DE2261390B2

DE2261390B2 - Nuklearkreiselsystem

Info

Publication number: DE2261390B2
Application number: DE19722261390
Authority: DE
Inventors: John R. Chappaqua N.Y. Lowdenslager (V.St.A.)
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1972-12-15
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1980-05-22
Also published as: DE2261390A1; DE2261390C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nuklearkreiselsystem der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung.

Solche Nuklearkreiselsysteme sind bekannt (US-PS Jl 03 623). Dabei werden die beiden zueinander parallelen, entgegengesetzt zueinander gerichteten Magnetfelder der beiden auf Orientierungsänderungen

ansprechenden Spingeneratoren hinsichtlich der jeweiligen Feldstärke so gesteuert, daß einmal die eine der beiden Ausgangsfrequenzen des einen Spingenerators mit der Frequenz eines Kristallosziilators in einem Phasenvergleicher verglichen wird, um die Feldstärke beider Magnetfelder in gleicher Richtung zu beeinflussen und die besagte Ausgangsfrequenz phastenkonstant zu halten, und daß zum anderen die andere Ausgangsfrequenz dieses Spingenerators mit der entsprechenden Ausganp.sfrequenz des anderen Spingenerators phasenverglichen wird, um eine bestimmte Feldstärkendifferenz zwischen den beiden Magnetfeldern der beiden Spingeneratoren einzustellen, und zwar eine solche, daß die Phasen der beiden miteinander verglichenen Ausgangsfrequenzen der beiden Spingeneratoren gleich sind. Die andere Ausgangsfrequenz des anderen Spingenerators wird mit der entsprechenden Ausgangsfrequenz des ersten Spingenerators unter Zwischenschaltung eines mechanischen Reso'vers in einem PhasenvergJeicher verglichen. Der Resolver wird so verstellt, daß die Phasendifferenz gleich Null ist. Der Resolver gibt dann ein Ausgangssignal ab, welches dem jeweiligen Drehwinkel des Nuklearkreiselsystems um diejenige Achse entspricht, zu welcher die Magnetfelder der beiden Spingeneratoren parallel verlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nuklearkreiselsystem der im Oberbegriff de¹- Hauptanspruchs angegebenen Gattung zu schaffen, welches bezüglich der Schaltung zur Verarbeitung der Ausgangsfrequenzen der Spingeneratoren digital arbeitet, keine mechanisch bewegten Teile aufweist, sondern vielmehr mit Festkörperbauelementen verwirklicht werden kann, eine hohe Stabilität aufweist und ohne Sättigung in einer Richtung unbegrenzt über eine sehr große Anzahl von Zyklen gedreht werden kann, wobei es phasenstarr bleibt, selbst wenn das Eingangssignal entfernt wird, und welches sich verhältnismäßig niedrige Herstellungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindiingsgemäßen Nuklearkreiselsystems sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend sind Ausführungsformen des Nuklearkreiselsystems nach der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt als Blockschaltbild

Fig. 1 ein Nuklearkreiselsystem mit zwei Spingeneratoren, welche jeweils eine höhere Ausgangsfrequenz f\ = I Kilohertz und eine niedrigere Ausgangsfrequenz h = 369 Hertz liefern, und mit einer digitalen Schaltung zur Verarbeitung der Ausgangsfrequenzen f\ und /2,

F i g. 2 bis 4 jeweils eine andere Ausführungsform der Schaltung zur Frequenzverarbeitung.

Gemäß Fig. I sind zwei Spingeneratoren IC und Il vorgesehen. Der erste Spingenerator 10 weist ein in einer Richtung wirkendes Magnetfeld auf, welches entlang einer festen Achse ausgerichtet ist. Ein nicht dargestellter Behälter in dem Magnetfeld schließt zwei Gruppen verschiedenartiger, subatomischer Teilchen ein, welche bei richtiger Erregung magnetische Resonanz zeigen. Die Teilchen werden mit Strahlungsenergie bei der Resonanzfrequenz wenigstens einer der beiden Teilchengruppen angeregt.

Es wird in dem in einer Richtung wirkenden Magnetfeld assoziiertes magnetisches Wechselfeld hervorgebracht, welches eine der Larmor-Frequenz jeder Teilchengruppe entsprechende Frequenz aufweist, um eine erzwungene Präzession der magnetischen Momente der Teilchen um die Achse zu bewirken. Die Präzessionsfrequenzen der magnetischen Momente der Substanzen können festgestellt und ausgelesen ι werden. Die Feldstärke des in einer Richtung wirkenden Magnetfeldes kann variiert werden.

Der zweite Spingenerator 11 weist ebenfalls ein in einer Richtung wirkendes Magnetfe'd auf, welches im wesentlichen dem ersten in einer Richtung wirkenden

ι» Magnetfeld entspricht und entlang einer zweiten festen Achse ausgerichtet ist, welche parallel zur ersten Achse verläuft oder identisch ist, welche parallel zur ersten Achse verläuft oder identisch damit ist. Das zweite Magnetfeld ist entgegengesetzt zum ersten gerichtet.

