Метод снижения погрешности квантования в датчиках первичной информации, работающих в автоколебательном режиме

Ватутин М.А.; Кузьмичев Ю.А.; Балуев С.Ю.; Ключников; Буянкин М.П.

Ключевые слова: датчики, автоколебательный режим, погрешность измерения ускорения, акселерометр, синхронизация, квантование по времени.

При преобразовании временного интервала, который содержит информацию о измеряемом процессе, в цифровом измерительном устройстве возникает погрешность квантования по времени. Эта по-грешность носит случайный характер и не превышает одного шага квантования. Известным методом уменьшения значения погрешности квантования при преобразовании временного интервала в цифровой код является увеличение значения тактовой частоты генератора. При работе маятникового акселерометра в автоколебательном режиме на частоте вынужденных колебаний = 1000 Гц и погрешности квантования Д(Г.) = 10-6 с, частота тактового генератора счетчиков должна иметь значение не менее 1 ГГц. Цифровое измерительное устройство для таких тактовых частот должно быть выполнено в виде монолитной микросхемы, что требует значительных материальных затрат на ее разработку. Для уменьшения погрешности квантования предлагается время действия датчика момента маятникового акселерометра синхронизировать с тактовой частотой генератора. Преобразованный цифровой сигнал по цепи обратной связи оказывает воздействие на чувствительный элемент, которым выступает подвижная масса, которая, в свою очередь, своей инерционностью интегрирует сумму моментов, приложенных к ней, и преобразует сумму приложенных моментов в параметры движения маятника. Разница моментов инерции, возникающая в результате работы устройства синхронизации, учитывается в величине следующего временного интервала. Статистическая обработка выходного сигнала по результатам нескольких периодов колебаний позволяет получить значение измеряемого ускорения, в котором будет исключена погрешность квантования по времени. Особенность предлагаемого метода компенсации входного воздействия заключается в том, что он позволяет одновременно исключить погрешность квантования по времени и снизить тактовую частоту преобразователя до приемлемого значения 30...100 МГц.

Ватутин МА,

Преподаватель кафедрыы бортовых информационных и измерительных комплексов Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, к.т.н., доцент, valulinm@inbox.ru

Кузьмичев ЮА,

Начальник кафедрыы автономных испытаний Военно-космической академии им А.Ф. Можайского, к.т.н., доцент, y.kuzmichev63@mail.ru

Балуев С.Ю.,

Доцент кафедры бортовых информационных и измерительных комплексов Военно-космической академии им А.Ф. Можайского, к.т.н., S.baiuev@maii.ru

Ключников А.И.,

Старший инженер-испытатель 1-го ГИК, zxcvbn701@yandex.ru

Буянкин М.П.,

Инженер отделения ГИКЦ,

Asber@mail.ru

Рассмотрим особенности применения маятникового акселерометра, работающего в автоколебательном режиме [1]. Целью исследований является повышение точности измерений кажущегося ускорения за счет уменьшения погрешности квантования измеряемой величины по времени. Структурная схема акселерометра, работающего в автоколебательном режиме показана на рис. 1.

Преобразование временного интервала тх (т2) в цифровой код осуществляется в устройстве преобразования временных интервалов (УПВИ), путем заполнения этого интервала тактовыми импульсами стабильной частоты

/ГТИ И-

Способ заполнения временного интервала изображен на рис. 2 (диаграмма б и е).

Маятниковый акселерометр по своей сути является электромеханическим преобразователем. Чувствительным элементом в маятниковом акселерометре выступает подвижная масса, которая своей инерционностью интегрирует сумму моментов, приложенных к ней, и преобразует сумму приложенных моментов в параметры движения маятника. Из этого следует, что преобразованный цифровой сигнал может оказывать по цепи обратной связи воздействие на чувствительный элемент. Это означает, что дополнительная величина момента А(М(,с) оказывает воздействие на чувствительный элемент, “запоминается” им и будет им же “учтена” в величине следующего временного интервала.

Функциональная схема устройства синхронизации, предназначенного для получения временных интервалов г* и г*,

показано на рис. 3 [3,4].

I ГТИ [■—Лц-

нз

: ЦОС

■ Т,.Т;

• L

□ R

-ГГ

ТГ ,н

if

-С

01

Q2

им

—о

Bun

Рис. 3. Функциональная схема устройства синхронизации

Принцип работы устройства основывается на записи данных в динамический триггер по входу £> (временной интервал Гі или г>) синхронно с подачей тактового импульса на динамический вход С. В результате на выходе триггера формируются сигналы временных интервалов т’ и г’. По

сути, сигнал “Ах-”, поступающий на датчик момента (см. Рис.1), это временные интервалы *•* и г*- Поэтому сигнал

“/ос” поступает с выхода триггера. Логические элементы И и ИЛИ предназначены для формирования сигналов, необходимых для УІІВИ: на выходе 0\ формируются целочисленные импульсы соответствующие временному интервалу г*,

а на выходе 02 — На клемме “Вых.” присутствует тактовая частота /їти генератора тактовых импульсов.

Таким образом, за счет синхронизации времени действия датчика момента с тактовой частотой генератора, исключается пог решность квантования по времени. Дополнительная величина момента Д(Мк) в данный интервал времени выступает как погрешность измерения, но учитывается при измерении следующего временного интервала. Статистическая обработка выходного сигнала по результатам нескольких периодов колебаний позволяет получить значение изме-

ряемого ускорения, в котором будет исключена погрешность квантования по времени.

Особенность предлагаемого метода компенсации входного воздействия заключается в том, что он позволяет одновременно устранить погрешность преобразования аналоговой величины в цифровой код и снизить тактовую частоту преобразователя. Снижение значения тактовой частоты до величины 30...50 МГц позволит выполнить преобразующие цифровые устройства на ИМС малой степени интеграции по технологиям широко применяемым в технике.

УПВИ и устройство синхронизации удобнее всего выполнить на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или базовых матричных кристаллах (БМК). Современные ПЛИС зарубежного производства позволяют работать на тактовых частотах 200...300 МГц [5]. Отечественные ПЛИС работают на частотах до 100 МГц [6], БМК -30...50 МГц [7].

Заключение

Рассмотренный метод преобразования временного интервала позволяет исключить погрешность квантования из результата измерения кажущегося ускорения с одновременным снижением тактовой частоты генератора. Погрешность исключается за счет использования системы синхронизации времени действия датчика момента с тактовой частотой генератора.

Литература

1. Лучко С.В.. Ватутин М.А. Компенсационный акселерометр в режиме автоколебаний // Изв. ВУЗов. Приборостроение, 2005, Т.48, №6. - С. 62-67.

2. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душин. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1987. -480 с.

3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом “Додэка-ХХГ\ 2005. - 528 с.

4. Пухапьскиы Г.И.. Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства. -СПб.: Политехника, 1996. - 480 с.

5. С тешен ко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигнала. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 128 с.

6. http://www.vzpp-s.ru/about.htni - ОАО “ВЗПП-С”, г. Воронеж. Каталог продукции. Дата обращения 07.07.2013 г.

7. http://www.angstrern.ru/products/lntegrated-schemes-bmk -ОАО “Ангстрем" г. Зеленоград. Каталог продукции. Дата обращения 07.07.2013 г.

METHOD OF THE REDUCTION TO INACCURACY OF THE SLICING IN SENSOR OF THE SOURCE INFORMATION, WORKING IN SELF-OSCILLATION MODE

M.A. Vatutin, YU.A. Kuzmichev, S.Y. Baluev, A.I. Klyuchnikov, M.P. Buyankin

Abstract

At transformation of the temporary interval, which contains information on measured about-cession, in measur-ing digital device appears inaccuracy of the slicing on time. This error carries the casual nature and does not ex-ceed one step of the slicing. The Known method of the de-emphasis to inaccuracy of the slicing at transformation of the temporary interval in digital code is an increase of importance of the clockrate of the generator. When working of the pendulum accelerometer in self-oscillation mode on frequency of the compelled fluctuations f0 = 1000 Hz and inaccuracy of the slicing (Ti)=10'6sec, frequency of the pulsing generator counter must have importance not less 1 GGC. The Digital measuring device for such clockrates must be executed in the manner of monolithic microchip that requires the significant material expenseses on its development. For reduction of inaccuracy of the slicing is offered time of the action of the sensor of the moment pendulum ac-celerometer synchronize with clockrate of the generator. Transformed digital signal on chain to feedback to have an influence upon detector element, which emerges the rolling mass, which, in turn, its characteristic of inertia inte-grates the amount of the moments, has flowed-reaped to her, and will convert the amount of the attached moments in parameters of the moving the pendulum. The Difference of the moments to inertias, appearing as a result of func-tioning device to synchronizing, is taken into account in value of the following temporary interval. Statistical proc-essing the output signal on result several periods of the fluctuations allows to get importance of the measured speedup, in which will include inaccuracy of the slicing on time. The Particularity of the proposed method to com-pensations of the input influence is concluded in that that he allows simultaneously to exclude inaccuracy of the slicing on time and reduce the clockrate of the converter before acceptable importance 30 100 MHz.

Keywords: sensors, self-oscillation mode, inaccuracy of the measurement of the speedup, accelerometer, synchronizing, slicing on time.

Текст научной работы на тему «Метод снижения погрешности квантования в датчиках первичной информации, работающих в автоколебательном режиме»