РАЗРАБОТКА УЗЛА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ СЪЕМА СИГНАЛОВ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА С КВАРЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-2-65-73 УДК 621.376.234

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

С. Г. Штек1, М. А. Жеглов1, М. М. Исаев12

1 Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения» (АО «ГосНИИП»), Москва, Российская Федерация

2 Автономная некоммерческая организация дополнительного профессионального образования «Научно-образовательный центр воздушно-космической обороны "Алмаз - Антей" им. академика В. П. Ефремова», Москва, Российская Федерация

Изложены принципы построения систем съема сигналов с волновых твердотельных гироскопов с полусферическим кварцевым резонатором. Рассмотрен способ получения необходимой информации путем демодуляции амплитудно-модулированных сигналов гироскопа. Разработана электрическая принципиальная схема усилителя узла съема сигналов гироскопа на отечественной электронно-компонентной базе. Проведено имитационное компьютерное моделирование в среде Micro-Cap. Проведено макетирование и представлены осциллограммы выходных сигналов предложенной схемотехнической реализации усилителя.

Ключевые слова: амплитудная модуляция, волновой твердотельный гироскоп, синхронное детектирование, инерциальная система управления

Для цитирования: Штек С. Г., Жеглов М. А., Исаев М. М. Разработка узла преобразователя для съема сигналов волнового твердотельного гироскопа с кварцевым резонатором // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 2. С. 65-73. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-2-65-73

For citation: Shtek S. G., Zheglov M. A., Isaev M. M. Development of a converter unit for reading signals from a wave solid-state gyroscope with a quartz resonator // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2020. No. 2. P. 65-73. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-2-65-73

Поступила 27.05.2020 Отрецензирована 26.06.2020 Одобрена 23.06.2020 Опубликована 15.07.2020

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

© Штек С. Г., Жеглов М. А., Исаев М. М., 2020

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 фазо- |

вом запаздывании всей системы. !?

о.

Волновой твердотельный гироскоп с по- я

лусферическим резонатором - устройство, |

способное реагировать на изменение углов &

ориентации тела, на котором оно установлено, |

относительно инерциальной системы отсчета, ^

о см

0 см

см"

01

< I

со те

0 ^

СО те

1

о.

ф

£

о

V

со

см ■ci-io

с?

см ■ci-io см

(П (П

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 осесим-метричной формы (резонаторе). В работе гироскопа в качестве основной используется вторая мода колебаний (рис. 1).

Проводящее покрытие поверхности резонатора и равномерно расположенные по диаметру основания металлизированные площадки образуют электроемкости - чувствительные элементы (ЧЭ) гироскопа. В классической конструкции, рассматриваемой в данной ста-

тье, 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 С0 порядка единиц пикофарад. При возникновении колебаний резонатора (рис. 1) на собственной резонансной частоте f0 емкости ЧЭ изменяются по гармоническому закону:

С, = M(a) • cos (2nf0 • t) + C0, (1) где С, - 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 ACj емкостей противолежащих ЧЭ будут одинаковы, а расположенных через 90° - будут иметь противоположный знак:

ACj(t) = AC5(t) = -AC3(t) = -AC7(t)

(2)

П = 2

Рис. 1. Форма собственных колебаний резонатора

AC2(t) = AC6(t) = -AC4(t) = -AC8(t)

где ACj(t) = С/t) - Co.

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.

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 Явх (рис. 3).

При подаче постоянного напряжения E = E0 = const изменяющаяся в процессе колебаний (резонатора) емкость приводит

С1

к АЦП1

Рис. 2. Система съема сигналов ВТГ с кварцевым резонатором

к появлению переменного тока в цепи С-Явх, падение напряжения на ^вх усиливается буферным усилителем. Для увеличения полезного сигнала ^вх 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 Е0 и величин Явх; 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 ^нес заданной амплитуды Е0. Колебание резонатора приводит к появлению модуляции тока несущей частоты ^нес частотой колебаний резонатора /0. Отнеся частоту ^нес в область высоких частот (МГц), на входе усилителя получают сигнал вида:

Unx (t) = Е0 •

1 + ■ COS(ö)0t) Lo

, ■ АС /- ^ , 1 1 + 75-icos(ro0t) + o—.о .г

L0 "нес квх L0

■ cosCQ^ ■ t)

(3)

од

Qe

R

Рис. 3. Подключения ЧЭ

где йнес = 2пРнес; ю0 = 2п/0. Исходя из соотношений величин в выражении (3), при ^вх ~100 Ом:

1 АС , Л

-— » — -созС^оО

1*0 1-0

^нес ' Я,

Следовательно, выражение (3) можно записать как:

Е0

«вх(0 =

1 +

^нес ' Яв;

АС 1

1 + —" cos (со о 0 " cos(QHec ■ t)

С0 J

(4)

Выражение (4) представляет собой ам-плитудно-модулированный сигнал. Принципы получения полезной информации из амплитуд-но-модулированных сигналов достаточно известны и сводятся к выпрямлению исходного ВЧ сигнала (детектированию) [4].