ι Ί Im zweiten Magnetfeld ist ebenfalls ein nicht dargestellter Behälter vorgesehen, welcher verschiedenartige subatomische Teilchen enthält, die denen im ersten Behälter entsprechen. Die Teilchen werden gleichfalls mit Strahlungsenergie bei der Resonanzfrequenz

Ji) wenigstens einer der beiden Teilchengruppen angeregt.

Auch wird ein dem in einer Richtung wirkenden

Magnetfeld des zweiten Spingenerators 11 assoziiertes magnetisches Wechselfeld hervorgerufen, welches eine der Larmor-Frequenz jeder Teilchengruppe entspre-

:> chende Frequenz aufweist, um eine erzwungene Präzession der magnetischen Momente der Teilchen um die feste Achse des zweiten Spingenerators 11 zu bewirken. Die Präzessionsfrequenzen der magnetischen Momente der Substanzen können festgestellt und

in ausgelesen werden. Desgleichen kann die Feldstärke des zweiten in einer Richtung wirkenden Magnetfeldes variiert werden, so daß es nicht erforderlich ist, die absoluten Feldstärken der jeweils in einer Richtung wirkenden Magnetfelder der beiden Spingeneratoren

Γι 10 und 11 unabhängig voneinander zu kennen.

Bei den subatomischen Teilchen in den Behältern beider Spingeneratoren 10 und 11 kann es sich um Teilchen zweier verschiedener Quecksilberisotope handeln, so daß die Resonanzfrequenzen der beiden

•tu Spingeneratoren 10 und 11 jeweils bei I Kilohertz und 369 Hertz liegen. In jedem Behälter befinden sich sowohl Teilchen des einen Quecksilberisotopen als auch Teilchen des anderen Qiiecksilberisotopen.

Gemäß F i g. 1 ist ein Kristalloszillator 12 vorgesehen,

·!■-> welcher Impulse mit einer festen Frequenz von 1,024 Megahertz liefert. Der Kristalloszillator 12 ist mit einem Frequenzteiler 13 verbunden, welcher ausgangsseitig zehn parallele Leitungen speist und also zyklisch mit einer Frequenz von 1 Kilohertz arbeitet.

■"·» Das Ausgangssignal des Kristalloszillators 12 soll bezüglich der vom ersten Spingenerator 10 erzeugten Frequenz /i von 1 Kilohertz phasenstarr sein. Dies kann durch eine Phasengleich- oder -nachlaufschleife bewerkstellig werden, welche als ein Element den eisten

■"·■"· Spingenerator 10 selbst enthält. Die Ausgangsfrequenz f\ des ersten Spingenerators 10 ist dem in einer Richtung wirkenden Magnetfeld desselben proportional. Da das Magnetfeld variiert werden kann, ist also auch eine Variation der Ausgangsfrequenz f\ bzw. der Phase der

ι·» Ausgangsfrequenz/i möglich.

Der erste Spingenerator 10 ist mit einem Filter 14 verbunden, welches spitzenförmige Impulse mit einer Frequenz von etwa I Kilohertz liefert, und /war synchron mit den entsprechenden, vom ersten Spin-

1. > generator 10 erzeugten Signalen.

Ein Magnetfeldfehlerregister 16 mit zehn Klipflops ist eingangsseitig mit dem Frequenzteiler 13 verbunden, ferner an das Filter 14 angeschlossen, welches dar.

Magnetfeldfehlerregister 16 bzw. dessen Eingangssignale \om Frequenzteiler 13 her so steuert, daß die Signale des Frequenzteilers 13 mit einer den Impulsen des Filters 14 entsprechenden Frequenz aufgenommen werden. Nimmt man an, daß die Impulsfrequenz des Filters 14 und somit die Ausgangsfrequenz f\ des ersten Spingenerators 10 identisch mit der Frequenz des Frequenzteilers 13 ist, dann ist keine Phasendifferenz gegeben, und dem Magnetfeldfehlerregister 16 wird jeweils dieselbe Zahl eingegeben.

Das Magnetfeldfehlerregister 16 ist ausgangsseitig mit einer Magnetfeldproportionalsteuerschaltung 17 zur Steuerung des in einer Richtung wirkenden Magnetfeldes des ersten Spingenerators 10 verbunden, welche einen Digital/Analog-Umsetzer 18 aufweist, der in Reihe zu einem Integrator 19 mit einem Funktionsverstärker 21 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 22 geschaltet ist. Der Integrator 19 ist ausgangsseitig mit der Wicklung für das in einer Richtung wirkende Magnetfeld des ersten Spingenerators 10 verbunden.

Die das Filter 14. das Magnetfeldfehlerregister 16, die Magnetfeldproportionalsteuerschaltung 17 und den ersten Spingenerator 10 enthaltende Schleife ist insofern selbststeuernd, als immer dann, wenn eine Phasenänderung zwischen dem ersten Spingenerator 10 und den Ausgangssignalen des Frequenzteilers 13 im Entstehen begriffen ist, die Schleife für eine Rückführung zum Phasengleichlauf sorgt. Es kann vorkommen, daß der erste Spingenerator 10 und der Frequenzteiler 13 nicht genau in Phase sind, jedoch bleibt die Phasendifferenz zwischen dem ersten Spingenerator 10 und dem Frequenzteiler 13 bei fehlender Rotation des Nuklearkreiselsystems normalerweise konstant. Damit wird das in einer Richtung wirkende Magnetfeld eingestellt, welches zu Bezugszwecken verwendet wird.

