Одним из важных направлений развития инерциальных систем управления является разработка и совершенствование аппаратных средств съема и обработки информации с дат-чиков угла поворота - гироскопов. От точно-сти и скорости обработки сигналов зависит способность системы выполнять заданные характеристики. Зачастую объем необходимых преобразований сигналов создает проблемы с выбором комплектующих: дорогие высоко-точные прецизионные малошумящие усили-тели и большое количество последовательных цепей преобразования, разброс параметров электрорадиоизделий (ЭРИ). Для обработки сигналов с перспективных гироскопических приборов - волновых твердотельных гироско-пов (ВТГ) критически важными параметрами являются идентичность каналов усиления, фа-зовое запаздывание. Очевидно, что максималь-ной 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 по-лусферическим 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, возбужден-ных во вращающихся осесимметричных обо-лочках [1].
Конструктивными элементами ВТГ с кварцевым резонатором в классическом ис-полнении являются [1]:
резонатор - полусферическая форма, выполненная из кварцевого стекла, основной чувствительный к вращению элемент. Покрыт проводящим слоем; основание - в большинстве случаев ке-рамическое с проводящими каналами для элек-тродов; электроды управления - 16 электродов, создающих электростатическое воздействие на резонатор; электроды съема - 8 электродов, фор-мирующих электроемкость с кромкой резона-тора (чувствительные элементы); корпус - обеспечивает герметичность всей конструкции. Работа ВТГ основана на инерционных свойствах упругих волн в оболочке осесим-метричной формы (резонаторе). В работе гиро-скопа в качестве основной используется вторая мода колебаний (рис. 1).
Рис. 1. Форма собственных колебаний резонатора
Проводящее покрытие поверхности резо-натора и равномерно расположенные по диа-метру основания металлизированные площад-ки образуют электроемкости - чувствительные элементы (ЧЭ) гироскопа. В классической конструкции, рассматриваемой в данной статье, используется 8 ЧЭ, расположенных рав-номерно с угловым шагом 45°.
В начальный момент времени, при от-сутствии колебаний, емкости ЧЭ идеального ВТГ равны и составляют некоторую величину C0 порядка единиц пикофарад. При возникновении колебаний резонатора (рис. 1) на соб-ственной 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, опреде-ляющий расположение ЧЭ относительно резонатора.
Основная задача обслуживающей элек-троники - по имеющимся сигналам емкостных датчиков ВТГ определить положение стоячей волны, возбужденной в резонаторе.
Рассмотрим классический подход к получению полезных сигналов с ВТГ. По-скольку резонатор идеального ВТГ является осесимметричным телом, а вторая форма ко-лебаний также осесимметрична, то при ис-пользовании 8 ЧЭ отклонения ΔСj емкостей противолежащих ЧЭ будут одинаковы, а рас-положенных через 90° - будут иметь проти-воположный 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 бу-ферному усилителю (БУ), имеющему известное значение входного сопротивления Rвх (рис. 3).
Рис. 3. Подключения ЧЭ
При подаче постоянного напряже-ния E = E0 = const изменяющаяся в процес-се колебаний (резонатора) емкость приводит к появлению переменного тока в цепи C-Rвх, падение напряжения на Rвх усиливается буфер-ным 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 яв-ляются простота и надежность. Минусами - необходимость больших значений напряжений E0 и величин Rвх; малых входных токов уси-лителя (порядка пА); слабая помехозащищен-ность системы (токи и напряжения сравнимы с шумовыми составляющими окружающей электромагнитной обстановки).
Второй подход к получению полезных сигналов с ВТГ призван увеличить соотноше-ние сигнал/шум за счет использования син-хронного (когерентного) детектирования [4]. На обкладку конденсатора подается перемен-ное напряжение фиксированной частоты Fнес заданной амплитуды E0. Колебание резонатора приводит к появлению модуляции тока несу-щей частоты Fнес частотой колебаний резона-тора f0. Отнеся частоту Fнес в область высоких частот (МГц), на входе усилителя получают сигнал вида:
где Исходя из соотноше-ний 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. Синхрон-ный прием сигналов обладает преимуществом, т.к. является более помехозащищенным в от-личие от несинхронного, где помеха способна подавить полезный сигнал. А поскольку гене-ратор несущей частоты Fнес является частью системы управления ВТГ, то никаких проблем не составляет использовать именно этот прин-цип съема сигналов.
Реализовать синхронное детектирование сигналов возможно несколькими вариантами:
программная реализация синхронно-го детектора с помощью цифровой обработки сигналов (ЦОС): оцифровка ВЧ сигнала, про-граммное выделение спектра полезного сигнала из ВЧ; аналоговое преобразование, выделение полезного сигнала с последующей оцифровкой на низких частотах. Реализация первого варианта предпола-гает построение системы съема с минималь-ным 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 обеспе-чения и в применяемых ЭРИ. Но имеет свои минусы в части применения к обработке сигна-лов ВТГ. Одним из основных минусов является фазовое запаздывание канала преобразования. Вопрос применения той или иной реализации решается анализом характеристик построения законченного устройства и требуемой обла-стью его использования. Одним из условий поставленной в работе задачи было примене-ние ЭРИ отечественной ЭКБ, что значительно усложнило использование методов цифровой обработки сигналов. В данной работе рассмот-рим реализацию второго подхода к съему по-лезных сигналов с ЧЭ ВТГ.
