Адаптивное устройство для измерения угла наклона

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к средствам для определения углов наклона. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит индуктивно-емкостной датчик 1, включенный в контур 1С-автогенератора, адаптивный блок согласования, АЦП 6, ЦАП 9, блок обработки 7. Адаптив ный 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.

сОюз сОВЕтских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s 6 01 С 9/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4424258/10 (22) 13.05.88 (46) 23.07.93. Бюл. М 27 (71) Московский институт электронного машиностроения (72) Н.И,Даников, А,П.Платонов и А.С.Шмачилин (56) Авторское свидетельство СССР

М 1777443, кл. G 01 С 9/06, 30.03.88, Авторское свидетельство СССР

М 1729189, кл. G 01 С 9/06, 28.03.86. (54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА (57), Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к средствам для определения углов наклона. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит индуктивно-емкостной датчик 1, включенный в контур IC-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.

1828996

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении углов наклона обьектов с последующим преобразованием измеряе-., мой величины в электрический сигнал в авиации, космической технике, при . исследовании физических процессов, происходящих в земле и на ее поверхности, в геодезии и т.д, Целью изобретения является повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Оно содержит индуктивно-емкостной датчик 1, включенный в колебательный кон- 15 тур амплитудно-модулированного 1С-автогенератора, выход которого соединен с первым входом схемы вычитания 2, Выход схемы вычитания соединен со входом первого коммутатора 3, каждый из выходов ко- 20 торого последовательно соединен со входами соответствующих операционных усилителей 4, выходы которых последовательно соединены с соответствующими входами второго коммутатора 5. Выход второго 25 коммутатора соединен со входом АЦП 6, выход которого соединен со входом блока обработки 7. С первого выхода блока обработки 7 снимается текущая оценка измеряемого потактно напряжения X. Второй 30 выход блока обработки 7 подключен с ЦАП

9, к схеме потактной синхронизации 8. Первый выход блока обработки 7 связан с ЦАП

9, выход которого соединен со вторым входом схемы вычитания, а второй выход блока 35

7 через схему потактной синхронизации 8 соединен с синхронизирующими входами.

ЦАП, первого и второго коммутаторов, В устройстве точность АЦП предполагается на несколько порядков меньше точно- 40 сти ЦАП; т.е., используется простой (и дешевый) АЦП с относительно небольшим динамическим (рабочим) диапазоном (-D, D) и высокоточный ЦАП с динамическим диапазономм (-L, 1 ),причем D«L 45

При одноразовых измерениях значений измеряемого угла наклона аобьекта, первый вход схемы вычитания 2 подключается к выходу датчика 1 на малое время Лт, в течение которого состояние исследуемого 50 объекта предполагается неизменным и с выходами АЦП удается снять выборку напряжений в кодовой (цифровой) форме

Рассмотрим некоторый момент (такт) 55 времени работы измерительного преобразователя. .Сигнал Х, представляющий собой постоянное не некотором интервале аналоговое 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 Хп-> с выхода

ЦАП

Хп-1= Хп-1 +, (и= 1„,.), (x) «й (2) Код уР входного напряжения (2), снимаемый с выхода АЦП и отличающийся от уп на величину погрешности АЦП, т.е, уп =уп 2 (к) (3) подается на вход микропроцессорного блока, где формируется оценка Хп .входного напряжения X по рекурентной формуле л л ()

Хп = Хп-1 "+ (4) Точность оценок (4) при этом будет оцениваться следующим образом.

/Хп ")-Х/ — « +

2 2Cn — 1 (5) Соотношение (5) показывает, что чем больше значение коэффициента усиления Сп-1 тем выше точность оценок Хп(к), т.е. тем ближе она к точности ЦАП. Однако беспредельное увеличение Сп-1 невозможно в силу ограниченности рабочего диапазона ALlrl. поэтому на каждом такте работы измерительного преобразователя коэффициенты усиления операционных усилителей должны выбираться таким образом, чтобы всегда выполнялось условие где Хп-4") — оценка входного напряжения Х, вырабатываемая микропроцессорным блоком в кодовой форме на предыдущем такте работы, а Лц — погрешность ЦАП.

Далее, раэностный сигнал с выхода схемы вычитания поступает на вход соответствующего операционного усилителя, коэффициент усиления Сп-q которого выставлен заранее (формулу,. по которой он определяется,.получим ниже) так что на вход

АЦП поступит напряжение уп, величина ко- торого определяется соотношением л уп=Сп-1(Х-Хп-1).

1828996

Отсюда, условием достижения предельной точности измерительного преобразователя будет превышение числом тактов его работы некоторой величины и*, т.е.

Я( п >и

С" О/(h + 2С 1 )

Л где и* находится иэ уравнения (7) 6s )n» Лц

15 х

1 в 20

Со — D/(— + L)

Лц (8) (12)

Логарифмируя (12) и полагая Л ц«Л> получим приближенную формулу для определе20 ния и* л*= (— — ) +1 л 20

25 д n+1 (20) ), (9) Таким образом, предельная точность обсуждаемого адаптивного измерителя и его допустимый диапазон измерений (динамический диапазон) определяются только точностью Л ц и динамическим диапазоном

L используемого в схеме ЦАП.

При этом, как видно из соотношения (13) характеристики АЦП определяют только скорость (число TBKT08 fl*), в которой рассматриваемый адаптивный измеритель выходит на уровень предельной точности измерений hö/2. Из полученных формул, в частности следует, что при а/О= Л ц/ ; (Л а» Л ц) точность Л ц/2 остигается на втором такте работы иэмериеля. А предельный диапазон, в котором ожно проводить с его помощью измерений апряжений, будет шире диапазона исходого АЦП в Лa/ Лц раз, т.е.

/Х() — Х/ / 1 + х (2D/ 2

Л Л n+1

20 20

40 (10)

Отметим важную особенность предлагае- т мого адаптивного измерительного преобра- м зователя: как видно из неравенства (10) н первоеслагаемоевправойчастиубываетпо 45 н степенному закону, т,е. погрешность АЦГ3 в данном устройстве подавляется со скоростью убывания степенной функции.

L = 0

Будем считать погрешность АЦП подав- 50 ленной, когда отмеченное первое слагаемое в (10) сравнивается со вторым (после чего точность оценки)4() будет монотонно стремиться к значению точности ЦАП

55 го

8 измерительной системе происходит расширение динамического диапазона D АЦП до значения 1= Л / h,ö „0»0, а точность измерений, равная h ц /2«h„/2 может быть получена уже на втором такте работы.

Это значит, что для данного случая достаточно двух операционных усилителей с коэффициентами, равными Со и С1, Если используются произвольные АЦП и ЦАП, с характеристиками не связанными соотношением (14) то при диапазоне L npeи

/ у. / =/ С. <(X-Õ. >) / 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 к) (при этом Хо " полагается равным О).

При таком выборе Со получим, что

Cn — О/ - 1 + — х а неравенство (5) конкретизируется следующим образом. д n+1

1+ 2 0 2 20

1828996 (18) 10

20 рядка долей процента.

7 дельная точность Лц/2 достигается за n* тактов работы измерителя (n* в большинстве практических задач имеет величины 2-5 тактов) в этом случае в схему необходимо

° включить n* коммутируемых операционных усилителей с заранее выставленными коэффициентами усиления.

После двух или n* тактов работы измерение данного значения величина напряжения Х на входе измерителя заканчивается, микропроцессорный управляющий блок 5 выдает адресату точное значение измеренного напря>кения Хп и одновременно вы)((К рабатывает и посылает во все блоки измерителя команды, возвращающие их в состояния готовности к следующему циклу измерений. Этот цикл начинается при подаче команды начала работы, подаваемой извне (автоматом или человеком) на микропроцессор и идет описанным выше образом.

В реальных условиях коэффициенты усиления ÑnР на каждом и-ом такте могут быть установлены на теоретическое значение Сп только с некоторой точностью, обусловленной величиной относительного разброса у

С,(1-у)«С «С, (1+у) (15) Из (17) видно, что погрешности установки реальных коэффициентов усиления СпР приводят к появлению в итоговой оценке точности измерений неисчезающей с и величины, пропорциональной у

/x3 — x/„,* =y(hÄ +

2 Со б

Поправка к погрешности оценок за счет у может достигать существенных значений при у > 0,05-0,1, т.к, в скобках в (18) содержится величина Лl2 Cc, = h б/Р порядка погрешности АЦП.

Непрерывная перестройка операционного усилителя на значения С >, С1, С2... даже по калиброванной последовательности управляющих напряжений, неизбежно связана с погрешностями, намного большими, чем погрешности усилителей с заранее эталонно выставленными или отъюстированными 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

+2сй +0(Р) (17) Здесь у-. относительная погрешность установки значений коэффициента усиления, считается не зависящей от и, а Сп — "поправленные" значения теоретических коэффициентов

C. -e./ (1+ у ), (16) что связано с необходимостью удержания на каждом такте величины V +1 выходного напряжения. снимаемого с усилителя, в рабочем диапазоне |-D, 01 АЦП.

При учете погрешности установки коэффициентов СрР неравенство, характериэун>щее точность результирующих оценок X4") .напряжения принимает вид

ixP — xr (y" i+ g x

К=1

"(" + 2 c + 2 c.- ) + я +

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 Сп".

Но 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

Составитель Л.Качесова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Андрушенко

Редактор

Заказ 2474 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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 Лц, даже не nqeвосходящей Ьв все равно позволяет в L/O 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 ав5 тогенераторного датчика угла наклона, nepBoIo коммутатора. набора операционных усилителей с различными коэффициентами усиления и второго коммутатора. выходом подключенного к входу аналого-цифрового

10 преобразователя. соответствующие выходы блока обработки подключены к входам схемы потактной синхронизации и цифроаналогового преобразователя, связанного синхрониэирующим входом с первым выхо15 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.