In gleicher Weise wie der erste Spingenerator 10 ist auch der zweite Spingenerator 11 mit einem Filter 23 verbunden, welches spitzenförmige Impulse mit einer Frequenz f\ von etwa 1 Kilohertz liefert, und zwar synchron mit den entsprechenden, vom zweiten Spingenerator 11 erzeugten Signalen.

Ein Phasendifferenzregister 24 mit zehn Flipflops ist eingangsseitig mit dem Frequenzteiler 13 verbunden, ferner an das Filter 23 angeschlossen, welches das Pliasendifferenzregister 24 bzw. dessen Eingangssignale vom Frequenzteiler 13 her so steuert, daß dessen Signale mit einer den Impulsen des Filters 23 entsprechenden Frequenz aufgenommen werden. Nimmt man an. daß die Impulsfrequenz des Filters 23 und somit die Ausgangsfrequenz f\ des zweiten Spingenerators 11 identisch mit der Frequenz des Frequenzteilers 13 ist, dann ist eine konstante Phasenbeziehung gegeben, und es wird in das Phasendifferenzregister 24 jeweils dieselbe Zahl eingegeben, welche der Phasendifferenz zwischen den beiden Spingeneratoren 10 und 11 entspricht.

Die Spingeneratoren 10 und 11 sind weiterhin jeweils mit einem Filter 26 bzw. 27 gekoppelt, welches spitzenförmige Impulse mit einer Frequenz f₂ von etwa 369 Hertz liefert, und zwar synchron mit den entsprechenden, vom ersten Spingenerator 10 bzw. zweiten Spingenerator 11 erzeugten Signalen.

Gemäß F i g. 1 ist ein zweiter Kristalloszillator 28 vorgesehen, welcher Impulse mit einer festen Frequenz von 3 77 856 Hertz liefert und über eine Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 29 mit einem zweiten Frequenzteiler 31 mit zehn parallelen Ausgangsleitungen gekoppelt ist. Der Frequenzteiler 31 arbeitet zyklisch mit einer Frequenz von 369 Hertz.

Der Ausgang des Frequenzteilers 31 soll mit der Nennfrequenz von 369 Hertz des ersten Spingenerators ι 10 in Synchronlauf gehalten werden. Dies kann durch eine geschlossene Schleife mit der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 29, dem Frequenzteiler 31 sowie einem Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 mit zehn Flipflops bewerkstelligt werden, dem

i" die Steuerimpulse des Filters 26 zugeführt werden.

Das Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister32 ist eingangsseitig mit dem zweiten Frequenzteiler 31 verbunden, wobei die Eingangssignale vom Frequenzteiler 31 her durch die Steuerimpulse des Filters 26 so

Ii gesteuert werden, daß die Ausgangssignale des Frequenzteilers 31 mit einer den Impulsen des Filters 26 entsprechenden Frequenz aufgenommen werden. Nimmt man an, daß die Frequenz des Filters 26 und somit die Ausgangsfrequenz /j des ersten Spingenerators 10 identisch mit der Frequenz des Frequenzteilers 31 sind, dann besteht keine Phasendifferenz, und es wird jeweils dieselbe Zahl in das Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 eingegeben.

Die Proportionalvorstell- und -verzögerungsschal-

2Ί tung 29 ist eingangsseitig mit dem zweiten Kristalloszillator 28 und ausgangsseitig mit dem zweiten Frequenzteiler 31 verbunden, ferner mit dem Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32, welches die Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 29 steuert, um

J» die Zahl der Impulse für den Frequenzteiler 31 zu vergrößern oder zu verringern, so daß er mit der Ausgangsfrequenz /j von 369 Hertz des ersten Spingenerators 10 synchron läuft.

Das Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32

i'i ist durch zehn Leitungen mit der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 29 verbunden. Eine dieser Leitungen ist einem Vorzeichen-Bit zugeordnet, wobei eine logische »0« ein positives Vorzeichen und eine logische »1« ein negatives Vorzeichen bedeuten. Die

4(1 übrigen neun Verbindungsleitungen sind numerischen Daten zugeordnet. Ist diesen numerischen Daten ein positives Vorzeichen zugeordnet, dann stellen sie die absolute, im Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 gespeicherte Zahl dar; ist das Vorzeichen

⁴"> negativ, dann repräsentieren die über die neun Leitungen eingegebenen numerischen Daten das Komplement zur gespeicherten absoluten Zahl.

