Одним из важных направлений развития инерциальных систем управления является разработка и совершенствование аппаратных средств съема и обработки информации с датчиков угла поворота - гироскопов. От точности и скорости обработки сигналов зависит способность системы выполнять заданные характеристики. Зачастую объем необходимых преобразований сигналов создает проблемы с выбором комплектующих: дорогие высокоточные прецизионные малошумящие усилители и большое количество последовательных цепей преобразования, разброс параметров электрорадиоизделий (ЭРИ). Для обработки сигналов с перспективных гироскопических приборов - волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) критически важными параметрами являются идентичность каналов усиления, фазовое запаздывание. Очевидно, что максимальной идентичности каналов преобразования можно добиться, сведя к минимуму количество ЭРИ и последовательных преобразований, что также положительно скажется и на фазовом запаздывании всей системы.
Волновой твердотельный гироскоп с полусферическим резонатором - устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета, работа которого основана на использовании инертных свойств стоячих волн, возбужденных во вращающихся осесимметричных оболочках [1].
Конструктивными элементами ВТГ с кварцевым резонатором в классическом исполнении являются [1]:
- резонатор - полусферическая форма, выполненная из кварцевого стекла, основной чувствительный к вращению элемент. Покрыт проводящим слоем;
- основание - в большинстве случаев керамическое с проводящими каналами для электродов;
- электроды управления - 16 электродов, создающих электростатическое воздействие на резонатор;
- электроды съема - 8 электродов, формирующих электроемкость с кромкой резонатора (чувствительные элементы);
- корпус - обеспечивает герметичность всей конструкции.
Работа ВТГ основана на инерционных свойствах упругих волн в оболочке осесимметричной формы (резонаторе). В работе гироскопа в качестве основной используется вторая мода колебаний (рис. 1).
Рис. 1. Форма собственных колебаний резонатора
Проводящее покрытие поверхности резонатора и равномерно расположенные по диаметру основания металлизированные площадки образуют электроемкости - чувствительные элементы (ЧЭ) гироскопа. В классической конструкции, рассматриваемой в данной статье, используется 8 ЧЭ, расположенных равномерно с угловым шагом 45°.
В начальный момент времени, при отсутствии колебаний, емкости ЧЭ идеального ВТГ равны и составляют некоторую величину C0 порядка единиц пикофарад. При возникновении колебаний резонатора (рис. 1) на собственной резонансной частоте f0 емкости ЧЭ изменяются по гармоническому закону:
где Ci - емкость i-го ЧЭ; i = 0-8 - номер ЧЭ; M - амплитуда колебаний кромки резонатора в месте расположения ЧЭ; a - угол, определяющий расположение ЧЭ относительно резонатора.
Основная задача обслуживающей электроники - по имеющимся сигналам емкостных датчиков ВТГ определить положение стоячей волны, возбужденной в резонаторе.
Рассмотрим классический подход к получению полезных сигналов с ВТГ. Поскольку резонатор идеального ВТГ является осесимметричным телом, а вторая форма колебаний также осесимметрична, то при использовании 8 ЧЭ отклонения ΔСj емкостей противолежащих ЧЭ будут одинаковы, а расположенных через 90° - будут иметь противоположный знак:
Используя данное положение, электроды резонатора можно объединить электрически в 4 группы, а затем подключить к буферным дифференциальным усилителям [1-3]. Структурная схема такой системы съема показана на рисунке 2.
Рис. 2. Система съема сигналов ВТГ с кварцевым резонатором
В классическом варианте для получения сигналов с емкостных датчиков используется следующее подключение емкостного элемента: на обкладку конденсатора подают напряжение известной величины, а вторую подключают к буферному усилителю (БУ), имеющему известное значение входного сопротивления Rвх (рис. 3).
Рис. 3. Подключения ЧЭ
При подаче постоянного напряжения E = E0 = const изменяющаяся в процессе колебаний (резонатора) емкость приводит к появлению переменного тока в цепи C-Rвх, падение напряжения на Rвх усиливается буферным усилителем. Для увеличения полезного сигнала Rвх должно быть достаточно большим, обычно порядка сотен МОм. Такой подход описывается во многих источниках [1, 2].
Преимуществами такого подхода являются простота и надежность. Минусами - необходимость больших значений напряжений E0 и величин Rвх; малых входных токов усилителя (порядка пА); слабая помехозащищенность системы (токи и напряжения сравнимы с шумовыми составляющими окружающей электромагнитной обстановки).
