Устройство для измерения ускорений
Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. В устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, полосовой фильтр, два эммитерных повторителя, JK- и RS-триггеры, схемы совпадения, регистры стека, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, комбинационный двоичный сумматор, прецизионный релейный элемент, преобразователь кода, компаратор, фазосдвигающую цепь, формирователь длительности импульсов, введена отрицательная обратная связь, содержащая два параллельных канала. Причем один канал включен с одного из выходов асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам одну пару схем совпадения И, реверсивный двоичный счетчик, первый регистр стека, второй регистр стека, преобразователь кода, комбинационный двоичный сумматор, первый прецизионный релейный элемент. Второй канал включен с другого выхода асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам схему сложения по модулю 2 и второй прецизионный релейный элемент. Техническим результатом является расширение полосы пропускания. 1 ил.
Предлагаемое устройство для измерения ускорений 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 №2098833, МПК6 G 01 Р 15/13, опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора. Для повышения помехоустойчивости в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, отрицательная обратная связь.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения.
Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент RU №2171994 С1, МПК7 G 01 Р 15/13, опубл. Бюл. №22 от 10.08.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента, включенный в обратную связь, и последовательно соединенные 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. Усилитель соединен с синхронным JK-триггером через инвертор и второй эмиттерный повторитель. Первый регистр стека соединен с первым комбинационным двоичным сумматором, а второй со вторым комбинационным двоичным сумматором. Устройство содержит кварцевый генератор, устройство распределения синхроимпульсов, генератор несущей частоты и фазосдвигающую цепь, компаратор, формирователь длительности импульса.
Существенным недостатком подобного устройства являются малое быстродействие и полоса пропускания, определяющая точность в установившемся режиме.
Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенного в обратную связь, полосовой фильтр, два эммитерных повторителя, JK- и RS-триггеры, схемы совпадения, регистры стека, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, комбинационный двоичный сумматор, прецизионный релейный элемент, преобразователь кода, компаратор, фазосдвигающую цепь, формирователь длительности импульсов, введена отрицательная обратная связь, содержащая два параллельных канала, причем один канал включен с одного из выходов асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам одну пару схем совпадения (И), реверсивный двоичный счетчик, первый регистр стека, второй регистр стека, преобразователь кода, комбинационный двоичный сумматор, первый прецизионный релейный элемент, второй канал включен с другого выхода асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам схему сложения по модулю 2, и второй прецизионный релейный элемент, причем второй выход первого регистра стека соединен с одним из входов комбинационного двоичного сумматора, выход которого соединен со вторым входом схемы сложения по модулю 2, а выход суммирующего устройства соединен с входом датчика моментов, один из выходов усилителя соединен через первый эмиттерный повторитель, синхронный JK-триггер, ждущие синхронные генераторы с входами асинхронного RS-триггера, другой выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эмиттерный повторитель, устройство содержит также кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, схем совпадения И, реверсивного двоичного счетчика, первого и второго регистров стека, кроме того, в устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход формирователя длительности импульса соединен с третьим входом синхронного JK-триггера, другой выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр, а выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.