Die Proportionalvorstell- und -verzögerungsschaltung 29 weist neun Halbaddierer 33 auf. Eingangsseitig

">⁽¹ ist jeder Halbaddierer 33 mit einer der neun vom Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 kommenden Leitungen verbunden. Mit einem zweiten Eingang sind die Halbaddierer 33 jeweils mit dem Ausgang eines Inverters 34 verbunden, welcher

^r" eingangsseitig mit dem Vorzeichen-Bit vom Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 beaufschlagt ist. Die Ausgänge der neun Halbaddierer 33 stellen also das Negativ der im Phasennachlauf- oder -gleichlauffehlerregister 32 gespeicherten absoluten Zahl dar.

mi Ausgangsseitig sind die neun Halbaddierer 33 mit einem Zähler 36 verbunden. In diesen werden die Ausgangssignale eingelassen, gesteuert durch einen durch einen Verzögerer 37 verzögerten Impuls vom Filter 26 her. Die neun Ausgänge Q des Zählers 36 sind

hi zu einem NOR-Gatter 38 geführt, welches ausgangsseitig mit einem Eingang eines jeden von drei NOR-Gattern 39, 41 und 42 verbunden ist Die NOR-Gatter 39 und 41 weisen jeweils zwei Eingänge auf, das

NOR-Gatter 42 drei Eingänge. Der zweite Eingang des NOR-Gatters 39 wird mit Impulsen vom zweiten Kristalloszillator 28 her beaufschlagt. Das NOR-Gatter 39 ist ausgangsseitig mit dem Zähler 36 verbunden.

Nimmt man an, daß der Zähler 36 auf Null steht, und s daß es sich bei den Signalen der Ausgänge Q jeweils um eine logische »1« handelt, dann ist ein Zählertriggereingang verhindert. Bei einer Zahl ohne Speicherung aller logischen »0« im Zähler 36 können Triggerimpulse in den Zähler 36 gelangen. Der Zähler 36 zählt bis auf Null, in und zwar mit der aufgegebenen, vom zweiten Kristalloszillator 28 bestimmten Triggerfrequenz von 377 856 Hertz. Steht der Zähler 36 auf Null, dann hören die Triggerimpulse auf, und zwar weil das Ausgangssignal des NOR-Gatters 38 das NOR-Gatter 39 blockiert, d. h. undurchlässig schaltet. Die Zahl der dem Zähler 36 aufgegebenen Triggerimpulse ist also gleich der vorher in den Zähler 36 eingelesenen Zahl. Der Zähler 36 erzeugt eine Zahl von Impulsen, welche der aufgegebenen Zahl gleich ist.

Der Inverter 34 ist ausgangsseitig nicht nur mit den Halbaddierern 33 verbunden, sondern zusätzlich mit dem zweiten Eingang des NOR-Gatters 41 und mit einem Inverter 43, welcher ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang des NOR-Gatters 42 verbunden ist. Dessen dritter Eingang ist über einen 180°-Verzögerer 44 mit dem zweiten Kristalloszillator 28 verbunden. Der 180°-Verzögerer 44 bewirkt bei der beschriebenen Ausführungsform eine Verzögerung von 1/755 712 Sekunden, was'/2 χ 377 856 Hertz entspricht.

Ausgangsseitig ist das NOR-Gatter mit einem Eingang eines NOR-Gatters 46 verbunden, dessen zweiter Eingang mit Impulsen vom zweiten Kristalloszillator 28 beaufschlagt wird. Ausgangsseilig sind die NOR-Gatter 46 und 42 mit den Eingängen eines weiteren NOR-Gatters 47 verbunden, welches ausgangsseitig mit dem zweiten Frequenzteiler 31 in Verbindung steht.

Steht der Zähler 36 auf Null still, dann werden Impulse mit 377 856 Hertz durch die NOR-Gatter 46 und 47 dem Frequenzteiler 31 zugeführt. Liegt jedoch ein Fehler vor, d. h. steht der Zähler 36 nicht auf Null, dann sollen entweder einige der Triggerimpulse von 377 856 Hertz blockiert werden, so daß der Zähler 36 verzögert wird, oder zusätzliche Impulse zwischen die Triggerimpulse eingefügt werden, um eine Fhasenvorstellung zu erreichen, je nachdem, ob das Vorzeichen des Fehlersignals negativ oder positiv ist. Die NOR-Gatter 41, 46, 47 und 42 erlauben also ein Passieren der Taktimpulse mit der Frequenz von 377 856 Hertz, wenn der Vorzeichen-Bit eine logische »1« (negatives Vorzeichen) ist, und blockieren die Taktimpulse, wenn der Vorzeichen-Bit eine logische »0« (positives Vorzeichen) ist, also ein Phasenfehler vorliegt und das Signal verzögert werden muß. Gleichermaßen wird ein gesonderter, um 180° verzögerter Taktimpuls durch die NOR-Gatter 41,46,47 und 42 eingefügt, wenn der Vorzeichen-Bit eine logische »1« (negatives Vorzeichen) ist.

