RU2190857C1

RU2190857C1 - Device measuring acceleration

Info

Publication number: RU2190857C1
Application number: RU2001128655/28A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Кутуров; В.В. Кулешов
Original assignee: Тульский государственный университет
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device is designed for use in the capacity of sensitive element in stabilization, guidance and navigation systems. It has analog and digital channels. Digital channel incorporates circuit controlling flux of input information which makes it feasible to increase speed of response of device and, consequently, to expand bandwidth. This is achieved by insertion of three-digit shift register which first input is connected to output of comparator, which second input is connected to output of synchronization circuit. Outputs of shift register are connected to input of summing register and to inputs of reversible counter. EFFECT: increased operational reliability of device. 3 dwg

Description

Устройство предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. The device is intended for use as a sensitive element in stabilization, guidance and navigation systems. The invention may find application in measuring instruments for mechanical quantities of a compensation type.

Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС 742801, МПК⁷, опубл. в БИ 23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.A device for measuring accelerations (described in AC 742801, IPC ⁷ , published in BI 23, 1980) containing a sensor, an angle sensor, an integrated feedback amplifier, a torque sensor, an additional integration amplifier, an electronic key, a threshold element is known, the first the output of the angle sensor is connected through an integrating feedback amplifier to the moment sensor, and the second output of the angle sensor through a threshold element and an additional integrating amplifier is connected to the control input of the electronic key.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the accuracy of the integrating analog amplifiers and a threshold element. In addition, the accuracy of the measurement depends on the parameters of the electronic key circuit that selects the information.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ RU 2163380 C1, MПK⁷ G 01 P 15/13, опубл. 20.02.2001, бюл. 5), содержащее аналоговый и цифровой каналы. Цифровой содержит схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный Д-триггер, схему совпадения, реверсивный счетчик и итоговый регистр. В аналоговый канал введены интегратор, фильтр и преобразователь напряжение-ток, последовательно включенные, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен со входом датчика момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, второй выход соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора, итогового регистра, реверсивного счетчика, схемы совпадения соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, второй выход асинхронного Д-триггера соединен со вторым входом схемы синхронизации.The closest in technical solution is a device (RF patent RU 2163380 C1, MPK ⁷ G 01 P 15/13, publ. 02.20.2001, bull. 5), containing analog and digital channels. The digital one contains a synchronization circuit and a first sampling device, an adder, a second sampling device, a comparator, an asynchronous D-trigger, a matching circuit, a reversing counter, and a final register connected in series through the information inputs. An integrator, a filter, and a voltage-current converter are connected in series, the output of the voltage-current converter connected to the input of the torque sensor, the output of the amplifier connected to the input of the integrator, the second output connected to the first input of the first sampler, the second inputs of the first sampler, adder , second sampler, comparator, final register, reversible counter, matching circuitry are connected respectively to the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs Hema synchronization, the second output of the first sampler is connected to a first input of the synchronization circuit, the second output asynchronous D flip-flop is connected to the second input of the synchronization circuit.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегратора, связанная с конечностью времени заряда конденсатора. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, соответственной подобной схеме выборки и обработки информации. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the accuracy of the integrator, associated with the finiteness of the charge time of the capacitor. This error leads to an aperture error corresponding to a similar sampling and information processing scheme.

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства. An object of the present invention is to expand the bandwidth of a device.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, интегратор, стабилизирующий фильтр, преобразователь напряжение-ток и датчик момента и цифровой канал, включающий схему синхронзации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также последовательно соединенные реверсивный счетчик и итоговый регистр, причем второй выход интегратора, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора и компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с входом схемы синхронизации, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода, введен трехразрядный сдвиговый регистр, первый вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход - с пятым выходом схемы синхронизации, первый выход трехразрядного сдвигового регистра соединен со вторым входом итогового регистра, а второй, третий и четвертый выходы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика. This is achieved by the fact that in the device for measuring acceleration containing an analog channel, including a series-connected sensor, an angle sensor, an amplifier, an integrator, a stabilizing filter, a voltage-current converter and a torque sensor, and a digital channel, including a synchronization circuit and connected in series via information the inputs of the first sampler, adder, second sampler, comparator, as well as series-connected reverse counter and the final register, and the second output integrat RA, which is an analog output, is connected to the first input of the first sampler, the second inputs of the first sampler, adder, second sampler, and comparator are connected respectively to the first, second, third, and fourth outputs of the synchronization circuit, the second output of the first sampler is connected to the input of the synchronization circuit, and the output the final register is the digital code output, a three-digit shift register is introduced, the first input of which is connected to the output of the comparator, the second input - with the fifth output of the synchronization circuit , The first three-bit output of the shift register is connected to the second input of the final register and the second, third and fourth outputs are connected respectively to the first, second and third inputs of the reversible counter.

