Устройство для измерения ускорений

 

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Введение двух активных параллельных отрицательных обратных связей, содержащих в одной фильтр верхних частот, а в другой цифровой интегратор, скорость интегрирования которого меняется в зависимости от состояния малоразрядного двоичного реверсивного счетчика, малоразрядного итогового регистра и двоичного умножителя, позволило создать устройство с расширенной полосой пропускания. 1 ил.

Устройство предназначено для применения в качестве 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 №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, источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет отрицательной обратной связи осуществить компенсацию электрических помех.

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

Наиболее близким по техническому решению является устройство (RU 2171994 C1, G 01 P 15/13, 2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента, включенный в обратную связь последовательно соединенных по информационным входам к выходу усилителя первого эмиттерного повторителя, синхронного JK-триггера, ждущих синхронных генераторов, асинхронного RS-триггера, схем совпадения, реверсивного двоичного счетчика, первого регистра стека, второго регистра стека, преобразователя кода, первого комбинационного двоичного сумматора, комбинационного сдвигателя, второго комбинационного двоичного сумматора, прецизионного релейного элемента, выход которого соединен с входом датчика момента, выход усилителя соединен со вторым входом синхроного JK-триггера через инвертор и второй эмиттерный повторитель, первый регистр стека соединен со вторым входом первого комбинационного двоичного сумматора, а выход второго регистра стека соединен со вторым входом комбинационного двоичного сумматора. Устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов выход которого соединен со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, реверсионного двоичного счетчика, первого и второго регистра стека. В устройство введен генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, генератор несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, а датчик угла соединен с входом усилителя через полосовой фильтр.

Недостатком устройства является малое быстродействие, полоса пропускания и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру определяющий точность.

Задачей предложенного технического решения является повышение точности измерения ускорения и расширение полосы пропускания устройства.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, интегрирующий усилитель, отрицательную обратную связь, содержащую датчик момента, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, схемы совпадения, введены две активные параллельные отрицательные обратные связи: одна, аналоговая, с выхода интегрирующего усилителя на вход второго суммирующего элемента через последовательно включенные - первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжение - ток; другая, цифровая, с выхода интегрирующего усилителя на другой вход второго суммирующего элемента через последовательно включенные - первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, первую пару схем совпадения, другой вход которых соединен с выходом схемы синхронизации, малоразрядный реверсивный двоичный счетчик, малоразрядный итоговый регистр, преобразователь цифровой информации в прямой код, двоичный умножитель, вторую пару схем совпадения, другой вход которых соединен с выходом знакового разряда малоразрядного регистра, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, другой вход которой соединен со схемой синхронизации через суммирующий счетчик, второй прецизионный релейный элемент, второй преобразователь напряжение - ток, кроме того, дополнительные входы малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, малоразрядного итогового регистра, ждущих синхронных генераторов соединены с одним из выходов схемы синхронизации, вход которой соединен с выходом генератора стабильной частоты, другой выход схемы синхронизации соединен с одним из входов первого суммирующего элемента через генератор пилообразного напряжения, а также в устройство введен генератор опорного напряжения, один выход которого соединен с входом датчика угла, другой - со вторым входом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ через второй логический элемент, и выход датчика угла соединен с входом интегрирующего усилителя, причем выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

