Разработка узла преобразователя для съема сигналов волнового твердотельного гироскопа с кварцевым резонатором

Версия для печати

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.

 

12.08.2020
  • Эксклюзив
  • Вооружения и военная техника
  • Россия
  • XXI век