NO860609L

NO860609L - Instrument med digital utgang.

Info

Publication number: NO860609L
Application number: NO860609A
Authority: NO
Inventors: Kurt E Steinke
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1986-02-18
Also published as: IT8548235A0; GB8603995D0; IT1184278B; GB2169717A; DE3590290T1; JPS61502489A; WO1986000416A1; KR860700292A; EP0190165A1; IL75470A0; AU4491885A

Description

Teknisk område

Denne oppfinnelse angår et måleinstrument såsom et servoregulert aksellerometer, med digital utgang.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Typiske aksellerometre har en analog utgang i form av strøm, spenning eller frekvens. For å grensesnitt-tilpasse et slikt instrument til en digital datamaskin må det analoge signal omdannes til digital form. For strøm- og spennings-instrumenter blir dette vanligvis foretatt med en analog/frekvens-omformer. I tilfelle av et aksellerometer med frekvens-utgang eller en spennings/frekvens-omformning, er det nødvendig med en datamaskin eller en annen frekvensmåling for å frem-bringe en digital utgang. I en konfigurasjon med åpen sløyfe er et slikt instrument ikke lineært. I et instrument med luk-ket sløyfe har utgangen et høyt støynivå og ulike skalafaktorer for positive og negative innganger.

Resymé av oppfinnelsen

I henhold til foreliggende oppfinnelse har et servoregulert instrument et forskyvbart element med en anordning for på-trykking av kraft på elementet for å returnere dette til sin null-stilling. En detektor som er følsom for elementets forskyvning fra null-stillingen har et analogt utgangssignal med en polaritet som angir retningen av forskyvningen og en amplitude som representerer størrelsen av forskyvningen. En analog/ digital-omformer (A/D-omformer) er påvirkbar av detektorens utgangssignal og har en digital utgang som representerer den avfølte stimulus som elementet er følsomt for. En digital/ analog-omformer (D/A-omformer) har en inngang forbundet med utgangen av A/D-omformeren og en analog utgang forbundet med kraftorganet for det forskyvbare element for å returnere dette til null-stillingen. Den digitale utgang av A/D-omformeren gir en instrumentutgang som er datamaskin-kompatibel.

Mer spesielt er A/D-omformeren en akkumulator hvis utgang er halvparten av en full telling for en null-tilstand ved fravær av en stimulus som virker på forskyvningselementet og som inkrementerer for den ene polaritet av detektorens utgangs signal og dekrementerer for den motsatte polaritet av detektorens utgangssignal.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er at D/A-omformeren har en bipolar analog utgang som er lik null for en digital inngang på halvparten av full skala.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og av tegningen som skjematisk viser et servoregulert aksellerometer og en digital utgangskrets, for illustrasjon av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen er illustrert og skal beskrives i form av et aksellerometer med kraftrebalansering eller servoregulering. Forskjellige aspekter av oppfinnelsen kan brukes ved andre digitale instrumenter som har et element som er forskyvbart fra en null-posisjon i avhengighet av en avfølt stimulus. Patent-kravene skal ikke ansees begrenset til et aksellerometer eller til andre detaljer ved det som her er beskrevet, unntatt når det er uttrykkelig angitt.

Aksellerometeret 10 har et masse-element 11 som gjennom

et hengselparti 12 er forbundet med en hoveddel 13. Masse-elementet 11 er forskyvbart i motsatte retninger fra sin null-eller hvilestilling under påvirkning av en aksellerasjon som har en komponent i samme retning som den dobbelte pil 14. Be-vegelse av elementet 11 avføles av differensialkondensatorer som omfatter plater 15, 16 og en plate (ikke vist) på det forskyvbare element 11. En tilbakeføringskraft påtrykkes det forskyvbare element av en strøm som flyter gjennom spoler 17, 18. Frembringelsen av tilbakeføringsstrøm skal beskrives nedenfor. Ytterligere detaljer ved et slikt aksellerometer kan finnes i U.S. patent 3.702.073.i navnet Jacobs.

En detektorkrets 20 koblet til kondensatorplatene 15, 16 har et analogt utgangssignal med en polaritet som angir retningen av forskyvningen av elementet 11 og en amplitude som representerer størrelsen av forskyvningen eller en annen avfølt stimulus. Detektorens utgangssignal er forbundet med inngangen på en opp/ned-akkumulator 21 som inkrementeres for en polaritet av detektorens utgangssignal og dekrementeres for den annen polaritet av detektorens utgangssignal. En forsterker 22 kan være forbundet mellom detektoren 20 og akkumulatoren 21 for å skallere det analoge signal, sørge for isolasjon mellom detektoren og akkumulatoren og å avstedkomme frekvenskompensasjon dersom det skulle være ønskelig.