Второй подход к получению полезных сигналов с ВТГ призван увеличить соотношение сигнал/шум за счет использования синхронного (когерентного) детектирования [4]. На обкладку конденсатора подается переменное напряжение фиксированной частоты Fнес заданной амплитуды E0. Колебание резонатора приводит к появлению модуляции тока несущей частоты Fнес частотой колебаний резонатора f0. Отнеся частоту Fнес в область высоких частот (МГц), на входе усилителя получают сигнал вида:
где Исходя из соотношений величин в выражении (3), при Rвх ~100 Ом:
Следовательно, выражение (3) можно записать как:
Выражение (4) представляет собой амплитудно-модулированный сигнал. Принципы получения полезной информации из амплитудно-модулированных сигналов достаточно известны и сводятся к выпрямлению исходного ВЧ сигнала (детектированию) [4].
Детектирование может осуществляться при когерентном (синхронном) и некогерентном (несинхронном) приеме сигналов. Синхронный прием сигналов обладает преимуществом, т.к. является более помехозащищенным в отличие от несинхронного, где помеха способна подавить полезный сигнал. А поскольку генератор несущей частоты Fнес является частью системы управления ВТГ, то никаких проблем не составляет использовать именно этот принцип съема сигналов.
Реализовать синхронное детектирование сигналов возможно несколькими вариантами:
- программная реализация синхронного детектора с помощью цифровой обработки сигналов (ЦОС): оцифровка ВЧ сигнала, программное выделение спектра полезного сигнала из ВЧ;
- аналоговое преобразование, выделение полезного сигнала с последующей оцифровкой на низких частотах.
Реализация первого варианта предполагает построение системы съема с минимальным количеством ЭРИ, т.к. вся обработка осуществляется программно. Но она требует очень высоких вычислительных мощностей, быстрых АЦП. Второй вариант является более простым в реализации программного обеспечения и в применяемых ЭРИ. Но имеет свои минусы в части применения к обработке сигналов ВТГ. Одним из основных минусов является фазовое запаздывание канала преобразования. Вопрос применения той или иной реализации решается анализом характеристик построения законченного устройства и требуемой областью его использования. Одним из условий поставленной в работе задачи было применение ЭРИ отечественной ЭКБ, что значительно усложнило использование методов цифровой обработки сигналов. В данной работе рассмотрим реализацию второго подхода к съему полезных сигналов с ЧЭ ВТГ.
Рассмотрим подробнее процесс синхронного детектирования и получения огибающей амплитудно-модулированного (АМ) сигнала с ЧЭ ВТГ. Представим работу блока преобразователя в виде функциональной схемы, выполняющей преобразование сигналов по каналу (рис. 4).
Рис. 4. Функциональная схема преобразователя канала ЧЭ ТВГ
АМ-сигналы с групп электродов Alsin и A2sin подаются на схему, осуществляющую синхронное детектирование в ключевом режиме. Синхросигнал «СИНХР» частотой Fнес с фазой 90° управляет ключами SW1-SW4, осуществляющими коммутацию сигналов. Сдвиг фазы синхросигнала необходим, поскольку высокочастотный сигнал, проходя через ЧЭ, также меняет фазу на 90°. Сигналы Alsin и A2sin синхронны по несущей частоте с сигналом «СИНХР». Выполняется синхронное детектирование Alsin и A2sin с последующей фильтрацией полученных сигналов на ФНЧ Ф1 и Ф2. Дальнейшее дифференциальное усиление на усилителе У позволяет получить низкочастотную огибающую.
Была разработана электрическая принципиальная схема, выполняющая детектирование сигнала по принципу перемножителя на основе управляемых источников тока [5]. Для определения характеристик схемной реализации в программе Micro-Cap 9.0 построена имитационная модель буферного усилителя - рисунок 5. В качестве элемента, выполняющего функцию коммутации сигналов, применена микросхема 526ПС1. Согласно ТУ на м/сх 526ПС1 рабочая частота достигает 10 МГц. Поскольку синхронно продетектированные полезные сигналы имеют низкочастотный спектр, требования к выбору дифференциального усилителя значительно упрощаются, вплоть до выбора обычных ОУ типа 140УД6.
Рис. 5. Модель схемы преобразователя с датчиком ВТГ
На вход модели подавалась несущая частота генератором Vl - синусоидальный сигнал с частотой 2 МГц. Имитация колебаний емкостей ЧЭ ВТГ задавалась выражениями:
где (4 · 10-12) = 2пФ - соответствует суммарной емкости двух противолежащих ЧЭ датчиков в нерабочем состоянии; 0,02 = 2 % - коэффициент модуляции при колебании (резонатора); f = 5314 Гц - рабочая частота (резонатора).
