RU2190858C1

RU2190858C1 - Device measuring acceleration

Info

Publication number: RU2190858C1
Application number: RU2001128672/28A
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 meant to be used as sensitive element in stabilization, guidance and navigation systems. It includes analog and digital channels. Digital channel incorporates synchronization circuit, controlling automation, two digitizers, adder, comparator, asynchronous D flip-flop, coincidence circuit, reversible binary counter and summary register. Analog channel incorporated integrator, stabilizing filter, voltage-to-current converter, torque generator, amplifier. EFFECT: increased speed of response 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 (а.с. 742801, МПК⁷ G 01 P 15/00, 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 (AS 742801, IPC ⁷ G 01 P 15/00, published in BI 23, 1980), comprising a sensor, an angle sensor, an integrated feedback amplifier, a torque sensor, an additional integration amplifier, electronic a key, a threshold element, wherein the first 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 RU 2163380 С1, МПК⁷ G 01 Р 15/00, 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 D-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 с входом датчика момента, выход усилителя соединен с 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 D-триггера соединен с вторым входом схемы синхронизации.The closest in technical solution is a device (patent RU 2163380 C1, IPC ⁷ G 01 P 15/00, 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 , the second sampler, comparator, final register, reverse counter, matching circuitry are connected respectively to the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outputs cx We 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.

Настоящее изобретение решает задачу повышения быстродействия устройства для измерения ускорений. The present invention solves the problem of increasing the speed of the device for measuring acceleration.

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 синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, 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 управляющий автомат, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации, второй вход - с вторым выходом асинхронного D-триггера, а первый, второй и третий выходы управляющего автомата соединены соответственно с вторыми входами итогового регистра, реверсивного двоичного счетчика и схемы совпадения. This is achieved by the fact that in the device for measuring acceleration containing an analog channel including a serially 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 information inputs, the first sampler, adder, second sampler, comparator, asynchronous D-flip-flop, match circuit, reversible counter and total register, and the second output is inter the grater, 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 output of a digital code, a control automaton is introduced, the first input of which is connected to the fifth output of the synchronization circuit, the second input - with the second output of the asynchronous o D-flip-flop, and the first, second and third outputs of the control machine are connected respectively to the second inputs of the final register, a reversible binary counter and a matching circuit.

