Датчик угловой скорости

(51) 4.СУДАРСТВЕННЫЙ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТ ОМИТЕТ СССР ИЙ И ОТНРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А.А. Васюхн К.И.Попо ГироскопиВысшая др. Гироско 1, Г 1.: Высш76 и 1 3 польз ндика А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Коновалов С.Ф.ческие системы ч,11школа, 1980, с.74.Коновалов С,Ф.ческие системы, ч.школа 1980, с. 30(54) ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ(57) Изобретение может бытьвано в.качестве измерителя итора угловой скорости, положускорения подвижных объектов изобретения - повышение достоверности выходной информации устройства,Оно содержит чувствительный элемент1, усилитель 2, мультиплексоры 3, 8,11, сумматор 4, интегратор 5, компаратор 6, 1)-триггеры 7,18-20, счетчик 9, блок 10 регистров, блок индикации, источник 13 опорного напряжения, инвертор-повторитель 14, генератор 15, счетчик 16 циклов, дешиф -ратор 17, элементы И 21-24 и счетчик25 циклов. Введение новых элементови образование новых связей междуэлементами устройства позволяет снизить инструментальные погрешностиустройства при одновременном осущестФвлении непрерывного контроля его исправности и облегчении съема выходнойинформации. 1 з,п. ф-лы, 4 ил,129Изобретение относится к измерительной технике и может быть испопьзовано в качестве измерителя и индикатора угловой скорости, положения и ускорения подвижных объектов, преимущественно в навигации, для определения параметров движения танкеров и судов большого водоизмещения.Цель изобретения - повышение достоверности выходной информации датчика угловой скорости эа счет снижения инструментальной погрешности датчика угловой скорости при одновременном осуществлении непрерывного контроля его исправности, а также облегчения съема выходной информации.На фиг,1 изображена схема датчика угловой скорости; на фиг.2 - схема блока индикации, на фиг. 3 - 5 - временные диаграммы, поясняющие выполнение генератора и работу устройства. Датчик угловой скорости содержит последовательно соединенные чувствительный элемент 1, усилитель 2, первый мультиплексор 3, сумматор 4, интегратор 5, компаратор 6, первый 0-триггер 7, второй мультиплексор 8, реверсивный двоично-десятичный счетчик 9, блок 10 регистров, третий мультиплексор 11 и блок 12 индикации, а также источник 13 опорного напряжения, выход которого через аналоговый управляемый инвертор-повторитель 14 подключен ко второму входу сумма тора 4, генератор 15, первый счетчик 16 циклов, дешифратор 17 второй 18, третий 19 и четвертый 20 В-триггеры, четыре элемента И 21 - 24, причем элементы 23 и 24 выполнены с инвертирующ."уми вторыми входами, и второй счетчик 25 циклов.Выходы счетчика 16 циклов соединены через дешифратор 17 с управляющими входами мультиплексора 3, а счетчика 25 циклов - непосредственно с управляющими входами мультиплексора 11.Блок 10 регистров включает регистры 26 и 27 для хранения (М) старших разрядов выходного кода М-разрядного счетчика 9 и знака выходной информации 1,регистр 27 выполняется одноразрядным).Блок 12 включает блок 28 индикаторов (он выполнен в виде (И+1) отдельных индикаторов для индикации знака, выходного кода и сигнала неисправности, набор резисторов 29,6949 2блоки 30 змиттерных повторителей(выполняется в виде (0+1) отдельныхзмиттерных повторителей), источник31 опорного напряжения, управляемыййотенциометр 32, выполненный, в частности, в виде последовательно соединенных ограничительного резистора ифотодиода так, что его выходное напряжение определяется интенсивностью 10 освещения, операционный усилитель33, счетчик 34, идентичный счетчику25 циклов, а также дишифратор 35,осуществляющий преобразование четырехразрядного двоично-десятичного 15 кода соответствующей цифры выходнойинформации в семисегментный код, поступающий на вход светодиодного индикатора блока 28.Датчик угловой скорости работает 20 следующим образом.Выходное напряжение чувствительного элемента 1 после усилителя 2 поступает через мультиплексор 3 напервый вход сумматора 4. На его второй вход поступает опорное напряжение с третьего выхода источника 13,знак которого определяется состояниемтриггера , который управляет инвертором-повторителем 14. Если на выхо- ЗО де триггера 7 присутствует потенциал, логической единицы (в дальнейшем используется логика), то на второй входсумматора 4 подается напряжениеЕ,Источник 13 выполняется, например,в виде последовательно соединенныхсобственно источника опорного напряжения, выход которого является третьим выходом источника 13, и делите ля напряжения, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым выходом источника 13. Источник13 может быть также выполнен в видетрех отдельных источников напряжения.В результате, при нулевом напряжении на выходе усилителя 2, интегратор 5 заряжается за одинаковые промежутки времени, поскольку триггер7 тактируется с частотой Й генератором 15 (фиг 3), а на информационномвходе триггера 7 потенциал меняетсявследствие срабатывания компаратора 6. При положительном напряжении на первом входе компаратора 6, на его выходе присутствуетнулевой логический уровень.