Устройство предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, навигации и управления движением подвижных объектов, а также в медицинской технике. Изобретение может использоваться в приборах компенсационного типа, предназначенных для измерения механических величин.The device is intended for use as a sensitive element in systems for stabilization, navigation and motion control of moving objects, as well as in medical equipment. The invention can be used in compensatory type devices designed to measure mechanical quantities.
Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801 опубл. 1980 г. в БИ №23), 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 is known (described in AS No. 742801 publ. 1980 in BI No. 23), containing a sensitive element, an angle sensor, an integrating feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrating amplifier, an electronic key, a threshold element. Moreover, 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 switch.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости работы.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy, since the choice of the gain in hard negative feedback is limited by the condition of stability.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (Пат. РФ №2171995, опубл. 10.08.2001, БИ №22). содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенные в обратную связь, в которое введены последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эмиттерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эмиттерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр. К второму выходу асинхронного RS-триггера последовательно подключены по информационным входам две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, преобразователь цифровой информации в прямой код, второй реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с первым входом третьего двоичного умножителя. Первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схемы совпадения через последовательно соединенные схемы «ИЛИ», суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель. Выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, второго реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя. В устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера. Выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр. Выход второго двоичного умножителя является выходом относительного цифрового кода устройства.The closest technical solution is a device for measuring accelerations (Pat. RF No. 2171995, publ. 10.08.2001, BI No. 22). containing a sensitive element, an angle sensor, an amplifier and a moment sensor included in the feedback, into which the first emitter follower, synchronous JK flip-flop, two waiting synchronous generators, an asynchronous RS flip-flop, a precision relay element connected in series via information inputs to the output of the amplifier, are introduced , the output of which is connected to the input of the torque sensor, and the output of the amplifier is connected to the second input of the synchronous JK flip-flop through the inverter and the second emitter follower. The second input of the torque sensor is connected to the output of the precision relay element through a smoothing filter. To the second output of the asynchronous RS flip-flop, two coincidence circuits are connected in series via information inputs, the first reversible binary counter, the final register of the first binary counter, the converter of digital information into a direct code, the first binary multiplier, the converter of digital information into a direct code, the second reversible binary counter, the output of which is connected to the first input of the third binary multiplier. The first input of the third binary multiplier is connected to the outputs of the coincidence circuit through serially connected "OR" circuits, the summing binary counter, the final register of the summing binary counter, the second binary multiplier. The output of the third binary multiplier is connected to the second input of the second reversible binary counter. In addition, the device contains a crystal oscillator connected to a clock distribution device, the output of which is connected to the second inputs of two waiting synchronous generators, coincidence circuits, the first reverse binary counter, the final register of the first reverse binary counter, the second reverse binary counter, the first and second binary multiplier . A carrier frequency generator and a phase-shifting circuit connected in series to its output, a comparison device (comparator), a pulse duration shaper, the output of which is connected to the third input of the synchronous JK flip-flop, are introduced into the device. The output of the carrier frequency generator is connected to the second input of the angle sensor, the output of which is connected to the input of the amplifier through a band pass filter. The output of the second binary multiplier is the output of the device's relative digital code.