Детектирование может осуществляться при когерентном (синхронном) и некогерентном

та

X ф

ч

та 0-

та

О О.

Ё V

ц

(Ч

вх

о см

0 см

см"

01

< I

со те

(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 ^нес 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 примене-

ние 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).

АМ-сигналы с групп электродов Alsin и A2sin подаются на схему, осуществляющую синхронное детектирование в ключевом режиме. Синхросигнал «СИНХР» частотой ^нес 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 -

0 ^

со те

1

о.

ф

£

о ф

со

см ■ci-io

9 см ■ci-

10 см

(П (П

Рис. 4. Функциональная схема преобразователя канала ЧЭ ТВГ

_Sync

18p

> Ri 1 200

C101

4e-12*(1+0.02*sin(T*2*pi*5314))

f0 CONTROL

Sync_

I R20 I 100Meg

4e-12*(1-0.02*sin(T*2*pi*5314)) A2sin Aisin C

I R19 L 100Meg

;1k ^C10 R2 0.013u I R3

'—19 Out1

Qi

,Q4

;q2 Q3

5 R8 ] 150

Q5

Q8 R12 R15

J

Î6

Q7

> R9 ] 150

500 R13 500 R10 1k

5k

R14

<i-VA-

R11 3k

R17 600

C13 0.1u R6

470

C12 0.1u

1 Vp6

Vm 526PS1

Рис. 5. Модель схемы преобразователя с датчиком ВТГ

R1850k

-^W-

R7 Vp 50k

Vp

±15

"' Vp Vp6

Vm Vm

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.

На вход модели подавалась несущая частота генератором VI - синусоидальный сигнал с частотой 2 МГц. Имитация колебаний емкостей ЧЭ ВТГ задавалась выражениями:

С101 = (4 • 10-12) • (1 + 0,02 • 8ш(2л/00),

С102 = (4 • 10-12) • (1 - 0,02 • 8Ш(2Л/00),

где (4 • 10-12) = 2пФ - соответствует суммарной емкости двух противолежащих ЧЭ датчиков в нерабочем состоянии; 0,02 = 2 % - коэффициент модуляции при колебании (резонатора); /0 = 5314 Гц - рабочая частота (резонатора).

Результаты моделирования приводятся на рисунке 6. Для оценки фазового запаздывания в модель также включен отдельный источник У8, синхронный с модуляцией емкостей ЧЭ (С101, С102), который моделирует собственные колебания резонатора у(/тв2). Для наглядности модуляции графики входных сигналов у(Л1$1п),у(Л2$1п) 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).

Амплитуды гармоник на частотах f0 и ^нес 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 vfrez) через ноль (рис. 8).

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

та

m

X Ф

ч

та Q.

та

о

о.

£

ф ц

(Ч

C1

9

R5

R16

470

C103

C2 0.1U

Vm

C8 0.1u

C102

C9 0.1u

C4 0.1u

A2sin

V1

C7

C5 0.1u

D3

1k

D4

irez

D5

-Ф- V6

R23

1k

circuit8 nt.CIR 1

T (Secs)

Рис. 6. Моделирование работы преобразователя

Harm(v(out))

О СМ

0

см см"

01

< I

to те

s

B Harm(v(out)) F (Hz)

Left 234.275m 5.314K

Right 21.054u 2.000M

Delta -234.254m 1.995M

2M Slope -117.439n 1.000

Рис. 7. Моделирование спектра выходного сигнала (преобразование FFT)

0 ^

CÛ те

1

о.