Генератор 6 осуществляет синхронизацию работы датчика и выполняетсяпо стандартной методике синтеза32 с)69 циФровых автоматов на осовании времеой диаграммы его работы, пример которой дан на фиг,3-5. В частности генератор может быть выполнен в виде последовательно соединенных эа 5 дающего генератора, кольцевого счетчика и дешифратора. Счетчик осуществляет подсчет числа импульсов задающего генератора в течение периода временных диаграмм по фиг.3-5, а де шифратор - формирование изображенных на них последовательностей импульсов по последовательности состоянийсчетчика. Выходы дешифратора соединяются с соответствующими выходами 15 генератора 15, а по окончании указанного периода счетчик генератора 15 обнуляется.Напряжение Ена третьем выходе источника 3 выбирается более макси мального выходного напряжения усилителя 2 так, что, нри положительной полярности последнего, заряд интегратора 5 осуществляется быстрее, чем разряд. При этом счетчик 9 осущест вляет подсчет числа импульсов (частота на входе счетчика 9 присутствует только в течение цикла) частоты на втором выходе генератора 15. Направление счета определяется потенциалом 30 на одном из выходов триггера 7 в зависимости от состояния знакового триггера 18. Причем, если на управляющем входе мультиплексора 8 присутствует логическая единица, то он соединяет инверсный выход триггера 7 со знаковым входом счетчика 9, а при нулевом уровне на его управляющем входе - прямой выход триггера 7 со знаковым входом счетчика 9. 40 Мультиплексор 8 может быть реализован в виде двух ключей с объединенными. выходами, входы кдторого соединены со входами мультиплексора 8, и инвертора, причем на управляющий вход первого ключа управляющий сигнал поступает непосредственно, а на управляющий вход второго - через инвертор. 50В результате, при чрезвычайно малом положительном значении выходного напряжения усилителя 2,счетчик 9 в течение некоторого времени осуществляет поочередное накопление с противоположными знаками, а интегратор 5 разряжается и заряжается с переходом через нуль. Однако максимум отрицательного напряжения на интеграторе 5 49 4становится все меьпс по абсолютной величине и в определенный момент импульс на тактовый вход счетчика 9 поступит дваждь со знаком плюс,При значительном напряжении на входе интегратора 5 его работа осуществляется аналогично, однако именно вышеописанный процесс преобразования позволяет повысить чувствительность датчика, так как интегратор 5 осуществляет накопление входного напряжения в течение всего цикла, работая в то же время на линейном участке характеристики.Необходимо отметить также, что нестабильность опорного напряжения источника 13 и тактовой частоты генератора 15 не сказывается существенным образом на величи е кода, накоп - ленного в счетчике 9, поскольку при изменении Е, скорость заряда и разряда интегратора 5 изменится в одинаковой степени, а на величину выходного кода влияет лишь их разность, а при изменении частоты одновременно изменяется тактовая частота на входе счетчика 9 и время его заполнения (длительность цикла), для чего все выходные импульсы генератора 15 следует формировать из одного импульсного. сигнала(например задающего генератора). Второй существенной особенностью предлагаемого датчика является то, что выходной код счетчика 9, несмотря на то, что он выполнен реверсивным и представляет собой модуль угловой скорости. Так, при достижении счетчиком 9 нулевого состояния и нулевом уровне на выходе мультиплексора 8 (что соответствует счету "в минус), на выходе переноса счетчика 9 возникает уровень логической единицы, который в момент появления очередного импульса на третьем выходе генератора 15 (фиг.3) через элемент 21 поступает на тактовый вход триггера 18, изменяя таким образом направление счета счетчика 9 через мультиплексор 8. В этом случае, при появлении очередного импульса на пятом выходе генератора 15 модуль выходного кода перепишется в, регистр 26, а знак - в регистр 27 блока 10 (элемент 24 открыт). Затем, с.появлением импульса на четвертом выходе генератора 15, счетчик 9 и триггер 18 обнуляются. Это позволяет296 вом цикле. осуществлять непосредственную индикацию кода, накопленного в счетчике 9, без дешифрации дополнительного кода в прямой и одновременно осуществлять простой и надежный контроль достоверности выходной информации в контрольных циклах (заштрихованные импульсы на фиг.4). С этой целью выходной код счетчика 16, который выполняется кольцевым, т.е, работает без внешнего обнуления, а обнуляется в момент переполнения, поступает на дешифратор 17, управляющий работой мультиплексора 3. Например, если . счетчик 16 выполнен пятиразрядным, т.е. имеет тридцать два различных состояния, то тридцать состояний являются рабочими, а тридцатое и тридцать второе - контрольными. В этом случае коды от 00000 до 01111 на выходе счетчика 16 преобразуются дешифратором 17 в первый управляющий сигнал, например 100, поступающий на соответствующие входы мультиплексора 3, код 101)1 - во второй управляющий сигнал, например 010, а код 11111 - в третий, например 001.