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра расширяет полосу пропускания, а введение в отрицательную обратную связь интегратора со стабилизирующим фильтром обеспечивает устойчивость устройства. The introduction of a three-digit shift register into the digital channel expands the bandwidth, and the introduction of the integrator into the negative feedback with the stabilizing filter ensures the stability of the device.

На фиг. 1 изображена блок схема устройства, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, на фиг.3 - график работы трехразрядного сдвигового регистра. In FIG. 1 is a block diagram of the device, FIG. 2 is a diagram explaining the principle of operation of the device, FIG. 3 is a three-bit shift register operating schedule.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла соединен со входом усилителя 3, выход которого соединен с входом интегратора 4, выход интегратора 4 соединен с входом стабилизатора фильтра 5, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток 6, а выход преобразователя напряжение-ток 6 соединен с входом датчика момента 7, выход интегратора 4 соединен также с первым входом первого дискретизатора 8, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 9, выход сумматора 9 соединен с первым входом второго дискретизатора 10, выход второго дискретизатора 10 соединен с первым входом компаратора 11, выход компаратора 11 соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра 12 второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика 13. Выход реверсивного счетчика 13 соединен с входом итогового регистра 14, другой вход которого соединен с первым выходом трехразрядного сдвигового регистра 12. Второй выход первого дискретизатора 8 соединен с входом схемы синхронизации 15, первый второй, третий и четвертый выход которой соединен со вторыми входами первого дискретизатора 8, сумматора 9, второго дискретизатора 10 и компаратора 11. Пятый выход схемы синхронизации 15 соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра 12. The proposed device contains a sensing element 1, made in the form of a pendulum, an angle sensor 2, the output of the angle sensor is connected to the input of the amplifier 3, the output of which is connected to the input of the integrator 4, the output of the integrator 4 is connected to the input of the filter stabilizer 5, the output of which is connected to the voltage converter input -current 6, and the output of the voltage-current converter 6 is connected to the input of the torque sensor 7, the output of the integrator 4 is also connected to the first input of the first sampler 8, the first output of which is connected to the first input of the adder 9, the output One adder 9 is connected to the first input of the second sampler 10, the output of the second sampler 10 is connected to the first input of the comparator 11, the output of the comparator 11 is connected to the first input of the three-bit shift register 12, the second, third and fourth outputs of which are connected respectively to the first, second and third inputs of the reverse counter 13. The output of the reverse counter 13 is connected to the input of the final register 14, the other input of which is connected to the first output of the three-digit shift register 12. The second output of the first sampler 8 s one with the input timing circuit 15, the first second, third and fourth output which is connected to the second inputs of the first sampler 8, adder 9, the second sampler 10 and comparator 11. The fifth output of the clock circuit 15 is connected to a second input of three-bit shift register 12.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений описаны в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И., Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432с., П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники. М.: Мир., т.1-3, 1999. The internal content of the blocks that implement the device for measuring accelerations are described in the books by Mayorov S.A., Novikov G.I., Principles of organization of digital machines. L .: Engineering, 1974, 432 pp., P. Horowitz, W. Hill, The Art of Circuit Engineering. M .: Mir., T. 1-3, 1999.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. A device for measuring acceleration works as follows.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент mlW (1, m - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1 на угол α. Величина этого угла фиксируется датчиком угла 2, сигнал с которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 3, а затем на вход интегратора 4. Сигнал с интегратора 4, в виде напряжения поступает на вход стабилизирующего фильтра 5, который используется не только для обеспечения устойчивости устройства, но и для расширения полосы пропускания. Сигнал с выхода стабилизирующего фильтра 5 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, сигнал с выхода которого в виде тока поступает на вход датчика момента 7, который развивает момент для компенсации инерционного момента, вызванного действием ускорения. Выходной сигнал с интегратора 4 служит оценкой величины действующего ускорения в аналоговой форме. Сигнал с выхода интегратора 4 в виде напряжения поступает на первый вход первого дискретизатора 8, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 15. Первый дискретизатор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с интегратора 4 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 8 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 15. Under the action of the acceleration W on the sensitive element 1, made in the form of a pendulum, the inertial moment mlW acts (1, m is the length and mass of the pendulum). Under the influence of this moment, the sensing element 1 is deflected by an angle α. The value of this angle is fixed by the angle sensor 2, the signal from which is supplied in the form of voltage to the input of the amplifier 3, and then to the input of the integrator 4. The signal from the integrator 4, in the form of voltage is supplied to the input of the stabilizing filter 5, which is used not only to ensure the stability of the device but also to expand bandwidth. The signal from the output of the stabilizing filter 5 is fed to the input of the voltage-current converter 6, the signal from the output of which is supplied in the form of current to the input of the torque sensor 7, which develops a moment to compensate for the inertial moment caused by the action of acceleration. The output signal from the integrator 4 is an estimate of the magnitude of the effective acceleration in analog form. The signal from the output of the integrator 4 in the form of voltage is supplied to the first input of the first sampler 8, the second input of which receives a control signal in the form of pulses from the first output of the synchronization circuit 15. The first sampler 8 captures the value of the analog signal from the integrator 4 for the conversion time. The voltage at the output of the first sampler 8 is fixed with the arrival of each pulse from the synchronization circuit 15.