Введение в цифровой канал управляющего автомата повышает быстродействие, расширяет полосу пропускания, а введение в отрицательную обратную связь интегратора со стабилизирующим фильтром обеспечивает устойчивость устройства для измерения ускорений. The introduction of a control automaton into the digital channel increases the speed, extends the passband, and the introduction of the integrator into the negative feedback with the stabilizing filter ensures the stability of the device for measuring accelerations.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства; на фиг.3 - граф работы управляющего автомата. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 is a diagram explaining the principle of operation of the device; figure 3 - graph of the control machine.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с входом интегратора 4, первый 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, второй выход интегратора 4 соединен 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 входом асинхронного D-триггера 12, второй и третий выходы асинхронного D-триггера 12 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 13, первый и второй выходы схемы совпадения 13 соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного двоичного счетчика 14, выход реверсивного двоичного счетчика 14 соединен с первым входом итогового регистра 15, вторые входы первого дискретизатора 8, сумматора 9, второго дискретизатора 10 и компаратора 11 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации 16, вход которой соединен с вторым выходом первого дискретизатора 8, пятый выход схемы синхронизации 16 соединен с первым входом управляющего автомата 17, второй вход управляющего автомата 17 соединен с первым выходом асинхронного D-триггера 12, первые входы схемы совпадения 13, реверсивного двоичного счетчика 14 соединены соответственно с третьим и вторым выходами управляющего автомата 17, первый выход управляющего автомата 17 соединен с вторым входом итогового регистра 15. 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 first output of the integrator 4 is connected to the input of the filter stabilizer 5, the output of which is connected to the input of the converter voltage-current 6, and the output of the voltage-current converter 6 is connected to the input of the torque sensor 7, the second output of the integrator 4 is connected to the first input of the first sampler 8, the first output of which is connected to the first input and 9, the output of the 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 input of the asynchronous D-trigger 12, the second and third outputs of the asynchronous D-trigger 12 are connected to the first and the second inputs of the matching circuit 13, the first and second outputs of the matching circuit 13 are connected respectively to the first and second inputs of the reversing binary counter 14, the output of the reversing binary counter 14 is connected to the first input of the final register 15, the second inputs are the first sampler 8, adder 9, second sampler 10 and comparator 11 are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the synchronization circuit 16, the input of which is connected to the second output of the first sampler 8, the fifth output of the synchronization circuit 16 is connected to the first input of the control machine 17 , the second input of the control machine 17 is connected to the first output of the asynchronous D-flip-flop 12, the first inputs of the match circuit 13, the reverse binary counter 14 are connected respectively to the third and second outputs of the control machine 17, the first output of the control machine 17 is connected to the second input of the final register 15.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, описано в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432 с., П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир., т.1-3, 1999. The internal content of the blocks that implement the device for measuring acceleration is described in the books by Mayorov S.A., Novikov G.I. The principles of organization of digital machines. L .: Engineering, 1974, 432 pp., P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. 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 (l, 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 16. 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 16. С второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 16 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 с второго выхода схемы синхронизации 16 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 8 и 16, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход которого поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 16. 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 16. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 16, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 11 - низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 в виде уровня поступает на вход асинхронного D-триггера 12, сигналы с второго и третьего выхода которого (прямой и инверсный) поступают на соответствующие входы схемы совпадения 13. Первый выход асинхронного D-триггера 12 соединен с вторым входом управляющего автомата 17, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации 16 (фиг.2а). Сигнал с первого выхода асинхронного D-триггера 12 (фиг.2b) поступает на второй вход управляющего автомата 17, используется для формирования управляющих сигналов записи информации в итоговый регистр 15 (фиг.2г) и установки реверсивного двоичного счетчика в исходное состояние (фиг.2d). Under the action of the acceleration W on the sensitive element 1, made in the form of a pendulum, the inertial moment mlW acts (l, m 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 16. 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 16. From the second output of the first sampler 8, the signal is fed to the input of the synchronization circuit 16 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 16 a triangular parametric signal, adds the signal from outputs 8 and 16, 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 input of which receives a control signal from the third output of the synchronization circuit 16. The second sampler 10 stores the 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 16. If the signal with the output of the second sampler 10 is more than the triangular voltage from the output of the synchronization circuit 16, then the output of the comparator 11 will have a high logic level, if less, then the output of the comparator 11 will have a low log level. The signal from the output of the comparator 11 in the form of a level is fed to the input of the asynchronous D-trigger 12, the signals from the second and third outputs of which (direct and inverse) are fed to the corresponding inputs of the matching circuit 13. The first output of the asynchronous D-trigger 12 is connected to the second input of the control machine 17, the first input of which is connected to the fifth output of the synchronization circuit 16 (Fig. 2a). The signal from the first output of the asynchronous D-flip-flop 12 (Fig.2b) is fed to the second input of the control automaton 17, it is used to generate control signals for recording information in the final register 15 (Fig.2g) and to set the reverse binary counter to its initial state (Fig.2d) )