Мультиплексор 3 может быть выполнен при этом в виде трех ключей, на входы которых поступают соответственно сигналы с выхода усилителя 2, первого и второго выходов источника 13, выходы которых объединены, а управляющие входы соединены соответственно с первой, второй и третьей выходными шинами дешифратора 17. Тогда, в течение первых тридцати циклов через мультиплексор 3 на сумматор 4 поступит выходное напряжение усилителя 2, в течение тридцать первого цикла - контрольное положительное нг:пряжение с первого выхода источника 13, а в течение тридцать второго - контрольное отрицательное напряжение, которое выбирается по модулю большим и два раза, чем положительное напряжение в тридцать перВ этом случае (при исправной работе датчика) код в счетчике 9 за первый контрольный цикл достигнет некоторого значения, затем во втором контрольном цикле начнет уменьшаться, пройдя же через нуль, вновь начнет увеличиваться и достигнет значения, при котором единица появится в старшем разряде (половина емкости счет" чика 9). Например, если напряжение 949 6на первом выходе источника 13 соответствует 17/30 емкости счетчика 9,то появление единицы в старшем разряде должно произойти позже середины 5 тридцать второго цикла (второго контрольного цикла), но раньше его окончания. В середине же тридцать второго цикла на вход записи триггера 20подается импульс (он поступает с 9-го 10 выхода генератора 15). При этом (вслучае исправной работы датчика)единица в старшем разряде счетчикапоявляется в указанный интервал времени и при наличии единицы на прямом 15 выходе триггера 18, что соответствует знаку "минус" выходного кода. Этотединичный уровень осуществляет через элемент 22 сброс триггера 20так, что, в момент поступления им пульса записи на тактовый вход триггера 19, в этот триггер запишетсяноль и индикация неисправности произведена не будет.В случае же непоявления единицы в 25 старшем разряде счетчика 9 в требуемый интервал времени между появлением установочного импульса на девя"том выходе генератора 15 и окончанием второго контрольного цикла, в 30 триггер 19 запишется единица и блок12 произведет индикацию неисправности, а оператор прекратит съем выходной информации.Между контрольными циклами счет чик 9 не обнуляется (для этой целислужит элемент 23), а импульс считы вания не поступает на вход блока 10после обоих контрольных циклов (дляэтой цели служит элемент 24), следо вательно, код, вырабатываемый в контрольных циклах не индицируется. Рассмотрим процесс индикации.Каждые четыре разряда выходного ко да двоично-десятичного счетчика 9,представляющие одну десятичную цифрувыходного кода датчика, поочереднопоступают на мультиплексор 11 изсоответствующих разрядов регистра 26на вход дешифратора 35. Управлениеработой мультиплексора 11 осуществля ется счетчиком 25 циклов. Например,если блок 28 включает четыре индикатора значащих цифр, то после каж дых трех импульсов на шестом выходегенератора 15 появляется импульс наего седьмом выходе (фиг.5).Каждому из состояний: 00, 10, О 1счетчика 25 циклов соответствует129 б 94 определенное состояние мультиплексора 11, который может быть выполнен в виде входного дешифратора и четырех групп по четыре ключа, причем выходы одноименных ключей в каждой группе объединены (выходы первых ключей всех группвторых и т.д.). Управляющие входы ключей объединены внутри каждой группы и соединены с выходами входного дешифратора, кото- Ю рый вышеуказанные последовательности состояний трансформирует в позиционный код 2 1000 0100 0010 0001.В этом случае двоичный эквивалент десятичных цифр поочередно поступает 15 через кабель, ,который на фиг,1 изображен в виде разрыва входных шин блока 12, на вход дешифратора 35, на выходе которого присутствует семисегментный эквивалент соответствую щей двоичной цифры.Возможно также выполнение счетчика 25 в виде четырехразрядного распределителя импульсов. Тогда мультиплексор 11 может быть выполнен без входного дешифратора.Счетчик 34 работает синхронно со счетчиком 25 и также может бйть выполнен в виде четырехразрядного распределителя импульсов или вышеописан- ЗО ным образом в виде последовательно соединенных двухразрядного двоичного счетчика и дешифратора, выполнение которого совпадает с выполнением входного дешифратора мультиплексора 11, 35При этом (в момент появления единицы на одном из выходов счетчика 34 циклов) открывается транзистор соответствующего,эмиттерного повторителя блока 30 и напряжение питания 40 со второго выхода источника 31 поступает на шину питания соответствующего цифрового индикатора блока 28. В результате поджигаются те светодиоды этого индикатора, на катоде которых присутствует потенциал общей точки (через соответствующий выходной транзистор дешифратора 35), На коллектор каждого из транзисторов эмиттерных повторителей блока 30 поступает напряжение питания, эмиттер соедийен с анодом соответствующего индикатора блока 28, на базу поступает управляющий сигнал со счетчика 34. Питание этого счетчика осуществляется от операционного усилителя 33, который производит сравнение регулируемого опорного напряжения,9 8поступающего с потенциометра 32, снапряжением