Ein weiteres Phasendifferenzregister 48 mit zehn Flipflops ist eingangsseitig mit dem Ausgang des zweiten Frequenzteilers 31 verbunden, ferner mit dem Filter 27, welches den Einlaß von Signalen des Frequenzteilers 31 in das Phasendifferenzregister 48 steuert

Der erste Spingenerator 10 und der zweite Spingenerator 11 werden mittels einer Digitalsubtrahierschaltung 49 in Synchronlauf gehalten, welche mit den Ausgängen der beiden Phasendifferenzregister 24 und 48 verbunden ist und ein Differenzsignal liefert. Ausgangsseitig ist die Digitalsubtrahierschaltung 49 mit einer zweiten Magnetfeldproportionalsteuerschaltung 51 verbunden, weiche das in einer Richtung wirkende Magnetfeld des zweiten Spingenerators 11 steuert und einen Digital/Analog-Umsetzer 55 aufweist, der an einen Integrator 53 mit einem Funktionsverstärker 54 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 56 angeschlossen ist. Der Integrator 53 ist ausgangsseitig mit der Wicklung für das in einer Richtung wirkende Magnetfeld des zweiten Spingenerators 11 verbunden.

Ausgangsseitig sind die beiden Phasendifferenzregister 24 und 48 weiterhin an einen Digitaladdierer 57 angeschlossen, welcher ein Summensignal liefert, das zu inertiaibezugszwecken verwendet wird und einer Mittelwertschaltung 58 aufgegeben werden kann, um Durchschnittsdaten zu erhalten.

Die Mittelwertschaltung 58 weist einen Addierer 61 auf, der mit einem Mehrstufenregister 52 verbunden ist. Eine Subtrahierschaltung 62 ist vorgesehen, welche ausgangsseitig mit einem Eingang des Addierers 61 verbunden ist. Der Ausgang des Mehrstufenregisters 52 kann mit einem zweiten Eingang des Addierers 61 verbunden sein. Weiterhin ist ein Rechtsschieber 63 vorgesehen, welcher ebenfalls mit dem Ausgang des Mehrstufenregisters 52 verbunden ist und die binäre Zahl vom Mehrstufenregister 52 zu den rechten /j-Ziffem verschiebt, was einer Teilung der Ausgangszahl des Mehrstufenregisters 52 durch 2" entspricht. Das Ausgangssignal des Rechtsschiebers 63 wird dem Subtraktoreingang der Subtrahierschaltung 62 aufgegeben, deren anderer Eingang mit dem Digitaladdierer 57 verbunden ist, so daß das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 62 Differenzdaten des zu Inertiaibezugszwecken verwendeten Summensignals darstellt. Dieses Ausgangssignal kann anderen, nicht dargestellten elektronischen Schaltungen aufgegeben werden.

Der erste Spingenerator 10 und der erste Kristalloszillator 12 sollen phasenstarr arbeiten. Nimmt man an, daß keine Rotation des Nuklearkreiselsystems stattfindet, dann bleiben die Ausgangssignale des Phasendifferenzregisters 24 konstant Da die beiden Kristalloszillatoren 12 und 28 nicht kohärent zueinander sind, ergeben sich geringere Differenzen. Die zwischen den beiden Kristalloszillatoren 12 und 28 auftretenden Phasendifferenzen können mittels der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 29 eingestellt werden, welche auf diese Weise eine Durchschnittsfrequenz entsprechend der Ausgangsfrequenz h von 369 Hertz des Filters 26 aufrechthält. Entsprechend der Phasendifferenz zwischen den beiden von den Frequenzteilern 13 und 31 gelieferten Signalen kann das in einer Richtung wirkende Magnetfeld des zweiten Spingenerators 11 gesteuert werden.

Obwohl die beiden Signale sich zunächst hinsichtlich der Frequenz unterscheiden, ist tatsächlich eine Phasendifferenz erstrebt so daß Phasenwinkel verglichen werden. Erhalten wird eine bestimmte, gleichbleibende Differenz in der Digitalsubtrahierschaltung 49, welche den zweiten Spingenerator 11 so steuert daß die absoluten Feldstärken der jeweils in einer Richtung wirkenden Magnetfelder des ersten Spingenerators 10 und des zweiten Spingenerators 11 unwesentlich sind.

Die von der Digitalsubtrahierschaltung 49 ausgelesene Größe ist normalerweise konstant Wird jedoch das gesamte Nuklearkreiselsystem um die festen Achsen der beiden Spingeneratoren 10 und 11 bzw. der

Magnetfelder derselben getreht, dann ändern sich zwar beide Phasenwinkel, jedoch in derselben Richtung, so daß die Differenz der Phasenwinkel konstant bleibt. Durch Additon der beiden Phasenwinkel oder der entsprechenden Signale der Phasendifferenzregister 24 und 48 erhält man Signale, welche zu Inertialbezugszwecken dienen.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 wird ein Eingangssignal mit der Frequenz 4 dessen Phase festgestellt und mit dem ein Phasengleichlauf hervorgebracht werden soll, über eine Leitung 101 einem Phasendetektor 102 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Verstärker 103 aufgegeben und nach der Verstärkung integriert wird, und zwar mittels eines rückstellbaren Integrators 104. Ausgangsseitig ist der Integrator 104 mit einem Analog/Digital-Umsetzer 105 verbunden, dessen binären Ausgangssignal mit r Bits einer Schaltung 107 eingegeben wird, welche die Phase des Ausgangssignals in einer Leitung 110 vorstellt oder verzögert, und zwar proportional zum festgestellten Phasenfehler. Ein Taktsignal mit einer Frequenz von 2"-4 welches in einer Leitung 106 von einer Quelle kommt, die genau oder annähernd kohärent mit dem Eingangssignal der Frequenz /j arbeitet, wird in der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 107 verarbeitet, so daß sich in einer Leitung 108 ein Treibsignal für einen n-stufigen Binärzähler 109 ergibt. Das Taktsignal wird von dem Binärzähler 109 geteilt und ergibt ein Rechteckwellen-Ausgangssignal in der Leitung 110, welches als Referenzssignal für den Phasendetektor 102 dient, ferner die Rückstellung des Integrators 104 steuert und den Analog/Digital-Umsetzer 105 auf Aufnahme schaltet.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist statt des Analog/Digital-Umsetzers 105 ein Niveaudiskriminator 114 vorgesehen, welcher einfache Verzögerungs- und Vorstellsignale in Leitungen 112,113 für die Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 107 liefert. Ein Referenzsignal, welches von einem zweiten von einer Steuerschaltung 116 getriebenen, n-stufigen Binärzähler 117 kommt, steuert η UND-Gatter 115, welche mit den π Ausgangssignalen des ersten Binärzählers 109 beaufschlagt werden und in Leitungen 118 parallel ein digitales Phasenwinkel-Ausgangssignal mit π Bits liefern.

Die Ausführungsformen gemäß F i g. 2 und 3 funktionieren folgendermaßen. Das Eingangssignal wird über die Leitung 101 dem Phasendetektor 102 aufgegeben. Das Phasenfehlersignal wird durch den Verstärker 103 verstärkt und bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 dem Integrator 104 aufgegeben, um lediglich über einen Zyklus des Ausgangssignals integriert zu werden. Das Ausgangssignal des Integrators 104 wird vom Analog/ Digital-Umsetzer 105 aufgenommen und der Integrator 104 zurückgestellt Der Analog/Digital-Umsetzer 105 ist von so einfachem Aufbau, wie es die Eigenart des Eingangssignals und die erforderliche Mittelwertbildung daraus zulassen. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist als lediglich zwei Werte des Eingangssignals erkennender Analog/Digital-Umsetzer der Niveaudiskriminator 114 vorgesehen.

Das binäre, den jeweiligen Phasenfehler repräsentierende Ausgangssignal mit r Bits des Analog/Digital-Umsetzers 105 kann gemäß Fig.2 parallel oder seriell der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 107 aufgegeben werden, welche die Aufgabe hat, über die Leitung 108 Taktimpulse dem Binärzähler 109 aufzugeben. Ändert sich die Phase des Eingangssignals in der Leitung 101 nicht, und ist die Frequenz der an die Leitung 106 angeschlossenen Taktsignalquelle genau gleich 2"· 4 dann ändert sich die Phase des Ausgangssignals des Binärzählers 109 bezüglich des Eingangs^ri signals nicht. Für einen genauen Gleichlauf muß die Taktsignalquelle genau kohärent arbeiten, d. h. das Eingangssignal und das Taktsignal mit der Frequenz 2"-f_s sollten von demselben Oszillator oder von phasenstarren Oszillatoren herrühren. Durch zeitweili-

iü ge Unterdrückung einzelner Taktimpulse in dem Treibsignal für den Binärzähler 109 kann die Phase des Ausgangssignals gegenüber der Phase des Eingangssignals verzögert werden, und zwar schrittweise um jeweils 360°/2". Ist beispielsweise η = 10, dann beträgt die Verzögerung bei jedem Schritt etwa 0,351°. Auf gleiche Weise kann durch zeitweiliges Einfügen zusätzlicher Taktimpulse in das Treibsignal für den Binärzähler 109 die Phase des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal vorgestellt werden. Beträgt also der im Phasendetektor 102 festgestellte Phasenfehler χ Einheiten im /--Bit-Fehlercode des Analog/Digital-Umsetzers 105, denn stellt die Proportionalvorstell- und -verzögerungsschaltung 107 den Binärzähler 109 dadurch vor oder verzögert ihn, indem χ Taktimpulse zusätzlich zugefügt oder blockiert werden. Das Ausmaß der Phasenfehlerkorrektur weicht gewöhnlich geringfügig vom gemessenen Phasenfehler ab, so daß eine gewisse Durchschnittsbildung erfolgt.

Mit Hilfe des Niveaudiskriminators 114 bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 bewirkt die Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 107 einfach das Hinzufügen eines zusätzlichen Taktimpulses oder das Blockieren eines Taktimpulses zum Binärzähler 109.
Ein digitales Ausgangssignal kann dadurch erzielt werden, daß man die Zahl im Binärzähler 109 mit einem anderen Signal bei der Frequenz f_s als Phasenbezugssignal vergleicht. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist dies der Fall. Die Steuerschaltung 116 und der zweite Binärzähler 117 stellen entweder eine kohärente Phasenbezugs- oder eine weitere Phasengleichlaufschaltung dar. Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des zweiten Binärzählers 117 und dem Ausgangssignal des ersten Binärzählers 109 ist numerisch, d. h. in Zählereinheiten, der augenblicklichen Differenz zwischen den in den Binärzählern 109 und 117 gespeicherten Zahlen gleich. Diese Zahlen ändern sich sehr schnell und machen eine wirksame Extraktion der Phasendifferenz erforderlich. Das Ausgangssignal des zweiten Binärzählers 117 wird zur Steuerung der Ausgabe des ersten Binärzählers 109 verwendet. Jedesmal dann, wenn der zweite Binärzählers 117 den binären 2"-Wert durchläuft und sich auf Null zurückstellt, werden die UND-Gatter 115 geöffnet, und die ausgegebene Zahl stellt die Phasendifferenz dar.

Das digitale Ausgangssignal repräsentiert also die Differenz zwischen der Phase des Eingangssignals in der Leitung 101 und der Phase des Taktsignals in der Leitung 106, und zwar einmal je Eingangssignalzyklus.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist insbesondere für Eingangssignale geeignet, welche verhältnismäßig sauber und rauschfrei sind. Das über die Leitung 101 zugehende Eingangssignal wird in einer Schaltung 119 quatriert und verstärkt Entweder die vorlaufende oder die nachlaufende Flanke wird in einem Differentiator 120 differenziert Der resultierende Impuls steuert π UND-Gatter 121, welche die im Binärzähler 109 jeweils aufgenommene Zahl steuern. Die Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung 107 wird also mit einem

Phasenfehlersignal beaufschlagt und stellt die Phase des Ausgangssignals des Binärzählers 109 entweder vor oder verzögert sie, so daß der Übertrag des Binärzählers 109, welcher geschieht, wenn der Binärzähler 109 sich auf Null zurückstellt, mit dem Steuerimpuls koinzidiert, also das Ausgangssignal des Binärzählers 109 mit der Phase des Eingangssignals gleichläuft.

Die phasenstarren Schleifen gemäß F i g. 2, 3 und 4 wirken also als vollkommene Integratoren. Die Ausgangssignale weisen ein genaues 50%-Tastverhältnis auf. Das digitale Ausgangssignal ist sofort verfügbar, und zwar einmal je Ausgangszyklus oder häufiger.

Bei den Schaltungen gemäß Fig.2, 3 und 4 ist vorteilhafterweise ein Binärzähler als Phasenintegrator in einer phasengleichlaufenden Schleife verwendet. Die Phase des Binärzähler-Ausgangssignals wird genau

gesteuert, und zwar durch Einfügen zusätzlicher Taktimpulse, um die Phase vorzustellen, oder durch Unterdrückung von Taktimpulsen, um die Phase zurückzustellen. Die Schleife liefert ein digitales Ausgangssignal. Die Proportionalvorsteil- und -verzögerungsschaltung 107 der Ausführungsformen gemäß F i g. 2, 3 und 4 stellt d\^a Phase des eingegebenen Taktsignals einfach vor oder verzögert sie und kann so aufgebaut sein, wie die Proportionalvorstell- und

ίο -Verzögerungsschaltung 29 gemäß F i g. 1.

Die an die Leitung 106 angeschlossene, kohärente Taktsignalquelle arbeitet mit einer Frequenz von 2"-f₅, wobei π jede positive ganze Zahl sein kann. Dies hängt von der gewünschten Phasenwinkelauflösung ab. Ist /I=I, dann ist eine Phasenwinkelauflösung in der Größenordnung von Milliradian möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nuklearkreiselsystem, welches bei Bewegung im lnertialraum ein dem Drehwinkel um eine bestimmte Achse entsprechendes Ausgangssignal liefert und zwei Spingeneratoren mit zu der Achse parallelen, entgegengesetzt zueinander gerichteten Magnetfeldern und mit jeweils einer höheren sowie einer niedrigeren Ausgangsfrequenz f\ bzw. /"2 aufweist, wobei der erste Spingenerator mit einem Kristalloszillator mittels eines mit der höheren Ausgangsfrequenz /Ί des ersten Spingenen.tors und der Kristalloszillatorfrequenz beaufschlagten, das Magnetfeld des ersten Spingenerators steuernden ersten Phasenvergleichers phasenstarr gekoppelt ist, während zur Steuerung des Magnetfeldes des zweiten Spingenerators ein mit dessen höherer Ausgangsfreuqenz f\ beaufschlagter, die Phasendifferenz zwischen derselben und der höheren Ausgangsfrequenz /| des ersten Spingenerators feststellender zweiter Phasenvergleicher vorgesehen ist, und wobei zur Ermittlung des Drehwinkel-Ausgangssignals ein den niedrigeren Ausgangsfrequenz h der beiden Spingeneratoren zugeordneter dritter Phasenvergleicher dient, gekennzeichnet durch eine Proportionalvorstell- und -verzögerungsschaltung (29; 107), welche zur Erzeugung eines mit der niedrigeren Ausgangsfrequenz /2 des ersten Spingenerators (10) phasengleichen Referenzsignals von einem zweiten Kristalloszillator (28) mit der Frequenz 2"- h beaufschlagt, über ein Phasennach- oder -gleichlauffehlerregister (32) sowie einen Verzögerer (37) mit der niedrigeren Ansgangsfrequenz /"2 des ersten Spingenerators (10) ansteuerbar und ausgangsseitig an einen Frequenzteiler (31) angeschlossen ist, welcher einerseits das Phasennach- oder -gleichlauffehlerregister (32) beaufschlagt und andererseits das Referenzsignal einem Phasendifferenzregister (48> eingibt, welches als dritter Phasenvergleicher weiterhin mit der niedrigeren Ausgangsfrequenz /2 des zweiten Spingenerators (11) beaufschlagt ist und ein Ausgangssignal liefert, welches zusammen mit dem Ausgangssignal eines den höheren Ausgangsfrequenzen f\ der Spingeneratoren (10 und U) als zweiter Phasenvergleicher zugeordneten Phasendifferenzregisters (24), einer Digitalsubtrahierschallung (49) zur Steuerung des Magnetfeldes des zweiten Spingenerators (U) sowie einem Digitaladdierer (57) zur Ableitung des Drehwinkel-Ausgangssignals zugeführt wird.

2. Nuklearkreiselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Digitaladdierer (57) eine Mittelwertschaltung(58) nachgeschaltet ist.

3. Nuklearkreiselsystcin nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertschaltung (58) einen Addierer (61), ein damit verbundenes Mehrstufenregister (52), welches ausgangsseitig mit einem Eingang des Addierers (61) sowie mit einem Rechtsschieber (63) verbunden ist, und eine Subtraleerschaltung (62) aufweist, welche mit einem Eingang an den Ausgang des Rechtsschiebers (63) angeschlossen ist, während der zweite Eingang mit dem Digitaladdierer (57) und der Ausgang mit dem zweiten Eingang des Addierers (61) verbunden ist, so daß der Rechtsschieber (63) ein Drehwinkel-Durchschnittsausgangssignal und die Subtrahierschaltung (62) ein Drehwinkel Differenzausgangssignal liefern.

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4. Nuklearkreiselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung (1G7) ein n-stufiger Binärzähler (109) nachgeschaltet ist, welcher Rechteckwellen-Ausgangssignale mit der Frequenz Ui". Zählereingangssignalfrequenz liefert, und daß der erste Spingenerator (10) mit der niedrigeren Ausgangsfrequenz /2 einen Phasendetektor (J02) beaufschlagt, welcher zur Abgabe von der Phase der Ausgangsfrequenz /2 entsprechenden Ausgangssignalen weiterhin mit den Ausgangssignalen des Binärzählers (109) beaufschlagt wird und ausgangsseitig an einen Analog/Digital-Umsetzer (105; 114). angeschlossen ist, welcher die Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung (107) zur Verbindung des zweiten Kristalloszillators (28) mit dem Binärzähler (109) ansteuert.

5. Nuklearkreiselsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog/Digital-Umsetzer (105) ein periodisch von den Ausgangssignalen des Binärzählers (109) rückgestellter Integrator (104) vorgeschaltet ist.

6. Nuklearkreiselsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Niveaudiskriminator als Analog/Digital-Umsetzer (114) und durch einen zweiten η-stufigen Binärzähler (117), welcher zur Erzeugung eines Referenzsignals vom zweiten Kristalloszillator (28) beaufschlagt wird, sowie durch η UND-Gatter (115), welche jeweils mit einem Eingang an einen der η Ausgänge des ersten Binärzählers (109) und mit dem anderen Eingang an den Ausgang des zweiten Binärzählcrs (117) angeschlossen sind und ein digitales, die Pnasendifferenz zwischen der Ausgangsfrequenz /2 des ersten Spingenerators (10) und dem Referenzsignal repräsentierendes Ausgangssignal liefern.

7. Nuklearkreiselsystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung (107) ein n-stufiger Binär-/ähler (109) nachgeschaltct ist, welcher Rechteckwellen-Ausgangssignale mit der Frequenz U 2". Zählercingangssignalfrequenz liefert und in η Ausgaben den augenblicklichen Zählerstand angibt, und daß der erste Spingenerator (10) mit der Ausgangsfrequen/. /2 eine Quadrierschaltung (119) beaufschlagt, welcher ein Differentiator (120) sowie η UND-Gatter (121) nachgeschaitet sind, welche jeweils mit einem Eingang mit einem der /1 Ausgänge des Binärzählers (109) und mit dem anderen Eingang mit dem Differentiator (120) sowie ausgangsseitig mit der Proportionalvorstell- und -Verzögerungsschaltung (107) verbunden sind und letztere zur Verbindung des zweiten Kristalloszillators 28) mit dem Binärzähler (109) ansteuern, so daß die Phase der Rechteckwellen-Ausgangssignale entsprechend dem Zustand der UND-Gatter (121) vorgestellt oder verzögert wird.