Рассмотрим подробнее процесс син-хронного детектирования и получения оги-бающей амплитудно-модулированного (АМ) сигнала с ЧЭ ВТГ. Представим работу блока преобразователя в виде функциональной схе-мы, 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 ре-жиме. Синхросигнал ？СИНХР？ частотой Fнес с фазой 90° управляет ключами SW1-SW4, осу-ществляющими коммутацию сигналов. Сдвиг фазы синхросигнала необходим, поскольку вы-сокочастотный сигнал, проходя через ЧЭ, так-же меняет фазу на 90°. Сигналы Alsin и A2sin синхронны по несущей частоте с сигналом ？СИНХР？. Выполняется синхронное детекти-рование Alsin и A2sin с последующей фильтра-цией полученных сигналов на ФНЧ Ф1 и Ф2. Дальнейшее дифференциальное усиление на усилителе У позволяет получить низкоча-стотную огибающую.
Была разработана электрическая прин-ципиальная схема, выполняющая детектиро-вание сигнала по принципу перемножителя на основе управляемых источников тока [5]. Для определения характеристик схемной реа-лизации в программе Micro-Cap 9.0 построена имитационная модель буферного усилителя - рисунок 5. В качестве элемента, выполняюще-го функцию коммутации сигналов, примене-на микросхема 526ПС1. Согласно ТУ на м/сх 526ПС1 рабочая частота достигает 10 МГц. Поскольку синхронно продетектированные полезные сигналы имеют низкочастотный спектр, требования к выбору дифференци-ального усилителя значительно упрощаются, вплоть до выбора обычных ОУ типа 140УД6.
Рис. 5. Модель схемы преобразователя с датчиком ВТГ
На вход модели подавалась несущая ча-стота генератором Vl - синусоидальный сиг-нал 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 % - коэффи-циент модуляции при колебании (резонатора); f = 5314 Гц - рабочая частота (резонатора).
Результаты моделирования приводятся на рисунке 6. Для оценки фазового запаздыва-ния в модель также включен отдельный источ-ник V8, синхронный с модуляцией емкостей ЧЭ (С101, С102), который моделирует соб-ственные колебания резонатора vfrez). Для на-глядности модуляции графики входных сигна-лов v(A1sin),v(A2sin) приводятся на рисунке 7 также в увеличенном масштабе. Выходной сигнал обозначен как v(out). Для оценки по-давления 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 по-давления несущей около 80 дБ. В реальной электромагнитной обстановке подавление, возможно, снизится. Результаты моделиро-вания показывают, что при помощи метода синхронного детектирования возможно преобразовать сигнал с емкостного датчика с обес-печением достаточного усиления для последу-ющих преобразований. Фазовое запаздывание можно оценить на основании сравнения вре-мени перехода графиков выходного сигнала v(out) и сигнала, имитирующего частоту ко-лебаний 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 схемо-техническим решениям на рисунке 5 был собран макет преобразователя двух каналов съема ВТГ (рис. 9). Макет подключался не-посредственно к датчику. Осциллограммы выходных сигналов макета показаны на ри-сунке 10.
Рис. 9. Макет входного преобразователя сигналов ВТГ
Рис. 10. Осциллограммы выходных сигналов макета преобразователя
Максимальная амплитуда выходного сиг-нала синусного канала съема (луч С1, рис. 10) составляет порядка 700 мВ при довороте волно-вой картины до положения пучности колебания резонатора напротив канала съема. По сравне-нию с результатами моделирования это гово-рит о том, что фактический уровень колебаний кромки резонатора в пучностях при экспери-менте оказался больше 2 % и/или фактические емкости электродов выше, чем те, которые ис-пользовались при моделировании. Подавление несущей частоты 2 МГц составило около 50 дБ, в отличие от промоделированного значения в 80 дБ. А амплитуда выходного сигнала позво-ляет подавать сигналы сразу на АЦП.
Макетирование принципиальной элек-трической схемы показало возможность при-менения данного метода приема и первичной обработки сигналов датчика ВТГ. Получен-ные сигналы при дальнейшей обработке могут быть дополнительно усилены следующими каскадами усилителей, однако это внесет до-полнительное фазовое запаздывание канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведен краткий обзор методов приема по-лезных сигналов с датчика ВТГ. Рассмотрено применение метода синхронного детектиро-вания при приеме сигналов ВТГ. Для подтверждения предложенных решений была разработана схема усилителя с синхронным детектором на отечественной ЭКБ, проведено имитационное моделирование и макетирова-ние, что позволило сделать вывод о пригод-ности метода синхронного детектирования для первичного преобразования сигнала с ем-костного чувствительного элемента ВТГ.
В качестве основных достоинств предло-женного способа решения поставленной зада-чи следует отметить:
преобразователь собран на отечествен-ной ЭКБ; выходные параметры усилителя позво-ляют подавать сигналы сразу на АЦП для даль-нейшей 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