на соответствующем выходе блока 30. При этом яркость индикаторов блока 28 возрастает с увели-чением внешней освещенности н независит от разброса параметров эмиттерных повторителей блока 30, выходных транзисторов дешифратора 35 и,главное, от высвечиваемой цифры, таккак операционный усилитель 33 осуществляет непрерывное слежение за величиной питающего напряжения счетчика34, изменяя таким образом и напряжение, поступающее на вход блока 28,счетчик 34 выполняется при этом поК-МОП-технологии так, что амплитудаего выходного сигнала (логическойединицы) с высокой степенью точностиравна питающему напряжению. Источник 31 выполняется в виде маломощного, но высокостабильного источника опорного напряжения, выход которого соединен со входом управляемого потенциометра 32, и более мощного источника, запитывающего блок 30, к которому не предъявляется высоких требований. Формула изобретения 1. Датчик угловой скорости, содержащий последовательно соединенные чувствительный элемент и усилитель, источник опорного напряжения, генератор, счетчик, два триггера, а также последовательно соединенные сумматор и интегратор, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности выходной информации датчика, в него введены три мультиплексора, компаратор, инвертор-повторитель, блок регистров, два счетчика циклов, дешифратор, блок индикации, третий и четвертый триггеры и четыре элемента И, при этом триггеры выполнены в виде В-триггеров, выход усилителя соединен с первым, входом первого мультиплексора, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной общей точки, а выход - с информационным входом первого триггера, первый выход которого соединен с первым входом второго мультиплексора, выход которого соединен со знаковым входом счетчика, выходы разрядов ко96949 9 12 торого соединены с первой группой входов блока регистров, выходы которого соединены с информационными входами блока индикации, первый выхоц генератора соединен с тактовым входом первого триггера, второй выход которого соединен с вторым входом второго мультиплексора, управляющим входом инвертора-повторителя и информационным входом второго триг гера, первый выход которого соединен с управляющим входом второго мультиплексора и знаковым входом блока регистров, знаковый выход которого сое динен с соответствующим входом блока индикации, второй выход генератора соединен с входом первого счетчика циклов, выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с управляющими входами первого мультиплексора, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами источника опорного напряжения третий выход которого соединен с входом инвертора-повторителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, третий выход генератора соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом второго триггера, установочный вход которого соединен с первым входом второго элемента И и четвертым выходом генератора, пятый выход которого соединен с первым входом третьего элемента И и с тактовым входом третьего триггера, выход которого соединен с входом индикации неисправности блока индикации, тактовый и установочный входы которого соединены соответственно с тактовым и установочными входами второго счетчика циклов и шестым и седьмым выходами генератора, восьмой выход которого соединен с тактовым входом счетчика, выход переполнения 5 - 1015 20 25 30 35 40 45 и выход старшего разряда которого соединены соответственно с вторым входом первого элемента И и с первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом четвертого триггера, вход записи которого соединен с девятым выходом генератора, а выход - с информационным входом третьего триггера, причем десятый и одинадцатый выходы генератора соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с установочным входом счетчика и тактовым входом блока регистров, выходы второго счетчика циклов соединены с управляющими входами третьего мультиплексора, второй выход второго триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И, а информационный вход четвертого триггера соединен с шиной логического нуля.2. Датчик по п,1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что блок индикации выполнен в виде последовательно соединенных источника опорного напряжения, регулируемого потенциометра, операционного усилителя, счетчика, блока эмиттерных повторителей и блока индикаторов, информационные входы которого через дешифратор соединены с информационными входами блока индикации, вход индикации неисправности и знаковый вход которого соединены с соответствующими входами блока индикаторов, при этом тактовый и установочный входы блока индикации сое-, динены с соответствующими входами счетчика, а второй выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом блока эмиттерных повторителей, выходы которого соединены через развязывающие резисторы с вторым входом операционного усилителя.оставитель Ю.Мручкехред А.Кравчук Корректор А.Обручар дактор А.Ревин каз 772/47 Тираж 777 ВНИИПИ Государственно по делам изобретени 113035, Москва, Ж, РаПодписикомитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектна