматор 4, интегратор 5, компаратор 6, первый

D-триггер 7, второй мультиплексор 8, реверсивный двоично-десятичный счетчик 9, блок 10 регистров, третий мультиплексор 11 и блок 12 индикации, а также источник 13 опорного напряжения, выход которого через аналоговый управляемый инвертор-повторитель

14 подключен ко второму входу сумма. тора 4, генератор 15, первый счетчик

16 циклов, дешифратор 17, второй 18, третий 19 и четвертый 20 В-триггеры, четыре элемента И 21 — 24, причем элементы 23 и 24 выполнены с инвертирующ."уми вторыми входами, и второй счетчик 25 циклов.

Выходы счетчика 16.циклов соединены через дешифратор 17 с управляющими 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-разрядного счетчика 9 и знака выходной информации (регистр 27 выполняется одноразрядным).

Блок 12 включает блок 28 индикаторов (он выполнен в виде (N+1) отдельных индикаторов для индикации знака, выходного кода и сигнала неисправности, набор резисторов 29, 1 129

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испопьзовано 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 эа счет снижения инструментальной погрешности датчика угловой скорости при одновременном осуществлении непрерывного контроля его исправности, а также облегчения 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.

Источник 13 выполняется, например, в виде последовательно соединенных собственно источника опорного напряжения, выход которого является третьим выходом источника 13, и делите-

4g ля напряжения, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым выходом источника 13. Источник

13 может быть также выполнен в виде трех отдельных источников напряжения.

В результате, при нулевом напряжении на выходе усилителя 2, интегратор 5 заряжается за одинаковые промежутки времени, поскольку триггер

7 тактируется с частотой f генератором 15 (фиг,,3), а на информационном входе триггера 7 потенциал меняется вследствие срабатывания компаратора 6. При положительном напряжении на первом входе компаратора 6, на его выходе присутствует нулевой логический уровень.

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

3 1 2с) 69 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 эа5 дающего генератора, кольцевого счетчика и дешифратора. Счетчик осуществляет подсчет числа импульсов задающего генератора в течение периода временных диаграмм по фиг.3-5, а де- 1р 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 !3 выбирается более максимального выходного напряжения усилителя 2 так, что, нри положительной полярности последнего, заряд интегратора 5 осуществляется быстрее, чем разряд. При этом счетчик 9 осущест- 25 вляет подсчет числа импульсов (частота на входе счетчика 9 присутствует только в течение цикла) частоты на втором выходе генератора 15. Направление счета определяется потенциалом 3р 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. 4р

Мультиплексор 8 может быть реализован в виде двух ключей с объединенными. выходами, входы кдторого соеди нены со .входами мультиплексора 8, и инвертора, причем на управляющий вход первого ключа управляющий сигнал поступает непосредственно, а на управляющий вход второго — через инвертор. 50

В результате, при черезвычайно малом положительном значении выходного напряжения усилителя 2,счетчик 9 в течение некоторого времени осуществляет поочередное накопление с проти-55 воположными знаками, а интегратор 5 разряжается и заряжается с переходом через нуль. Однако максимум отрицательного напряжения на интеграторе 5

49 4 становится все меньше по абсолютной 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 вышеописанный 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, накоп— ленного 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 следует 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 выполнен реверсивным и представляет собой модуль угловой скорости. Так, при достижении счетчиком 9 нулевого состояния и нулевом уровне на выходе мультиплексора 8 (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.3) 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!

296949 6 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 выполняется кольцевым, т.е. работает без внешнего обнуления, а обнуляется в момент переполнения, поступает на дешифратор 17, управляющий работой

-мультиплексора 3. Например, если счетчик 16 выполнен 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 )6 преобразуются дешифратором 17 в первый управляющий сигнал, например 100, поступающий на соответствующие входы мультиплексора 3, код 10111 — во второй управляющий сигнал, например 010, а код 11111 - в третий, например 001 .

Мультиплексор 3 может быть выполнен при этом в виде трех ключей, на входы которых поступают соответственно 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 первого цикла — контрольное положительное нг:пряжение с первого выхода источника 13, а в течение тридцать второго — контрольное отрицательное напряжение, которое выбирается по модулю большим и 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

40 вательно, код, вырабатываемый в контрольных циклах не индицируется.

Рассмотрим процесс индикации.