Недостатком устройства является низкая точность измерения и малая полоса пропускания. Малая полоса пропускания устройства, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.The disadvantage of the device is the low measurement accuracy and low bandwidth. The device's low bandwidth, slow response, and low open-loop gain determine steady-state accuracy.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности работы устройства для измерения ускорений.The technical objective of the present invention is to expand the bandwidth and improve the accuracy of the device for measuring accelerations.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, соединенный с полосовым фильтром, первый эмиттерный повторитель, соединенный с синхронным JK-триггером, генератор несущей частоты, соединенный с датчиком угла, последовательно соединенные по информационным входам с выхода генератора несущей частоты на вход синхронного JK-триггера, фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса несущей частоты, инвертор, соединенный с JK-триггером через второй эмиттерный повторитель, датчик момента, последовательно соединенные по информационным входам с выхода двух ждущих синхронных генераторов на вход второго реверсивного двоичного счетчика через асинхронный RS-триггер, две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр реверсивного двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, причем дополнительные входы двух ждущих синхронных генераторов, двух схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика, преобразователя цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик соединены с кварцевым генератором через устройство распределения синхроимпульсов, выходы двух схем совпадения соединены с одним из входов второго реверсивного двоичного счетчика через схему сложения, суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель, третий двоичный умножитель, и выход второго реверсивного двоичного счетчика соединен с входом третьего двоичного умножителя введена аналоговая отрицательная обратная связь с выхода полосового фильтра на один из входов датчика моментов через дифференцирующее звено, другой вход датчика моментов соединен с выходом асинхронного RS-триггера через пороговый элемент с зоной неоднозначности, и выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с входом датчика моментов через сглаживающий фильтр третьего порядка, а также выход синхронного JK-триггера соединен с двумя ждущими синхронными генераторами через интегратор, кроме того, полосовой фильтр соединен с первым эмиттерным повторителем через интегрирующий усилитель с насыщением, в обратную цепь которого введен фильтр с передаточной функцией (где s - оператор преобразования Лапласа, Т1 - постоянная времени фильтра) и выход второго реверсивного двоичного счетчика является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.This goal is achieved by the fact that in a device for measuring accelerations, containing a sensitive element, an angle sensor connected to a bandpass filter, the first emitter follower connected to a synchronous JK flip-flop, a carrier frequency generator connected to the angle sensor, connected in series via information inputs with carrier frequency generator output to the input of a synchronous JK flip-flop, a phase-shifting circuit, a comparator, a carrier frequency pulse width driver, an inverter connected to the JK flip-flop through a second emitter follower, a torque sensor connected in series via information inputs from the output of two waiting synchronous generators to the input of the second reversible binary counter through an asynchronous RS flip-flop, two coincidence circuits, the first reversible binary counter, the final register of the reversible binary counter, a converter of digital information into a direct code, the first binary multiplier, moreover, additional inputs of two waiting synchronous generators, two coincidence circuits, the first reversible a binary counter, a final register of a reversible binary counter, a converter of digital information into a direct code, the first binary multiplier, the second reversible binary counter are connected to a quartz oscillator through a clock distribution device, the outputs of the two coincidence circuits are connected to one of the inputs of the second reversible binary counter through an addition circuit, the summing binary counter, the final register of the summing binary counter, the second binary multiplier, the third binary multiplier, and the output of the second reverse binary counter is connected to the input of the third binary multiplier. the input of the torque sensor is connected to the output of the asynchronous RS flip-flop through a threshold element with an ambiguity zone, and the output of the threshold element with an ambiguity zone is connected to the input of the torque sensor through a third-order smoothing filter, and the output of the synchronous JK flip-flop is connected to two waiting synchronous generators through an integrator , in addition, the band pass filter is connected to the first emitter follower through an integrating amplifier with saturation, in the return circuit of which a filter with a transfer function is introduced
Ведение аналоговых дополнительных отрицательных обратных связей, одна с выхода интегрирующего усилителя с насыщением через фильтр с передаточной функцией на его вход, а другая, с выхода полосового фильтра, на один из входов датчика момента, через дифференцирующее звено с передаточной функцией , позволяет обеспечить устойчивость, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру и астатизм по отклонению. Кроме того, введение в дискретную отрицательную обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности, обеспечивает автоколебательный режим и измеренное ускорение пропорционально цифровому коду, который не зависит от динамических свойств устройства, что позволяет повысить точность работы устройства.Conducting analog additional negative feedbacks, one from the output of the integrator amplifier with saturation through a filter with a transfer function to its input, and the other, from the output of the band-pass filter, to one of the torque sensor inputs, through a differentiating link with a transfer function , allows you to ensure stability, increase the transmission coefficient in an open loop and astatism in deviation. In addition, the introduction of a threshold element with an ambiguity zone into the discrete negative feedback provides a self-oscillatory mode and measured acceleration in proportion to the digital code, which does not depend on the dynamic properties of the device, which improves the accuracy of the device.
На фиг 1. изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема моделирования устройства для измерения ускорений; на фиг. 3 и фиг. 4 - результаты моделирования аналоговой и дискретной версии устройства для измерения ускорений.In Fig 1. shows a functional diagram of the proposed device; in fig. 2 is a simulation diagram of a device for measuring accelerations; in fig. 3 and FIG. 4 - simulation results of the analog and discrete versions of the device for measuring accelerations.
Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком 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 входом интегрирующего усилителя с насыщением 5. В контур отрицательной обратной связи, реализованной с выхода интегрирующего усилителя с насыщением 5 на его вход, введен фильтр 6 с передаточной функцией . Выход полосового фильтра 4 соединен с входом дифференцирующего звена 7 с передаточной функцией . Выход интегрирующего усилителя с насыщением 5 соединен с входом первого эмиттерного повторителя 8 и с входом инвертора 9, причем выход последнего соединен с входом второго эмиттерного повторителя 10. Выход генератора несущей частоты 3 соединен также с входом фазосдвигающей цепи 11, выход которой соединен с входом компаратора 12. Выход компаратора 12 соединен с входом формирователя длительности импульсов несущей частоты 13. Первые и вторые входы синхронного JK-триггера 14 соединены соответственно с выходами первого и второго эмиттерных повторителей 8 и 10. Третий вход синхронного JK-триггера 14 соединен с выходом формирователя длительности импульсов несущей частоты 13. Выход синхронного JK-триггера 14 соединен с входом интегратора 15, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов 16 и 17. Другие входы ждущих синхронных генераторов 16 и 17 соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 19. Выходы ждущих синхронных генераторов 16 и 17 соединены с входами асинхронного RS-триггера 20. Первый выход асинхронного RS-триггера 20 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 21, выход которого соединен с входом датчика момента 22, второй вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра третьего порядка 23, соединенного с выходом порогового элемента с зоной неоднозначности 21. Один из входов датчика момента 22 соединен с выходом дифференцирующего звена 7. Датчик момента 22 кинематически связан с чувствительным элементом 1. Второй выход асинхронного RS-триггера 20 соединен с первыми входами схем совпадения 24 и 25 (схемы «И»). Вторые входы схем совпадения 24 и 25 соединены с выходами устройства распределения синхроимпульсов 18. Выходы схем совпадения 24 и 25 соединены соответственно с первым и вторым входами первого реверсивного двоичного счетчика 26, третий вход первого реверсивного двоичного счетчика 26 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Выход первого реверсивного двоичного счетчика 26 соединен с входом итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27, выход которого соединен с преобразователем цифровой информации в прямой код 28, а его выход с первым входом первого двоичного умножителя 29. Второй вход первого двоичного умножителя 29 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Выход первого двоичного умножителя 29 соединен с входом второго реверсивного двоичного счетчика 30. Выходы схем совпадения 24 и 25, помимо соединения с соответствующими входами первого реверсивного двоичного счетчика 26, соединены с информационными входами схемы сложения 31 (схема «ИЛИ»). Выход схемы сложения 31 соединен с входом суммирующего двоичного счетчика 32, и выход суммирующего двоичного счетчика 32 соединен с входом итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33. Выход итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33 соединен с входом второго двоичного умножителя 34, выход которого соединен с входом третьего двоичного умножителя 35. Выход второго реверсивного двоичного счетчика 30 соединен со вторым входом третьего двоичного умножителя 35, и выход третьего двоичного умножителя 35 соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика 30. Третий вход второго реверсивного двоичного счетчика 30 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Третий выход второго реверсивного двоичного счетчика 30 является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.The device for measuring accelerations contains a sensitive element 1, the angular position of which is determined by the angle sensor 2. The excitation winding of the angle sensor 2 is connected to the output of the carrier frequency generator 3. The output winding of the angle sensor 2 is connected to the input of the bandpass filter 4, the output of which is connected to the input of the integrating amplifier with saturation 5. A filter 6 with a transfer function . The output of the bandpass filter 4 is connected to the input of the differentiating link 7 with the transfer function . The output of the integrating amplifier with saturation 5 is connected to the input of the first emitter follower 8 and to the input of the inverter 9, the output of the latter is connected to the input of the second emitter follower 10. The output of the carrier frequency generator 3 is also connected to the input of the phase-shifting circuit 11, the output of which is connected to the input of the comparator 12 The output of the comparator 12 is connected to the input of the carrier pulse width driver 13. The first and second inputs of the synchronous JK flip-flop 14 are connected respectively to the outputs of the first and second emitter followers 8 and 10. The third input of the synchronous JK flip-flop 14 is connected to the output of the carrier pulse width driver frequency 13. The output of the synchronous JK flip-flop 14 is connected to the input of the integrator 15, the outputs of which are connected to the inputs of the waiting synchronous generators 16 and 17. The other inputs of the waiting synchronous generators 16 and 17 are connected to the output of the clock distribution device 18, the input of which is connected to the output of the crystal oscillator 19. The outputs of the waiting synchronous generators 16 and 17 are connected to the inputs of the asynchronous RS flip-flop 20. The first output of the asynchronous RS-trigger 20 is connected to the input of the threshold element with an ambiguity zone 21, the output of which is connected to the input of the torque sensor 22, the second input of which is connected to the output third-order smoothing filter 23 connected to the output of the threshold element with an ambiguity zone 21. One of the inputs of the torque sensor 22 is connected to the output of the differentiating link 7. The torque sensor 22 is kinematically connected to the sensing element 1. The second output of the asynchronous RS-trigger 20 is connected to the first inputs coincidence schemes 24 and 25 (“AND” schemes). The second inputs of the coincidence circuits 24 and 25 are connected to the outputs of the clock distribution device 18. The outputs of the coincidence circuits 24 and 25 are connected respectively to the first and second inputs of the first reverse binary counter 26, the third input of the first reverse binary counter 26 is connected to the output of the clock distribution device 18. Output the first reversible binary counter 26 is connected to the input of the final register of the reversible binary counter 27, the output of which is connected to the converter of digital information into a direct code 28, and its output to the first input of the first binary multiplier 29. The second input of the first binary multiplier 29 is connected to the output of the clock distribution device 18. The output of the first binary multiplier 29 is connected to the input of the second reversible binary counter 30. The outputs of the coincidence circuits 24 and 25, in addition to being connected to the corresponding inputs of the first reversible binary counter 26, are connected to the information inputs of the addition circuit 31 (“OR” circuit). The output of the summing circuit 31 is connected to the input of the summing binary counter 32, and the output of the summing binary counter 32 is connected to the input of the final register of the summing binary counter 33. The output of the final register of the summing binary counter 33 is connected to the input of the second binary multiplier 34, the output of which is connected to the input of the third binary multiplier 35. The output of the second reversible binary counter 30 is connected to the second input of the third binary multiplier 35, and the output of the third binary multiplier 35 is connected to the second input of the second reversible binary counter 30. The third input of the second reversible binary counter 30 is connected to the output of the clock distribution device 18. The third the output of the second reversible binary counter 30 is a discrete output of the device for measuring accelerations.
Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, приведены 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.The internal content of the blocks that implement the device for measuring accelerations is given in the books: Mayorov S.A., Novikov G.I. "The principle of organizing digital machines", L .: Mashinostroenie. 1974, 432 pp., Horowitz P., Hill W. "The Art of Circuitry", M .: Mir vol. 1-3, 1993.
Работа устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксирует датчик угла 2, обмотка возбуждения которого записывается от генератора несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0° или 180° относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 4 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на интегрирующий усилитель с насыщением 5. Интегрирующий усилитель с насыщением 5 охвачен местной отрицательной обратной связью содержащей фильтр 6. На информационные JK входы синхронного JK-триггера 14 сигнал подается в противофазе. Для этого усиленный сигнал по напряжению с интегрирующего усилителя с насыщением 5, для одного из входов, инвертируется на инверторе 9. Первые и вторые эмиттерные повторители 8 и 10 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления интегрирующего усилителя с насыщением 5 и инвертора 9, с низкоомным входным сопротивлением информационных входов JK-триггера 14. В аналоговую отрицательную обратную связь введено дифференцирующее звено 7 с передаточной функцией (где T1, Т2 - постоянные времени фильтра, s - оператор преобразования Лапласа) с выхода полосового фильтра 4 на один из входов датчика момента 22. Применение интегрирующего усилителя с насыщением 5 и отрицательной обратной связи с фильтром 6 улучшает синхронизацию и стабилизацию параметров устройства для измерения ускорений. Для выделения фазы действующего ускорения, фазы сигналов с датчика угла 2 и генератора несущей частоты 3 сравниваются на синхронном JK-триггере 14, для работы которого необходимо подать на С-вход синхронного JK-триггера 14 импульс определенной длительности. Формирует этот импульс фазосдвигающая цепь 11, компаратор 12 и формирователь длительности импульсов несущей частоты 13. Фазосдвигающая цепь 11 обеспечивает сдвиг фазы гармонического сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через полосовой фильтр 4 и интегрирующий усилитель с насыщением 5. Компаратор 12 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты 13. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 совпадает с фазой генератора несущей частоты 3, то в момент подачи импульса несущей частоты синхронный JK-триггер 14 переходит в устойчивое состояние «1», в противном случае - «0». Кварцевый генератор 19 вырабатывает прямоугольные, стабилизированные по частоте импульсы (f ≥ 1 МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов 18 вырабатывает синхронизированные по времени управляющие синхроимпульсы необходимые для работы всего устройства. Выход синхронного JK-триггера 14 соединен с входом интегратора 15, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов 16 и 17. Ждущие синхронные генераторы 16 и 17, взводимые от синхронного JK-триггера 14, вырабатывают короткие (длительностью, определяемой частотой устройства распределения синхроимпульсов 18) импульсы, частота которых определяется частотой переключения синхронного JK-триггера 14. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на асинхронный RS-триггер 20 подается импульс либо с ждущего синхронного генератора 16 либо 17, т.е. асинхронный RS-триггер 20 переключается с частотой синхронного JK-триггера 14. Входной сигнал с асинхронного RS-триггера 20 не может быть непосредственно подан на вход датчика момента 22 ввиду своей нестабильности по амплитуде. Для повышения стабильности импульс с асинхронного RS-триггера 20 подается на пороговый элемент с зоной неоднозначности 21, осуществляющий стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с порогового элемента с зоной неоднозначности 21 подается на один из входов датчика момента 22, который возвращает чувствительный элемент 1 в исходное положение. В положительную обратную связь датчика момента 22 включен сглаживающий фильтр третьего порядка 23, выделяющий постоянную составляющую входного сигнала с порогового элемента с зоной неоднозначности 21. Один из входов датчика момента 22 соединен с выходом дифференцирующего звена 7, которое обеспечивает устойчивость. На первые входы схем совпадения 24 и 25 (схем «И») подаются сигналы со второго выхода асинхронного RS-триггера 20, на другие - импульсы счета с устройства распределения синхроимпульсов 18. В зависимости от состояния асинхронного RS-триггера 20 эти импульсы будут проходить либо на суммирующий (первый), либо на вычитающий (второй) вход первого реверсивного двоичного счетчика 26. По окончании периода колебания, информация из счетчика (равная разности числа «положительных» и «отрицательных» импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 18 (импульс на С-вход регистра) переписывается в итоговый регистр реверсивного двоичного счетчика 27. Следующим синхроимпульсом, поступающим с устройства распределения синхроимпульсов 18 на вход сброса Ro, первый реверсивный двоичный счетчик 26 обнуляется. При этом, положительная информация представляется в прямом коде, а отрицательная - в дополнительном. На выходе итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27 имеется информация TB1, равная разности временных интервалов t1 и t2. Информация с итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27 поступает на вход преобразователя цифровой информации в прямой код 28, а затем на первый вход первого двоичного умножителя 29, на выходе которого число синхроимпульсов с устройства распределения синхроимпульсов 18 будет пропорционально цифровому коду. Синхроимпульсы с первого двоичного умножителя 29 поступают на суммирующий вход второго реверсивного двоичного счетчика 30. Информация с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 30 является относительным цифровым кодом, равным У=(ТВ1/ТВ)⋅2n (где n - размерность счетчика, ТВ - суммарная длительность временного интервала t1 и t2) и эта информация подается на второй вход третьего двоичного умножителя 35. Число импульсов с выхода третьего двоичного умножителя 35, пропорциональное цифровому коду, подается на вычитающий (второй) вход второго реверсивного счетчика 30. Для получения суммарного временного интервала ТВ=t1+t2 с выходов схем совпадения 24 и 25 на вход третьего двоичного умножителя 35 последовательно введены схема сложения 31, суммирующий двоичный счетчик 32, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика 33 и второй двоичный умножитель 34. С выхода первого двоичного умножителя 29 получим информацию, пропорциональную , а с выхода второго двоичного умножителя 34 - . Относительный цифровой код У, с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 30 равенThe device for measuring accelerations is as follows. The deviation of the sensitive element 1, under the action of acceleration, fixes the angle sensor 2, the excitation winding of which is recorded from the carrier frequency generator 3. The output signal from the angle sensor 2 has a phase of 0° or 180° relative to the carrier frequency. The bandpass filter 4 passes only the signal of the carrier frequency from the angle sensor 2 to the integrating amplifier with saturation 5. The integrating amplifier with saturation 5 is covered by a local negative feedback containing the filter 6. The signal is supplied to the information JK inputs of the synchronous JK flip-flop 14 in antiphase. To do this, the amplified voltage signal from the integrating amplifier with saturation 5, for one of the inputs, is inverted on the inverter 9. The first and second emitter followers 8 and 10 provide matching of the high output impedance of the integrating amplifier with saturation 5 and inverter 9, with low-resistance input resistance of information inputs of the JK flip-flop 14. A differentiating link 7 with a transfer function is introduced into the analog negative feedback (where T 1 , T 2 are the filter time constants, s is the Laplace transform operator) from the output of the band-pass filter 4 to one of the inputs of the torque sensor 22. The use of an integrating amplifier with saturation 5 and negative feedback with filter 6 improves synchronization and stabilization of device parameters for measuring accelerations. To select the phase of the current acceleration, the phases of the signals from the angle sensor 2 and the carrier frequency generator 3 are compared on a synchronous JK trigger 14, for the operation of which it is necessary to apply a pulse of a certain duration to the C input of the synchronous JK trigger 14. This pulse is generated by a phase-shifting circuit 11, a comparator 12, and a carrier-frequency pulse generator 13. The phase-shifting circuit 11 provides a phase shift of the harmonic signal of the carrier frequency by the delay time of the information signal as it passes through the band-pass filter 4 and the integrating amplifier with saturation 5. The comparator 12 outputs rectangular pulses when the harmonic signal exceeds the specified level. The required duration is generated by the carrier pulse duration driver 13. If the phase of the deviation of the sensitive element 1 coincides with the phase of the carrier frequency generator 3, then at the moment the carrier frequency pulse is applied, the synchronous JK flip-flop 14 goes into a stable state of "1", otherwise - "0 ". The crystal oscillator 19 generates rectangular, frequency-stabilized pulses (f ≥ 1 MHz) that provide the required rising and falling edge of the signal. The clock distribution device 18 generates time-synchronized control clock pulses necessary for the operation of the entire device. The output of the synchronous JK flip-flop 14 is connected to the input of the integrator 15, the outputs of which are connected to the inputs of the waiting synchronous generators 16 and 17. The waiting synchronous generators 16 and 17, cocked from the synchronous JK flip-flop 14, produce short ) pulses, the frequency of which is determined by the switching frequency of the synchronous JK flip-flop 14. Depending on the phase of the deviation of the sensing element 1, a pulse is supplied to the asynchronous RS flip-flop 20 either from the waiting synchronous generator 16 or 17, i.e. the asynchronous RS flip-flop 20 switches with the frequency of the synchronous JK flip-flop 14. The input signal from the asynchronous RS flip-flop 20 cannot be directly applied to the input of the torque sensor 22 due to its amplitude instability. To improve stability, the pulse from the asynchronous RS flip-flop 20 is fed to a threshold element with an ambiguity zone 21, which stabilizes the signal in terms of level. The output signal from the threshold element with an ambiguity zone 21 is fed to one of the inputs of the moment sensor 22, which returns the sensitive element 1 to its original position. The positive feedback of the torque sensor 22 includes a third-order smoothing filter 23, which extracts the constant component of the input signal from the threshold element with an ambiguity zone 21. One of the inputs of the torque sensor 22 is connected to the output of the differentiating link 7, which ensures stability. The first inputs of the coincidence circuits 24 and 25 ("AND" circuits) receive signals from the second output of the asynchronous RS flip-flop 20; to the summing (first) or subtracting (second) input of the first reversible binary counter 26. At the end of the oscillation period, information from the counter (equal to the difference in the number of "positive" and "negative" pulses) according to the signal from the clock distribution device 18 (pulse to C-input of the register) is rewritten in the final register of the reversible binary counter 27. The next clock pulse coming from the clock distribution device 18 to the reset input Ro, the first reversible binary counter 26 is reset. At the same time, positive information is presented in a direct code, and negative - in an additional one. The output of the final register reversible binary counter 27 has information TB1 equal to the difference between the time intervals t 1 and t 2 . The information from the final register of the reversible binary counter 27 is fed to the input of the digital information converter into a direct code 28, and then to the first input of the first binary multiplier 29, at the output of which the number of clock pulses from the clock distribution device 18 will be proportional to the digital code. Sync pulses from the first binary multiplier 29 are fed to the summing input of the second reversible binary counter 30. Information from the output of the second reversible binary counter 30 is a relative digital code equal to Y=(TV1/TV)⋅2 n (where n is the dimension of the counter, TV is the total the duration of the time interval t 1 and t 2 ) and this information is fed to the second input of the third binary multiplier 35. The number of pulses from the output of the third binary multiplier 35, proportional to the digital code, is fed to the subtractive (second) input of the second reversible counter 30. To obtain a total time interval TV = t 1 +t 2 from the outputs of the coincidence circuits 24 and 25 to the input of the third binary multiplier 35, the addition circuit 31, the summing binary counter 32, the final register of the summing binary counter 33 and the second binary multiplier 34 are sequentially introduced. From the output of the first binary multiplier 29 get information proportional to , and from the output of the second binary multiplier 34 - . Relative digital code Y, from the output of the second reversible binary counter 30 is equal to
илиor
В предлагаемом устройстве для измерения ускорений за счет введения с выхода схем совпадения 24 и 25 на вход второго реверсивного двоичного умножителя 34 последовательно схемы сложения 31 (схемы «ИЛИ»), суммирующего двоичного счетчика 32, итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33 и второго двоичного умножителя 34, первого реверсивного двоичного счетчика 26, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27, преобразователя цифровой информации в прямой код 28, первого двоичного умножителя 29 и второго реверсивного двоичного счетчика 30 осуществляется преобразование временных интервалов t1, t2, t в относительный цифровой код, пропорциональный входному воздействиюIn the proposed device for measuring accelerations by introducing from the output of the coincidence circuits 24 and 25 to the input of the second reversible binary multiplier 34 in series the addition circuit 31 (“OR” circuit), the summing binary counter 32, the final register of the summing binary counter 33 and the second binary multiplier 34 , the first reversible binary counter 26, the final register of the reversible binary counter 27, the converter of digital information into a direct code 28, the first binary multiplier 29 and the second reversible binary counter 30, the time intervals t 1 , t 2 , t are converted into a relative digital code proportional to the input impact
В предлагаемом устройстве для измерения ускорений, работающего в автоколебательном режиме, параметры t1, t2, t переменны и зависят от входного ускорения. Измерение ускорений в относительном цифровом коде, за счет введения схемы сложения, суммирующего двоичного счетчика, итогового регистра суммирующего двоичного счетчика, двоичных умножителей, схем совпадения, реверсивных счетчиков, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика, преобразователя кода позволяет повысить точность измерения, т.к. относительная величина не зависит от динамических свойств устройства.In the proposed device for measuring accelerations operating in self-oscillating mode, the parameters t 1 , t 2 , t are variable and depend on the input acceleration. Measuring accelerations in a relative digital code, by introducing an addition circuit, a summing binary counter, a final register of a summing binary counter, binary multipliers, coincidence circuits, reversible counters, a final register of a reversible binary counter, a code converter allows to increase the measurement accuracy, because the relative value does not depend on the dynamic properties of the device.
Предлагаемое устройство для измерения ускорений было промоделировано в среде Matlab (Simulink) (фиг. 2) и полученные результаты представлены на фиг. 3 и фиг. 4. Из анализа полученных результатов следует, что аналоговая модель предлагаемого устройства устойчива, имеет астатизм, а дискретная модель совершает устойчивые автоколебания с отслеживанием фазы входного ускорения.The proposed device for measuring accelerations was simulated in the Matlab (Simulink) environment (Fig. 2) and the results obtained are presented in Figs. 3 and FIG. 4. From the analysis of the obtained results, it follows that the analog model of the proposed device is stable, has astatism, and the discrete model performs stable self-oscillations with tracking the input acceleration phase.
Введение в устройство для измерения ускорения интегрирующего усилителя с насыщением, охваченного отрицательной обратной связью содержащей фильтр с передаточной функцией , дифференцирующего звена с передаточной функцией , порогового элемента с зоной неоднозначности и интегратора позволяет создать устройство, работающее в режиме автоколебаний, параметры которых зависят только от входного воздействия.Introduction to a Device for Measuring Acceleration of a Saturated Integrating Amplifier Surrounded by Negative Feedback Containing a Transfer Function Filter , differentiating link with transfer function , a threshold element with an ambiguity zone, and an integrator makes it possible to create a device operating in the self-oscillation mode, the parameters of which depend only on the input action.