Den opp/ned-teller 21 som er vist på tegningen har en utgang på 16 bit som utgjør en binær digital utgang som representerer den stimulus som påvirker det forskyvbare element 11. Akkumulatorens utgang er nominelt halvparten av en full telling for en null-tilstand av det forskyvbare element 11, f.eks. ved fravær av aksellerasjon. Det binære digitale utgangssignal kan gå gjennom en buffer for å gi passende signalamplitude og isolasjon. Bufferutgangen er typisk forbundet med en datamaskin eller annet prosesseringsutstyr for digitale signaler.

Utgangen av opp/ned-akkumulatoren 21 er også forbundet med inngangen på en bipolar D/A-omformer 25 som har en utgang lik null for en halv telling av de 16 inngangsbits. Den analoge utgang av D/A-omformeren 25 er forbundet med kraftspolene 17, 18 for å returnere det forskyvbare element til en null-stilling. Hensiktsmessige klokkeinngangssignaler leveres til akkumulatoren 21 og D/A-omformeren 25. En forsterker 26 kan være koblet mellom utgangen av D/A-omformeren 2 5 og kraftspolene 17, 18 for å skallere strømmen til spolene og å gi frekvenskompensasjon.

Når aksellerometeret 10 avføler aksellerasjon vil den analoge utgang av detektoren 20 bevirke at akkumulatoren 21 teller opp eller ned. D/A-omformerén 25 frembringer en analog re-balanseringsstrøm som returnerer det forskyvbare element 11 til sin null-stilling.

Akkumulatoren 21 har en utgang med lav støy som er direkte kompatibel med en digital datamaskin. Nullinngangs-forspennings-feil kan kompenseres for i bufferkretsen ved å inkorporere en adderings- eller subtraherings-tellekrets. Da instrumentet er beregnet til å ha grensesnitt mot en digital datamaskin kan denne forspenningskorreksjon også besørges ved addisjon eller subtraksjon av tellinger i den påfølgende prosessering.

Under temperatur- og aksellerasjonsmodellrepresentasjon (modeling) kan feil i detektoren, akkumulatoren og omformeren representeres sammen med temperatur- og aksellerasjonsfeil i aksellerometeret 10. En sammensatt korreksjon er programmert

i datamaskinen som aksellerometeret skal brukes med.

Den rebalanseringsstrøm som typisk er nødvendig vil være mellom tellinger i akkumulatoren og trinn i D/A-omformeren 25. Den 16 bits akkumulator som er vist på tegningen gir en 16

bits utgangsoppløsning som er omtrent 1/4 mG ved et aksellerometer med et fullt område på 20 G. De to minst signifikante bits i den binære digitale utgang kan undertrykkes for å unngå ustabilitet i den digitale utgang, eller avlesningene kan sam-ples og gjennomsnittes for å øke oppløsningen ut over de nominelle 16 35 bits. Ettersom servosløyfen tvinger detektor^-utgangen til et gjennomsnitt lik null over tid, vil de minst signifikante bits ha et arbeidsforhold (duty cycled) til gjennomsnitt proporsjonalt mellom trinnene. Som en ytterligere fordel vil akkumulatorens og D/A-omformerens utganger omskifte eller svitsje frem og tilbake de minst signifikante bits. Dette påvirker ikke den binære digitale utgang. Det har en gunstig virkning med et instrument som har en tapp/sten-montering istedenfor et hengsel som vist på tegningen, ved at det forskyvbare element bringes til å vibrere om null-posisjonen. Dette reduserer feil som skyldes hysterese og ikke-repeterbar-het.

Flertydighet (aliasing) er en feil som opptrer når et instrument avleses av en datamaskin.- Utgangsendringer er syni lige for datamaskinen bare ved overganger i datamaskinens klokkesignal. Normalt vil utgangen av instrumentet endre seg på ett eller annet tidspunkt forskjellig fra datamaskinens klokkeoverganger. Hvis tiden til en negativtgående utgangs-endring fra instrumentet er 10,5 datamaskin-klokkeperioder,

vil tiden overfor datamaskinen opptre som 10 klokkeperioder. Hvis tiden til den neste positivtgående endring også er 10,5 klokkeperioder, vil dette for datamaskinen opptre som 11 klokkeperioder. Hvis endringene fortsetter med denne takt (én eller annen brøkdel av datamaskin^-klokketakten) gir dette en feil i den tilsynelatende gjennomsnittsutgang som sees av datamaskinen.

Dette instrument kan synkroniseres med en systemklokke slik at utgangsovergangene kan opptre bare etter et helt antall datamaskinklokkeperioder. Dette eliminerer flertydighet og øker ikke gjennomsnittsfeilen, fordi hvis en overgang for-sinkes blir feilen lagret som manglende fullstendig rebalan-sering av pendelen, og en påfølgende overgang med samme polaritet vil opptre før eller senere.