Введение двух активных параллельных отрицательных обратных связей позволило повысить точность измерения ускорения и расширить полосу пропускания предложенного устройства.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого фиксирует датчик утла 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика утла 2 соединена с интегрирующим усилителем переменного тока со стабильным коэффициентом усиления 4, выход которого соединен с входом первого логического элемента 5. Вход второго логического элемента 6 соединен с одним из выходов генератора опорного напряжения 3, а выход соединен с одним из входов схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7, другой вход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 соединен с выходом первого логического элемента 5. Выход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 соединен с входом первого прецизионного элемента 8, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра 9. Один из выходов сглаживающего фильтра 9 соединен с фильтром верхних частот 10, выход которого, первый через преобразователь напряжение - ток 11, соединен с одним из входов второго суммирующего элемента 12, выход которого соединен с датчиком моментов 13, другой выход сглаживающего фильтра 9 соединен с одним из входов первого суммирующего элемента 14, другой вход 14 соединен с выходом генератора стабильной частоты 15 через схему синхронизации 16 и генератор пилообразного напряжения 17. Выход первого суммирующего элемента 14 соединен с входом релейного элемента 18, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов 19 и 20. Выход ждущего синхронного генератора 19 соединен с R входом RS-триггера 21, а выход ждущего синхронного генератора 20 соединен с S входом RS-триггера 21. Выходы RS-триггера 21 соединены соответственно с одним из входов схемы совпадения 22 и 23, другие входы которых соединены с выходом схемы синхронизации 16. Выходы схем совпадения 22 и 23 соединены с входами малоразрядного реверсивного двоичного счетчика 24, другой вход счетчика 24 соединен с выходом схемы синхронизации 16. Входами малоразрядного итогового регистра 25 является выход малоразрядного реверсивного двоичного счетчика 24 и выход схемы синхронизации 16. Выход малоразрядного итогового регистра 25 соединен с входом преобразователя цифровой информации в прямой код 26, выход которого соединен с входами двоичного умножителя 27, выход двоичного умножителя 27 соединен с входами схем совпадения 28 и 29, другие входы 28 и 29 соединены с выходом знакового разряда малоразрядного итогового регистра 25. Выходы схем совпадения 28 и 29 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного двоичного счетчика 30. Выход реверсивного двоичного счетчика 30 соединен с входом схемы сравнения 31, другой вход 31 соединен с выходом схемы синхронизации 16 через суммирующий счетчик 32. Вход второго прецизионного релейного элемента 33 соединен с выходом схемы сравнения 31, а выход второго прецизионного релейного элемента 33 соединен с входом второго преобразователя напряжение - ток 34. Выход второго преобразователя напряжение - ток 34 соединен с одним из входов второго суммирующего элемента 12. Информация о действующем ускорении в цифровом коде выдается с выхода реверсивного двоичного счетчика 30.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описаны 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 устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом.

Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксируется датчиком угла 2 индукционного типа, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты. Выходной сигнал с датчика утла 2 усиливается интегрирующим усилителем переменного тока 4 со стабильным коэффициентом усиления. С выхода первого логического элемента 5 входящий сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с U_max-2,4 В и U_min-0,2 В с частотой генератора опорного напряжения 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора опорного напряжения 3. На выходе элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Выходные сигналы с 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг, то на выходе схемы 7 имеем логический "0", если же сигналы с 5 и 6 имеют фазовый сдвиг отличный от нуля, то на выходе 7 имеем логическую "1". Форма выходного сигнала с 7 аналогична форме сигналов со схемы 5 и 6. Выходной сигнал с выхода 7 поступает на вход прецизионного релейного элемента 8, переключение которого происходит на несущей частоте генератора 3 и осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода 7. Сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода 8 в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1. Фильтр верхних частот 10, включенный в одну из параллельных отрицательных обратных связей, обеспечивает заданную форму переходного процесса в устройстве и включен на выход фильтра 9. Так как входом для датчика моментов 13 является ток, то с выхода фильтра 10 на вход второго суммирующего элемента 12 включен первый преобразователь напряжение - ток 11. Выход второго суммирующего элемента 12 соединен с токовой обмоткой датчика моментов 13. Сглаженный сигнал с фильтра 9 поступает на один из входов первого суммирующего элемента 14, включенного в другую параллельную отрицательную обратную связь. На другой вход суммирующего элемента 14 поступает сигнал с генератора пилообразного напряжения 17, для которого входным сигналом является сигнал со схемы синхронизации 16. Генератор стабильной частоты 17 подключен к входу схемы синхронизации 16. На выходе первого суммирующего элемента 14 имеем сигнал в виде пилы, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Релейный элемент 18, включенный на выход 14, срабатывает по знаку сигнала с выхода суммирующего элемента 14, и сигнал в виде ШИМа (широтно-импульсной модуляции) поступает на входы ждущих синхронных генераторов 19 и 20, которые взводятся от релейного элемента 18 и вырабатывают короткие (длительностью, определяемой частотой привязки схемы синхронизации 16) импульсы, частота которых определяется частотой переключения 18. В зависимости от фазы на RS-триггер 21 подается импульс с генератора 19 либо с генератора 20. На один из входов схем совпадения 22 и 23 (схем И) подаются сигналы с выхода RS-тригтера 21, на другие - импульсы счета со схемы синхронизации 16. В зависимости от состояния триггера 21 импульсы будут подаваться либо на суммирующий, либо на вычитающий входы малоразрядного реверсивного двоичного счетчика 24. По окончании периода колебания чувствительного элемента 1 информация из счетчика 24 (равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу импульса установки со схемы синхронизации 16 переписывается в малоразрядный итоговый регистр 25 по импульсу записи со схемы синхронизации 16. Цифровой код с итогового регистра поступает в преобразователь цифровой информации в прямой код 26. Положительная информация в малоразрядном итоговом регистре 25 представляется в прямом коде, а отрицательная - в дополнительном. Старший знаковый разряд показывает направление отклонения чувствительного элемента 1. Цифровой код с 26 поступает на двоичный умножитель 27, сигнал на выходе которого представляется в виде синхроимпульсов (где х - цифровой код с 26, f - частота заполнения с устройства 16, n - разрядность молоразрядного реверсивного двоичного счетчика). Синхроимпульсы с двоичного умножителя 27, пропорциональные цифровому коду, поступают на выходы схем совпадения 28 и 29, на другие входы которых поступает старший знаковый разряд с малоразрядного итогового регистра 25. Если знаковый разряд с 25 совпадает с знаковым разрядом цифрового кода с 27, то цифровой код с 27 поступает на суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 30, в противном случае - на отрицательный вход счетчика 30. Информация со счетчика 30 (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 16 поступает на один из входов схемы сравнения 31, другой вход 31 соединен с выходом суммирующего счетчика 32, заполнение которого осуществляется с частотой заполнения с устройства 16. Цифровые коды с 30 и 32 сравниваются схемой сравнения 31, если код с 30 больше, чем с 32, на выходе 31 имеем логический "0", в противном случае "1". Информация со схемы сравнения 31 поступает на вход второго прецизионного релейного элемента 33, переключение которого осуществляется с частотой с устройства распределения синхроимпульсов 16, и выходной сигнал в виде ШИМа поступает на второй вход второго суммирующего элемента 12 через второй преобразователь напряжение-ток 34. Под действием сигналов, поступающих на датчик момента 13 с 12, чувствительный элемент 1 возвращается в исходное (нулевое) положение.