В зависимости от уровня сигнала с асинхронного D-триггера 12 сигналы поступают либо на прямой, либо на инверсные входы схемы совпадения 13. На третий вход схемы совпадения 13 поступают импульсы (фиг.2е) счета с третьего выхода управляющего автомата 17. Выходные сигналы схемы совпадения 13 поступают соответственно на первый и второй входы реверсивного двоичного счетчика 14. В зависимости от уровня сигнала со схемы совпадения 13 сигнал поступает либо на первый суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 14, либо на вычитающий вход реверсивного двоичного счетчика 14. Сигнал в виде цифрового кода с выхода реверсивного двоичного счетчика 14 поступает на информационные входы итогового регистра 15, на второй вход которого поступает импульс записи информации (n₁) (фиг.2с) с первого выхода управляющего автомата 17. По импульсу (n₂) (фиг.2b) с второго выхода управляющего автомата 17 осуществляется установка счетчика 14 в начальное состояние. Выход итогового регистра 15 является входом цифрового кода устройства для измерения ускорений.Depending on the signal level from the asynchronous D-flip-flop 12, the signals are supplied either directly or to the inverse inputs of the matching circuit 13. The third input of the matching circuit 13 receives pulses (Fig.2e) from the third output of the control automaton 17. The output signals of the matching circuit 13 are received respectively at the first and second inputs of the reversible binary counter 14. Depending on the signal level from the matching circuit 13, the signal is supplied either to the first summing input of the reversible binary counter 14, or to the subtracting input of the reversible binary counter binary counter 14. The signal in the form of a digital code from the output of the reversible binary counter 14 is fed to the information inputs of the final register 15, the second input of which receives an information recording pulse (n ₁ ) (Fig. 2c) from the first output of the control automaton 17. According to the pulse ( n ₂ ) (fig.2b) from the second output of the control machine 17 is the installation of the counter 14 in the initial state. The output of the final register 15 is the input of the digital code of the device for measuring accelerations.

За счет введения в цифровой канал управляющего автомата увеличивается быстродействие устройства для измерения ускорения в три раза. Время преобразования информации и коэффициент эффективности устройства соответственно равны:

где n - разрядность счетчика (14), f_т - тактовая частота со схемы синхронизации (16).By introducing a control automaton into the digital channel, the speed of the device for measuring acceleration is increased three times. The information conversion time and the device efficiency coefficient are respectively equal to:

where n is the bit width of the counter (14), f _t is the clock frequency from the synchronization circuit (16).

У прототипа

Увеличение быстродействия устройства связано с тем, что начальная установка реверсивного двоичного счетчика 14 не "0" а "+1" (фиг.2d), т.к. единичный импульс используется в качестве импульса записи n₁ (фиг.2г), второй импульс используется для установки счетчика (14) в начальное состояние n₂ (импульс установки счетчика в начальное состояние "+1").The prototype

The increase in device performance is due to the fact that the initial installation of the reverse binary counter 14 is not "0" but "+1" (Fig.2d), because a single pulse is used as a write pulse n ₁ (Fig.2d), the second pulse is used to set the counter (14) to the initial state n ₂ (pulse to set the counter to the initial state "+1").

Граф работы управляющего автомата при поступлении на вход информации U₁₂= 1 представлен на фиг.3 (где T_u - тактовые импульсы). В зависимости от уровня сигнала на триггере 12 (U₁₂) и от импульса U₁ управляющего автомата 17 счетчик 15 устанавливается в "1" (при состоянии счетчика 1 0). Затем импульс записывается в итоговый регистр 14 по импульсу U₂ и значение в итоговом регистре соответствует значению (при состоянии счетчика 0 1).The operation graph of the control machine when information U ₁₂ = 1 is input is presented in FIG. 3 (where T _u are clock pulses). Depending on the signal level on the trigger 12 (U ₁₂ ) and on the pulse U _{1 of the} control automaton 17, the counter 15 is set to "1" (with the counter state 1 0). Then the pulse is recorded in the final register 14 by the pulse U ₂ and the value in the final register corresponds to the value (with the counter status 0 1).

Увеличение быстродействия устройства для измерения ускорения приводит к расширению полосы пропускания. The increase in speed of the device for measuring acceleration leads to an increase in bandwidth.

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, an asynchronous D-flip-flop, a match circuit, a reversible counter and a final register, the second output of the integrator being an analog the 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 of the final register is digital code output, characterized in that a control automaton is inserted into it, the first input of which is connected to the fifth output of the synchronization circuit, the second input is connected to the second output of the async of a D-flip-flop, and the first second and third outputs of the control automaton are connected respectively to the second inputs of the final register, a reverse counter and a matching circuit.