Со второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 15 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 9, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 8, а на второй вход сумматора 9 поступает со второго выхода схемы синхронизации 15 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 8 и 15, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход дискретизатора 10 поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 15. Второй дискретизатор 10 запоминает информацию с выхода сумматора 9 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 10 поступает на первый вход компаратора 11, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 10 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 15. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 15, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 11 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 (фиг.2б), в виде уровня, поступает на первый вход трехразрядного сдвигового регистра 12, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с пятого выхода схемы синхронизации 15 (фиг. 2а). На первый вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы счета U₃ (фиг.2d) "+1" при состоянии счетчика 111, на второй вход 13 (фиг.2е) импульсы U₄ "1" при состоянии счетчика 011, 001, 000. На третий вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы установки счетчика 13 в начальное состояние "+1" (фиг.2г) при состоянии счетчика 110. Запись этой информации осуществляется по импульсу записи информации U₁ (фиг.2b) при состоянии счетчика 100. Выход информации с итогового регистра 14 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.From the second output of the first sampler 8, the signal is fed to the input of the synchronization circuit 15 and is used to form the sign of the incoming information, which biases the parametric compensation signal in the positive or negative region. The adder 9, the first input of which receives a signal in the form of a step voltage from the first output of the first sampler 8, and the second input of the adder 9 receives from the second output of the synchronization circuit 15 a triangular parametric signal, adds the signal from outputs 8 and 15, shifted depending on sign up or down. The signal from the output of the adder 9 is fed to the first input of the second sampler 10, the second signal of the sampler 10 receives a control signal from the third output of the synchronization circuit 15. The second sampler 10 stores information from the output of the adder 9 for the duration of the conversion. The signal from the output of the second sampler 10 is fed to the first input of the comparator 11, in which the signal from the output of the second sampler 10 in analog form is compared with a signal of a triangular shape, isolated from the frequency and amplitude of a rectangular signal from the fourth output of the synchronization circuit 15. If the signal with the output of the second sampler 10 is more than the triangular voltage from the output of the synchronization circuit 15, then the output of the comparator 11 will be a high logical level, if less, then the output 11 will be a low logical level Level of. The signal from the output of the comparator 11 (Fig.2b), in the form of a level, is fed to the first input of a three-digit shift register 12, the second input of which receives clock pulses from the fifth output of the synchronization circuit 15 (Fig. 2a). The first input of the reverse counter 13 receives the count pulses U ₃ (Fig.2d) "+1" with the state of the counter 111, the second input 13 (Fig.2e) pulses U ₄ "1" with the state of the counter 011, 001, 000. On the third input of the reverse counter 13 receives the impulses to set the counter 13 to the initial state "+1" (Fig.2d) with the state of the counter 110. This information is recorded by the pulse of information recording U ₁ (Fig.2b) with the state of the counter 100. Information output from the final register 14 is the output of the digital code of the device for measuring accelerations.

На фиг.3 представлен график работы трехразрядого сдвигового регистра 12 при переходе информации с компаратора 11 с высокого логического уровня на низкий (U₁₁="1", U₁₁="0").Figure 3 presents the schedule of the three-digit shift register 12 when the information is transferred from the comparator 11 from a high logic level to a low one (U ₁₁ = "1", U ₁₁ = "0").

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра, осуществляющего управление потоком входной информации позволяет создавать устройство с расширенной полосой пропускания, значительным быстродействием. И расширение полосы и увеличение быстродействия связано с тем, что начальная установка реверсивного счетчика 13 не на "0", а на "+1". Introduction to the digital channel of a three-digit shift register that controls the flow of input information allows you to create a device with an expanded bandwidth, significant speed. And the expansion of the band and the increase in performance is due to the fact that the initial installation of the reverse counter 13 is not at "0", but at "+1".

Claims

An acceleration measuring device comprising an analog channel including a sensing element, an angle sensor, an amplifier, an integrator, a stabilizing filter, a voltage-current converter and a torque sensor, and a digital channel including a synchronization circuit and a first sampler, adder connected in series with the information inputs , a second sampler, a comparator, as well as a reversible counter and a final register connected in series, the second output of the integrator being analog the output is connected to the first input of the first sampler, the second inputs of the first sampler, adder, second sampler and comparators are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the synchronization circuit, the second output of the first sampler is connected to the input of the synchronization circuit, and the output of the final register is digital code output, characterized in that a three-digit shift register is introduced into it, the first input of which is connected to the output of the comparator, the second input - with the fifth output of the synchronization circuit In this case, the first output of the three-digit shift register is connected to the second input of the final register, and the second, third, and fourth outputs are connected, respectively, to the first, second, and third inputs of the reversible counter.