Введение в отрицательную обратную связь двух параллельных каналов с прецизионными релейными элементами, управляемых знаковым разрядом комбинационного сумматора, приводит к формированию знаковых разрядов в цепи обратной связи как по основному, так и разностному сигналу, к повышению частоты переключения релейных элементов, а следовательно, к расширению полосы пропускания устройства для измерения ускорений при значительном коэффициенте усиления по разомкнутому контуру.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик 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 выходом усилителя 5 со стабильным коэффициентом передачи. Выход усилителя 5 соединен с входом первого эмиттерного повторителя 6 и инвертора 7, причем последний подключен к входу второго эмиттерного повторителя 8. Выход генератора 3 соединен с входом фазосдвигающей цепи 9, выход которой соединен с входом компаратора 10, выход которого подключен к входу формирователя длительности импульсов несущей частоты 11. Входы универсального синхронного JK-триггера 12 соединены с выходами эмиттерных повторителей 6 и 8 и формирователя длительности импульсов 11. Выходы JK-триггера 12 соединены с входами ждущих синхронных генераторов (ЖСГ)13 и 14. Другие входы (ЖСГ) 13 и 14 соединены с одним из выходов устройства распределения синхроимпульсов 15, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 16. Выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 соединены с входами асинхронного релейного RS-триггера 17. Один из выходов RS-триггера 17 соединен с одним из входов схемы совпадения (И) 18 и 19, выходы которых соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 20, являющийся цифровым выходом устройства. Другие входы схем совпадения И-18,19, реверсивного двоичного счетчика 20 соединены соединены с одним из выходов устройства распределения синхроимпульсов 15. Входами первого регистра стека 21 являются выходы с реверсивного счетчика 20 и устройства распределения синхроимпульсов 15. Вход второго регистра стека 22 соединен с выходом первого регистра стека 21 и с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. Выход второго регистра стека 22 соединен с входом преобразователя кода 23, выход которого соединен с входом комбинационного двоичного сумматора 24. Другой вход комбинационного сумматора 24 соединен с выходом первого регистра стека 21. Один выход комбинационного сумматора 24 соединен с входом первого прецизионного релейного элемента 25, другой выход 24 соединен с одним из входов схемы сложения по модулю 2 - 26, другой вход 26 соединен с одним из выходов асинхронного RS-триггера 17, а выход схемы сложения по модулю 2 - 26 соединен с входом второго прецизионного элемента 27. Выходы первого прецизионного релейного элемента 25 и второго прецизионного релейного элемента 27 соединены с входами суммирующего устройства 28, выход которого соединен с входом датчика моментов 29.
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 осуществляется следующим образом: отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 4 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на усилитель 5. На информационные входы JK-универсального синхронного JK-триггера 12 сигнал должен подаваться в противофазе. Для этого усиленный по напряжению сигнал с усилителя 5, для одного из входов синхронного JK-триггера, инвертируется на инверторе 7. Эмиттерные повторители 6 и 8 обеспечивают согласование выходного сопротивления усилителя 5 и инвертора 7 с низкоомным входным сопротивлением входов синхронного JK-триггера 12. Для определения фазы с датчика угла 2 и генератора 3 необходимо на синхронный вход синхронного JK-триггера 12 подать импульс определенной длительности. Для этого используются фазосдвигающая цепь 9, компаратор 10 и формирователь длительности импульсов 11. Фазосдвигающая цепь 9 обеспечивает сдвиг фазы сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через фильтр 4 и усилитель 5. Компаратор 10 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульсов 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 состояние I, в противном случае 0. Кварцевый генератор 16 вырабатывает прямоугольные импульсы (f≥1 МГц), обеспечивающие требуемого нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов 15 вырабатывает синхронизированные по времени управляющие синхроимпульсы, необходимые для функционирования 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 JK-триггера 12. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на асинхронный RS-триггер 17 подается импульс либо с ЖСГ 13, либо с ЖСГ 14, т.е. асинхронный RS-триггер 17 переключается с частотой JK-триггера 12. Выходной сигнал с асинхронного RS-триггера 17 и устройства распределения синхроимпульсов 15 подается на входы схем совпадения И 18 и 19.
В зависимости от состояния асинхронного триггера 17 импульсы будут проходить либо на суммирующий, либо на вычитающий входы двоичного реверсивного счетчика 20. Информация со счетчика 20
(равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 15 продвигается с первого регистра стека 21 во второй регистр стека 22. Преобразователь кода 23, входом которого является выход со второго регистра стека 22, изменяет знак знакового разряда второго регистра стека 22 на обратный, и в соответствии со значением знакового разряда преобразует цифровую информацию в дополнительный код с целью обеспечения вычитания на комбинационном двоичном сумматоре 24 цифровой информации с 21 и 23. Знаковый разряд с комбинационного сумматора 24 определяет работу первого прецизионного элемента 25. Схема сложения по модулю 2 - 26, включенная на выход асинхронного RS-триггера 17 и комбинационного двоичного сумматора 24, осуществляет управление сигналом для работы второго прецизионного элемента 27. Если знак отклонения чувствительного элемента 1 и знак разности с комбинационного двоичного сумматора 24 (один из выходов с 24 поступает на вход схемы 26) совпадает, то второй прецизионный релейный элемент 27 включается в одну сторону, в противном случае в другую. Выходные сигналы с прецизионных релейных элементов 25 и 27 поступают на соответствующие входы суммирующего устройства 28, выход которого связан с управляющей обмоткой датчика момента 29. Под действием датчика момента 29 чувствительный элемент 1 будет возвращаться к равновесному положению со скоростью
где 
- скорость движения чувствительного элемента 1;
- приращение скорости, вызванное фазовым сдвигом в линейной части устройства;
хi - максимальное отклонение чувствительного элемента 1;
xз - задержка в срабатывании прецизионного релейного элемента 25 с учетом запаздывания;
- сигнал ускорения, проходящий через прецизионный релейный элемент 27;
- сигнал ускорения, проходящий через прецизионный релейный элемент 25.