Информация об ускорении объекта в виде цифрового кода поступает с выхода реверсивного двоичного счетчика 30.

Введение в устройство двух параллельных активных отрицательных обратных связей позволяет создать устройство повышенной точности с изодромой по переменному току, обеспечивающей заданное качество переходного процесса и фильтрацию, а также изменение скорости интегрирования в зависимости от состояния малоразрядного реверсивного двоичного счетчика 24, малоразрядного итогового регистра 25 и двоичного умножителя 27.

Формула изобретения

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель, отрицательную обратную связь с датчиком момента, ждущими синхронными генераторами, RS-триггером, схемой совпадения, отличающееся тем, что в него введены две активные параллельные отрицательные обратные связи: одна, аналоговая, с выхода интегрирующего усилителя на вход второго суммирующего элемента через последовательно включенные - первый логический элемент, схему исключающее ИЛИ, первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжение-ток; другая, цифровая, с выхода интегрирующего усилителя на другой вход второго суммирующего элемента через последовательно включенные - первый логический элемент, схему исключающее “или”, первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, первую пару схемы совпадения, другой вход которых соединен с выходом схемы синхронизации, малоразрядный реверсивный двоичный счетчик, малоразрядный итоговый регистр, преобразователь цифровой информации в прямой код, двоичный умножитель, вторую пару схемы совпадения, другой вход которых соединен с выходом знакового разряда малоразрядного регистра, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, другой вход которой соединен со схемой синхронизации через суммирующий счетчик, второй прецизионный релейный элемент, второй преобразователь напряжение-ток, кроме того, дополнительные входы малоразрядного реверсивного двоичного счетчика, малоразрядного итогового регистра, ждущих синхронных генераторов соединены с одним из выходов схемы синхронизации, вход которой соединен с выходом генератора стабильной частоты, другой выход схемы синхронизации соединен с одним из входов первого суммирующего элемента через генератор пилообразного напряжения, а также в устройство введен генератор опорного напряжения, один выход которого соединен с входом датчика угла, другой - с входом схемы исключающее ИЛИ через второй логический элемент, и выход датчика угла соединен с входом усилителя, причем выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1