Результаты моделирования приводятся на рисунке 6. Для оценки фазового запаздывания в модель также включен отдельный источник V8, синхронный с модуляцией емкостей ЧЭ (С101, С102), который моделирует собственные колебания резонатора vfrez). Для наглядности модуляции графики входных сигналов v(A1sin),v(A2sin) приводятся на рисунке 7 также в увеличенном масштабе. Выходной сигнал обозначен как v(out). Для оценки подавления несущей частоты приводится спектр выходного сигнала (рис. 7).
Рис. 6. Моделирование работы преобразователя
Рис. 7. Моделирование спектра выходного сигнала (преобразование FFT)
Амплитуды гармоник на частотах f0 и Fнес равны соответственно 234,275 мВ и 21,054 мкВ, что соответствует уровню подавления несущей около 80 дБ. В реальной электромагнитной обстановке подавление, возможно, снизится. Результаты моделирования показывают, что при помощи метода синхронного детектирования возможно преобразовать сигнал с емкостного датчика с обеспечением достаточного усиления для последующих преобразований. Фазовое запаздывание можно оценить на основании сравнения времени перехода графиков выходного сигнала v(out) и сигнала, имитирующего частоту колебаний резонатора v(frez) через ноль (рис. 8).
Рис. 8. Оценка фазового запаздывания канала преобразования: а - рассматриваемый участок; б - увеличенное изображение и расчет с помощью курсоров MicroCap
Фазовое запаздывание (Delta T(Secs) = -426.667n) составляет порядка 0,43 мкс, что соответствует 0,82° для исходной частоты f = 5314 Гц.
Для проверки результатов, полученных с помощью моделирования, согласно схемотехническим решениям на рисунке 5 был собран макет преобразователя двух каналов съема ВТГ (рис. 9). Макет подключался непосредственно к датчику. Осциллограммы выходных сигналов макета показаны на рисунке 10.
Рис. 9. Макет входного преобразователя сигналов ВТГ
Рис. 10. Осциллограммы выходных сигналов макета преобразователя
Максимальная амплитуда выходного сигнала синусного канала съема (луч С1, рис. 10) составляет порядка 700 мВ при довороте волновой картины до положения пучности колебания резонатора напротив канала съема. По сравнению с результатами моделирования это говорит о том, что фактический уровень колебаний кромки резонатора в пучностях при эксперименте оказался больше 2 % и/или фактические емкости электродов выше, чем те, которые использовались при моделировании. Подавление несущей частоты 2 МГц составило около 50 дБ, в отличие от промоделированного значения в 80 дБ. А амплитуда выходного сигнала позволяет подавать сигналы сразу на АЦП.
Макетирование принципиальной электрической схемы показало возможность применения данного метода приема и первичной обработки сигналов датчика ВТГ. Полученные сигналы при дальнейшей обработке могут быть дополнительно усилены следующими каскадами усилителей, однако это внесет дополнительное фазовое запаздывание канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведен краткий обзор методов приема полезных сигналов с датчика ВТГ. Рассмотрено применение метода синхронного детектирования при приеме сигналов ВТГ. Для подтверждения предложенных решений была разработана схема усилителя с синхронным детектором на отечественной ЭКБ, проведено имитационное моделирование и макетирование, что позволило сделать вывод о пригодности метода синхронного детектирования для первичного преобразования сигнала с емкостного чувствительного элемента ВТГ.
В качестве основных достоинств предложенного способа решения поставленной задачи следует отметить:
- преобразователь собран на отечественной ЭКБ;
- выходные параметры усилителя позволяют подавать сигналы сразу на АЦП для дальнейшей цифровой обработки;
- малое количество ЭРИ;
- помехоустойчивость схемы за счет применения синхронного детектирования.
Авторы: Штек С.Г., Жеглов М.А., Исаев М.М.
Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
↑1. Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа: Учебное пособие для втузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 168 с.: ил.
↑2. Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология: Монография. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.: ил.
↑3. Распопов В. Я., Волчихин И. А., Волчихин А. И. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / Под ред. В. Я. Распопова. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. 189 с.
↑4. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е изд., испр. М.: Изд. дом «Вильямс», 2003. 1104 с.: ил.
↑5. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Изд. дом «Додэка-XXI», 2005. 528 с.