V

£

о ф

CÛ

СМ t ю 9 см t ю см

(П (П

1.258 1.000

0.500

0.000

-0.500

-1.000 -1.242

circuit8 nt.CIR 2

Л А 1 Л,[ l\ 1) 1\ 1\

\ м 1 У4 { тг ПР M

И и H Нн нн m

у у и \1

0.002m 0.400m 0.800m 1.200m 1.600m 2.002m T (Secs)

а

40.000m

0.000m

circuits nt.CIR 3

-40.000m

6.860m

Rv(frez) IV)

□v(out) (V) T (Secs)

\\ \ v(frez) v(out) T(Secs) Delta 14.245m 5.120m -426.667n

t. 869m ,-298.018u |

\ l6 869m -112 021 u| 4

\\

6.864m 6.868m 6.872m 6.876m 6.880m

-14.543m 112. 021u 6.869m

Right -298.018u 5.008m 6.869m

Delta 14.245m 5.120m -426.667n

-33.388K -12.001K

Рис. 8. Оценка фазового запаздывания канала преобразования: а - рассматриваемый участок; б - увеличенное изображение и расчет с помощью курсоров МюгоСар

10

1m

Щ** и...........И'.—.

Xk Щ

/ » \ , / »4 Г '

« Vi

О .О V'

- а. Ж V

Ii \

т

w еУйЬ^^йишишялш— О X «•••■■■■■■■•••••>.

выходных сигналов макета показаны на рисунке 10.

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

Рис. 9. Макет входного преобразователя сигналов ВТГ

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.

Рис. 10. Осциллограммы выходных сигналов макета преобразователя

га

а

х а» н о

S

ч га Q.

га

а

о

о. £

ш ц

О

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., Волчи-хин А. И. и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / Под ред. В. Я. Рас-попова. 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-ХХ1», 2005. 528 с.

Об авторах

Штек Сергей Георгиевич - д-р техн. наук, генеральный конструктор Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения» (АО «ГосНИИП»), Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: разработка систем автоматического управления беспилотных летательных аппаратов.

Жеглов Максим Александрович - канд. техн. наук, заместитель генерального конструктора - главный конструктор по направлению Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения» (АО «ГосНИИП»), Москва, Российская Федерация. Область научных интересов: датчики, системы управления.

Исаев Михаил Михайлович - аспирант Автономной некоммерческой организации дополнительного профессионального образования «Научно-образовательный центр воздушно-космической обороны "Алмаз - Антей" им. академика В. П. Ефремова», Москва, Российская Федерация; начальник лаборатории Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения» (АО «ГосНИИП»), Москва, Российская Федерация.

сч Область научных интересов: электроника, системы радиолокации и навигации.

см

см

<

I

со та

0 ^

СО та

1

о.

<и

3

о <и со

см ■ч-ю

с?

см ■ч-ю см

(П (П

Development of a converter unit for reading signals from a wave solid-state gyroscope with a quartz resonator

Shtek S. G.1, Zheglov M. A.1, Isaev M. M.12

1 State Research Institute of Instrument Engineering, JSC, Moscow, Russian Federation

2 Scientific and Educational Center for Aerospace Defence "Almaz - Antei" named after an Academician V. P. Efremov, ANO, Moscow, Russian Federation

This paper describes the main principles of constructing systems for deriving information from wave solidstate gyroscopes with a hemispherical quartz resonator. A method for obtaining the necessary information by demodulating amplitude-modulated gyroscope signals is discussed. An electrical schematic diagram for the amplifier of the signal acquisition unit was developed using a domestic electronic component base. Computer simulation was carried out in the Micro-Cap environment. The prototyping was carried out, and the waveforms of the output signals of the proposed amplifier are presented.

Keywords: amplitude modulation, wave solid-state gyroscope, synchronous detection, inertial control system

Information about the authors

Shtek Sergey Georgievich - Dr. Sci. (Engineering), General Designer, State Research Institute of Instrument Engineering, JSC, Moscow, Russian Federation.

Research interests: automatic control systems for unmanned aerial vehicles.

Zheglov Maxim Aleksandrovich - Cand. Sci. (Engineering), Deputy General Designer, Chief Project Designer, State Research Institute of Instrument Engineering, JSC, Moscow, Russian Federation. Research interests: sensors, control systems.

Isaev Mikhail Mikhailovich - Postgraduate student, Scientific and Educational Center for Aerospace Defence "Almaz -Antei" named after an Academician V. P. Efremov, ANO, Moscow, Russian Federation; Laboratory Head, State Research Institute of Instrument Engineering, JSC, Moscow, Russian Federation. Research interests: electronics, radar and navigation systems.