Claims

1. Servoregulert instrument med digital utgang, omfattende: et element som er forskyvbart i to motsatte retninger fra en null-posisjon under påvirkning av en avfølt stimulus, en anordning for påtrykning av en kraft på elementet for å returnere dette til null-posisjonen, en detektor som er påvirkbar ved forskyvning av elementet fra null-posisjonen, med et analogt utgangssignal som har en polaritet som angir retningen av elementets forskyvning fra null-posisjonen og en amplitude som representerer størrelsen av den avfølte stimulus, en A/D-omformer som er påvirkbar av detektorens utgangssignal og har en digital utgang som representerer den avfølte stimulus som elementet er følsomt for, og en D/A-omformer med en inngang forbundet med utgangen av A/D-omformeren og en anaiog utgang forbundet med anordningen for påtrykning av en kraft på elementet.

2. Instrument ifølge krav 1 karakterisert ved at A/D-omformeren er en akkumulator som er påvirkbar av detektorens utgangssignal og har en binær digital utgang som representerer den avfølte stimulus som elementet er følsomt for.

3. Instrument ifølge krav 2 karakterisert ved at akkumulatoren er en teller som teller oppad ved den ene polaritet av detektorens utgangssignal og teller nedad for den motsatte polaritet av detektorens utgangssignal.

4. Instrument ifølge krav 3 karakterisert ved at utgangen av akkumulatoren er halvparten av en f ull', telling ved en null-tilstand i fravær :av en stimulus som påvirker det forskyvbare element.

5. Instrument ifølge krav 1, karakterisert ved en forsterker koblet mellom detektoren og A/D-omformeren.

6. Instrument ifølge krav 5, karakterisert ved at forsterkeren gir frekvenskompensasjon for det analoge utgangssignal fra detektoren.

7. Instrument ifølge krav 1, karakterisert ved at A/D-omformeren har en utgang på n bits hvor de m mest signifikante bits gir et digitalt mål på den avfølte stimulus og de (n-m) minst signifikante bits bevirker vibrering av det forskyvbare element.

8. Instrument ifølge krav 1, karakterisert ved en bufferkrets forbundet med utgangen av A/D-omformeren for å avlede en binær digital representasjon av den avfølte stimulus fra denne.

9. Instrument ifølge krav 8, karakterisert ved at bufferkretsen kompenserer det digitale utgangssignal for forspenning i utgangen av instrumentet med en null-tilstand av den avfølte stimulus.

10. Instrument ifølge krav 1, karakterisert ved at D/A-omformeren har en bipolar analog utgang.

11. Instrument ifølge krav 10, karakterisert ved at D/A-omformeren har en analog utgang lik null for en digital utgang på halvparten av full skala.

12. Instrument ifølge krav 1, karakterisert ved en forsterker koblet mellom D/A-omformeren og den anordning som påtrykker kraften.

13. Instrument ifølge krav 10, karakterisert ved en forsterker koblet mellom D/A-omformeren og den anordning som påtrykker kraften.

14. Instrument ifølge krav 12, karakterisert ved at forsterkeren besørger frekvenskompensasjon for det analoge utgangssignal fra D/A-omformeren.

15. Instrument ifølge krav 13, karakterisert ved at forsterkeren besørger frekvenskompensasjon for det analoge utgangssignal fra D/A-omformeren.

16. Servoregulert instrument med en binær digital utgang omfattende : en anordning for påtrykning av en kraft på elementet for å returnere dette til null-posisjon, en detektor som er påvirkbar av forskyvning av elementet fra null-posisjonen, med et analogt utgangssignal hvis polaritet angir retningen av forskyvningen av elementet fra null-posisjonen og en amplitude som representerer størrelsen av den avfølte stimulus, en akkumulator som er påvirkbar av detektorens utgangssignal og med en binær digital utgang som representerer den avfølte stimulus som elementet er følsomt for, hvilken akkumulator inkrementeres for den ene polaritet av utgangssignalet og dekrementeres for den motsatte polaritet av utgangssignalet, og utgangen av akkumulatoren er halvparten av full telling i fravær av en stimulus som påvirker det forskyvbare element, og en D/A-omformer med en inngang forbundet med utgangen av A/D-omformeren og en bipolar analog utgang som er forbundet med anordningen for påtrykning av en kraft på elementet, hvor en digital utgang på halvparten av full skala tilsvarer en analog utgang lik null fra D/A-omformeren.

17. Servoregulert aksellerometer med en masse som er bevegbar i motsatte retninger fra en null-posisjon under påvirkning av aksellerasjoner, og en anordning for påtrykning av en rebalan-seringskraft på massen, med en digital utgangskrets omfattende: en detektor som er påvirkbar av forskyvning av massen fra null-posisjonen, med et analogt utgangssignal hvis polaritet angir retningen av aksellerasjonen og en amplitude som representerer dennes intensitet, en A/D-omformer som er påvirkbar av det analoge detektor-utgangssignal og med en digital utgang som representerer den avfølte aksellerasjon, og en D/A-omformer med en inngang forbundet med utgangen av A/D-omformeren og en analog utgang forbundet med anordningen for påtrykning av en tilbakeføringskraft på massen.