Каждые четыре разряда выходного ко45 да двоично-десятичного счетчика 9, представляющие одну десятичную цифру выходного кода датчика, поочередно поступают на мультиплексор ll из соответствующих разрядов регистра 26 на вход дешифратора 35. Управление работой мультиплексора 11 осуществля ется счетчиком 25 циклов. Например, если блок 28 включает четыре индикатора значащих цифр, то после каж55 дых 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

30 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 цикла), но раньше его окончания. В середине же тридцать второго цикла на вход записи триггера 20 подается импульс (он поступает с 9-ro 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 требуемый интервал времени между появлением установочного импульса на девятом выходе генератора 15 и окончанием второго контрольного цикла, в триггер 19 запишется единица и блок

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

Между контрольными циклами счетчик 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), следо- !

29694 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, кото- 10 рый вьппеуказанные последовательности состояний трансформирует в позиционный код2 1000, 0100, 0010, 0001.

В этом случае двоичный эквивалент десятичных цифр поочередно поступает 15 через кабель,,который на фиг.l изображен в виде разрыва входных шин блока !2, на вход дешифратора 35, на выходе которого присутствует-семисегментный эквивалент соответствую- 20 щей 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 бв!ть выполнен в виде четырехразрядного распределителя импульсов или вышеописан- 30 ным образом в виде последовательно соединенных двухразрядного двоичного счетчика и дешифратора, выполнение которого совпадает с выполнением входного дешифратора мультиплексора ll. 35

При этом (в момент появления еди ницы на одном из выходов счетчика

34 циклов) открывается транзистор соответствующего,эмиттерного повторителя блока 30 и напряжение питания <0 со второго выхода источника 31 поступает на шину питания соответствующего цифрового индикатора блока 28.

В результате поджигаются те светодиоды этого индикатора, на катоде которых присутствует потенциал общей точки (через соответствующий выходной транзистор дешифратора 35). На

KoJUMKTop каждого из транзисторов gp эмиттерных повторителей блока 30 поступает напряжение питания, эмиттер соедийен 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, 9 8 поступающего с потенциометра 32, с напряжением на соответствующем выходе блока 30. При этом яркость индикаторов блока 28 возрастает с увели- чением внешней освещенности н не зависит от разброса параметров эмиттерных повторителей блока 30, выходных транзисторов дешифратора 35 и, главное, от высвечиваемой цифры, так как операционный усилитель 33 осуществляет непрерывное слежение за величиной питающего напряжения счетчика

34, изменяя таким образом и напряже.ние, поступающее на вход блока 28, счетчик 34 выполняется при этом по

К-МОП-технологии так, что амплитуда его выходного сигнала (логической единицы) с высокой степенью точности равна питающему напряжению.

Источник 3! выполняется в виде маломощного, но высокостабильного источника опорного напряжения, выход которого соединен со входом управляемого потенциометра 32, и более мощного источника, запитывающего блок

30, к которому не предъявляется высоких требований.

Формула изобретения

l. Датчик угловой скорости, содержащий последовательно соединенные чувствительный элемент и усилитель, источник опорного напряжения, генератор, счетчик, два триггера, а также последовательно соединенные сумматор и интегратор, о т л и ч а юшийся 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 индикации, третий и четвертый триггеры и четыре элемента И, при этом триггеры выполнены в виде В-тригге- . ров, выход усилителя соединен с первым. входом первого мультиплексора, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной общей точки, а выход — с информационным входом первого триггера, первый выход которого соединен с перBblM входом второго мультиплексора, выход которого соединен со знаковым входом счетчика, выходы разрядов ко96949

9 12 торого соединены с первой группой входов блока регистров, выходы которого соединены с информационными входами блока индикации, первый выхоп генератора соединен с тактовым входом первого триггера, второй выход которого соединен с вторым входом второго мультиплексора, управляющим входом инвертора-повторителя и информационным входом второго триг гера, первый выход которого соединен с управляющим входом второго мультиплексора и знаковым входом блока регистров, знаковый выход которого сое динен 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 вы— ходами 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 так— товым входом третьего триггера, выход которого соединен с входом индикации неисправности блока индикации, тактовый 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

5 — 10

45 и выход старшего разряда которого соединены соответственно с вторым входом первого элемента И и с первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом четвертого триггера, вход записи которого соединен с девятым выходом генератора, а выход — с информационным входом третьего триггера, причем десятый и одинадцатый 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 по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что блок индикации выполнен 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 неисправности и знаковый вход которого соединены с соответствующими входами блока индикаторов, при этом тактовый и установочный входы блока индикации сое-, динены с соответствующими входа— ми счетчика, а второй выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом блока эмиттерных повторителей, выходы которого соединены через развязывающие резисторы с вторым входом операционного усилителя.

1296949

Цша

Фиг.5

Редактор А.Ревин

Заказ 772/47 Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

1 финл

Узаи

5 СЧ

4 д

Уеду

Составитель Ю.Мручко

Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар