Адаптивное устройство для измерения угла наклона

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 182899 9) 01 С 9/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ого ма.ШмаЛЯ ИЗзме дст ител м дл ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТКОВЕДОМСТВО СССР(71) Московский институт электронншиностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1777443, кл. 6 01 С 9/06, 30.03.8Авторское свидетельство СССРМ 1729189, кл. 0 01 С 9/06, 28.03.86(54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА(57), Изобретение относится к иной технике, в частности, к сре 2определения углов наклона. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит индуктивно-емкостной датчик 1, включенный в контур )С-автогенератора, адаптивный блок согласования, АЦП 6, ЦАП 9; блок обработки 7. Адаптивный блок согласования выполнен в виде схемы вычитания 2, усилителей 4 с заранее выставленными коэффициентами усиления и коммутаторов 3,5, подключающих необходимый усилитель 4 по команде с блока обработки 7 в цепь обработки сигнала блоками АЦП 6 и ЦАП 9. 1 ил,Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении углов наклона обьектовс последующим преобразованием измеряе-., мой величины в электрический сигнал в авиации, космической технике, приисследовании физических процессов, происходящих в земле и на ее поверхности, вгеодезии и т.д,Целью изобретения является повышение точности измерений,Нэ чертеже представлена структурнаясхема устройства.Оно содержит индуктивно-емкостнойдатчик 1, включенный в колебательный контур амплитудно-модулированного 1 С-автогенератора, выход которого соединен спервым входом схемы вычитания 2, Выходсхемы вычитания соединен со входом первого коммутатора 3, каждый из выходов которого последовательно соединен совходами соответствующих .операционныхусилителей 4, выходы которых последовательно соединены с соответствующими входами второго коммутатора 5. Выход второго 25коммутатора соединен со входом АЦП 6,выход которого соединен со входом блокаобработки 7. С первого выхода блока обработки 7 снимается текущая оценка измеряемого потактно напряжения Х, Второй 30выход блока обработки 7 подключен с ЦАП9, к схеме потактной синхронизации 8. Первый выход блока обработки 7 связан с ЦАП9, выход которого соединен со вторым входом схемы вычитания, а второй выход блока 357 через схему потактной синхронизации 8соединен с синхронизирующими входами,ЦАП, первого и второго коммутаторов,В устройстве точность АЦП предполагается на несколько порядков меньше точности ЦАП; т,е.,используется простой (идешевый) АЦП с относительно небольшимдинамическим (рабочим) диапазоном (-Р, Р)и высокоточный ЦАП с динамическим диа-.пазономм (-Е, Ц,п ричем Р 1, 45При одноразовых измерениях значенийизмеряемого угла наклона аобьекта, первый вход схемы вычитания 2 подключаетсяк. выходу датчика 1 на малое время Ь, втечение которого состояние исследуемого 50объекта предполагается неизменным и с выходами АЦП удается снять выборку напряжений в кодовой (цифровой) формеРассмотрим некоторый момент (такт) 55времени работы измерительного преобразователя.Сигнал Х, представляющий собой постоянное не некотором интервале аналого вое напряжение с равномерным распределением амплитуды в пределах -., Ц посту-. пает на первый вход схемы вычитания, К этому моменту времени по управляющему сигналу схемы потактной синхронизации замыкается цепь между соответствующим выходом первого коммутатора,.операционным усилителем и входом второго коммутатора а также на второй вход схемы вычитания поступает сигнал Хлс выхода ЦАП(2) Код. уР входного напряжения (2), снимаемый с выхода АЦП и отличающийся от уп на величину погрешности АЦП, т.е,(3) подается на вход микропроцессорного блока, где формируется оценка К входного напряжения Х по рекурентной формуле(4) Точность оценок (4) при этом будет оцениваться следующим образом,/Хп"-Х/-+2 2 С а(5) Соотношение (5) показывает, что чем больше значение коэффициента усиления Сптем выше точность оценок Хп(к), т.е. тем ближе она к точности ЦАП. Однако беспредельное увеличение Спневозможно в силу ограниченности рабочего диапазона АЦП, поэтому на каждом такте работы измерительного преобразователя коэффициенты усиления операционных усилителей должны выбираться таким образом, чтобы всегда выполнялось условие где (пИ - оценка входного напряжения Х, вырабатываемая микропроцессорным блоком в кодовой форме на предыдущем такте работы, а Ьц - погрешность ЦАП.Далее, раэностный сигнал с выхода схемы вычитания поступает на вход соответствующего операционного усилителя, коэффициент усиления Спкоторого выставлен заранее (формулу,. по которой он определяется,.получим ниже) так что на вход АЦП поступит напряжение уп, величина ко-торого определяется соотношениемлуп=Сп(Х-Хп. 1).1828996 Отсюда, условием достижения предельной точности измерительного преобразователя будет превышение числом тактов его работы некоторой величины и, т.е.5 апп(12) Логарифмируя (12) и полагая Л цЛа получим приближенную формулу для определения и и=--+1 д 20(9) Таким образом, предельная точность обсуждаемого адаптивного измерителя и его допустимый диапазон измерений (динамический диапазон) определяются только точностью Л ц и динамическим диапазоном . используемого в схеме ЦАП,При этом, как видно из соотношения (13) характеристики АЦП определяют только скорость (число тактов п), в которой рассматриваемый адаптивный измеритель выходит на уровень предельной точности измерений йЛц/2. Из полученных формул, в частности следует, что приа/О= Л ц/( Л а) Л ц) точность Л ц/2 остигается на втором такте работы иэмериеля. А предельный диапазон, в котором ажно проводить с его помощью измерений апряжений, будет шире диапазона исходого АЦП в Ла/ Лц раз, т.е. 20 35 Л Л и+120 20 20 40(10) д Отметим важную особенность предлагае- т мого адаптивного измерительного преобра- м зователя: как видно из неравенства (10) н первоеслагаемоевправойчастиубываетпо 45 н стеленному закону, т,е, погрешность АЦП в данном устройстве подавляется со скоростью убывания степенной функции.. = ОЛа Будем считать погрешность АЦП подав ленной, когда отмеченное первое слагаемое в (10) сравнивается со вторым (после чего точность оценки ХР будет монотонно стремиться к значению точности ЦАП55го 8 измерительной системе происходит расширение динамического диапазона О АЦП до значения 1= Ла/ Лц О 0, а точность измерений, равная Лц /2 Ла/2 может быть получена уже на втором такте работы.Это значит, что для данного случая достаточно двух операционных усилителей с коэффициентами, равными Со и С 1,Если используются произвольные АЦП и ЦАП, с характеристиками не связанными соотношением (14) то при диапазоне Е прел/ уп / =/ Сп(Х-Х -1) / 0 (6) Из сопоставления соотношений (1), (5), (6)следует, что коэффициент Сп должен принимать значения согласно рекурентной формуле Начальное значение Со выбирается из условия согласования диапазона изменения значений напряжений Х и рабочего диапазона АЦП и оказывается равным(при этом Хои полагается равным О),При таком выборе Са получим, что Сп - О/ - 1 + - х а неравенство (5) конкретизируется следующим образом.(18) 10 20 рядка долей процента. 30 7дельная точность Лц/2 достигается за итактов работы измерителя (и в большинстве практических задач имеет величины 2-5тактов) в этом случае в схему необходимовключить и коммутируемых операционныхусилителей с заранее выставленными коэффициентами усиления.После двух или и тактов работы измерение данного значения величина напряжения Х на входе измерителя заканчивается,микропроцессорный управляющий блок 5выдает адресату точно)е значение измеренного напрякения Хп и одновременно выл (крабатывает и посылает во все блокиизмерителя команды, возвращающие их всостояния готовности к следующему циклуизмерений. Этот цикл начинается при подаче команды начала работы, подаваемой извне (автоматом или человеком) намикропроцессор и идет описанным вышеобразом,В реальных условиях коэффициентыусиления СоР на каждом и-ом такте могутбыть установлены на теоретическое значение Сп только с некоторой точностью, обусловленной величиной относительногоразброса у Из (17) видно, что погрешности установки реальных коэффициентов усиления Сор приводят к появлению в итоговой оценке точности измерений неисчезающей с и величины, пропорциональной у Поправка к погрешности оценок за счет у может достигать существенных значений при у0,05-0,1, т.к, в скобках в (18) содержится величина ЬГ 2 Со = Ь /Р порядка погрешности АЦП.Непрерывная перестройка операционного усилителя на значения Со, С 1, С 2 даже по калиброванной последовательности управляющих напряжений, неизбежно связана с погрешностями, намного большими, чем погрешности усилителей с заранее эталонно выставленными или отьюстированными коэффициентами усиления, В промышленных условиях такая установка может быть доведена до погрешностей поКроме того, т.к. и невелико, то можно пользоваться достаточно простыми и одновременно надежными и быстродействующими системами коммутации. осуществляя переключение усилителей за время, много(17) Здесь у-. относительная погрешность установки значений коэффициента усиления, считается не зависящей от и, а Сп - "поправленные" значения теоретических коэф- Фициентов С.=С./ (1+ у), (16) что связано с необходимостью удержания на каждом такте величины Уо+1 выходного напряжения, снимаемого с усилителя, в рабочем диапазоне (-О, 01 АЦП.При учете погрешности установки коэфФициентов Сор неравенство, характериэу)- щее точность результирующих оценок )о ) .напряжения принимает вид ххах) х(гс+РхК=1=х(ц+ 2 с + 2 с - )+ 2+ 40 45 50 55 меньшее одного такта работы АЦП.В непрерывно перестраиваемом операционном усилителе при синхронной с тактами работы АЦП перестройке коэффициентов Сп величина погрешности в зависимости от требований к быстродействию всего измерителя, может за счет физических переходных процессов приобретать недопустимо большие значения. И тогда предельную точность измерений (18) удается достичь, только увеличивая длительность отдельного такта измерения с целью дать время на более точную установку коэффициентов Сор. (о и в этом случае. точность будет ниже точности, достижимой при подключении усилителей с заранее выставленными коэффициентами усиления,Для последних у можно считать пренебрежимо малым и для расчетов характеристик и параметров синтезируемых адаптивных измерителей пользоваться соотношениями (1-4). При этом сохраняются все качественные и количественные результаты, описанные выше в заявке.Переход к коммутируемому составному согласующему блоку позволяет резко повысить очность итоговых измерений по сравнению с согласующим блоком на единственном перестраиваемом в ходе на1828996 10 Составитель Л.КачесоваТехред М.Моргентал Корректор М. Андрушенко Редактор Заказ 2474 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственногокомитета по изобретениям и открыиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4 И Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 блюдений операционном усилителе. Одновременно снижаются ограничения по допустимой скорости перестройки согласующего блока, что позволяет повысить быстродействие всего измерительного преобразователя в целом,Отметим, так же, что использование ЦАП с широким диапазоном выходных напряжений 1 и точностью Ьц, даже не превосходящей Ьэ все равно позволяет в 1./О раэ расширить динамический диапазон измеряемых с его помощью напряжений без потери точности,Формула изобретения Адаптивное устройство для измерения угла наклона, содержащее последовательно соединенные автогенераторный датчик угла наклона, адаптивный блок согласования, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, адаптивный блок согласования выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, схемы потактной синхронизации и последовательно соединенных схемы вычитания, подключенной первым входом к выходу ав тогенераторного датчика угла наклона, первого коммутатора, набора операционных усилителей с различными коэффициентами усиления и второго коммутатора, выходом подключенного к входу аналого-цифрового 10 преобразователя, соответствующие выходыблока обработки подключены к входам схемы потактной синхронизации и цифроаналогового преобразователя, связанного синхрониэирующим входом с первым выхо дом схемы потактной синхронизации, а выходом с вторым входом схемы вычитания, второй выход схемы потактной синхронизации подключен к соответствующим входам первого и второго коммутаторов, а каждый 20 из операционных усилителей включен между соответствующими выходом первого и входом второго коммутаторов,