При прохождении чувствительным элементом 1 равновесного положения прецизионный релейный элемент 25 срабатывает с запаздыванием, вызванным наличием фазового сдвига в устройстве, и чувствительный элемент 1 продолжает двигаться по инерции. При этом на устройствах 26 и 24 сравнивается знак отклонения чувствительного элемента 1 и знак разности с комбинационного двоичного сумматора 24. Так как знаки не совпадают, то происходит переключение прецизионных релейных элементов 25 и 27 таким образом, что чувствительный элемент 1 начинает двигаться под действием датчика моментов 29 от равновесного положения со скоростью
Так как в предложенном устройстве чувствительный элемент 1 совершает автоколебания, то, приравняв зависимости 1 и 2, получим выражение для определения амплитуды в последующий момент времени в виде
При условии, что хi+1=хi, получим выражение для сигнала в установившемся режиме
Управляя разностью в выражении (4), можно менять динамические характеристики предлагаемого устройства. Включение прецизионных релейных элементов 25 и 27 в параллельные каналы цепи обратной связи приводит к возникновению устойчивых автоколебаний с малой амплитудой и большой частотой, а следовательно, к расширению полосы пропускания устройства для измерения ускорений.
Чувствительный элемент устройства для измерения ускорений, содержащий один прецизионный релейный элемент в обратной связи, совершает автоколебания с большой амплитудой в установившемся режиме
и малой частотой, что не позволяет расширить полосу пропускания.
Введение в устройство двух прецизионных релейных элементов в параллельные каналы способствует увеличению частоты переключения, а следовательно, приводит к расширению полосы пропускания устройства для измерения ускорений. При этом полоса пропускания возрастает во столько раз, во сколько раз амплитуда в предлагаемом устройстве меньше, чем в устройстве с одним прецизионным элементом.
Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, полосовой фильтр, два эмиттерных повторителя, JK- и RS-триггеры, схемы совпадения, регистры стека, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, комбинационный двоичный сумматор, прецизионный релейный элемент, преобразователь кода, компаратор, фазосдвигающую цепь, формирователь длительности импульсов, отличающееся тем, что в него введена отрицательная обратная связь, содержащая два параллельных канала, причем один канал включен с одного из выходов асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам одну пару схем совпадения И, реверсивный двоичный счетчик, первый регистр стека, второй регистр стека, преобразователь кода, комбинационный двоичный сумматор, первый прецизионный релейный элемент, второй канал включен с другого выхода асинхронного RS-триггера на вход суммирующего устройства через последовательно соединенные по информационным входам схему сложения по модулю 2 и второй прецизионный релейный элемент, причем второй выход первого регистра стека соединен с одним из входов комбинационного двоичного сумматора, выход которого соединен со вторым входом схемы сложения по модулю 2, а выход суммирующего устройства соединен с входом датчика моментов, один из выходов усилителя соединен через первый эмиттерный повторитель, синхронный JK-триггер, ждущие синхронные генераторы с входами асинхронного RS-триггера, другой выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эмиттерный повторитель, устройство содержит также кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, с одной парой схем совпадения И, реверсивного двоичного счетчика, первого и второго регистров стека, кроме того, в устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход формирователя длительности импульса соединен с третьим входом синхронного JK-триггера, другой выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр, а выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.
