Метод цифровой обработки закрытого рабочего цикла
Первое осуществление техники цифрового фазового сигнала использовало аналоговый демодулятор для получения синусоидального сигнала скорости, служащего сигналом ошибки обратной связи процесса в закрытой петле. (Рисунок 8.11) [4,13]. Такой метод, однако, трудноосуществим в динамическом
| Рисунок 8.11.Оригинальная реализация цифровой обратной связи с аналоговой демодуляцией
|
диапазоне свыше 160 дБ эксплуатации ВОГ, потому что в цепи аналогового демодулятора и ЦАП существенна компенсация дрейфа цифрового интегрированного сигнала ошибки. Типичные отклонения в максимальном диапазоне напряжений от 10–4 дo 10–5 /C. Возможны компенсация и оформление этого температурного дрейфа, но они увеличивают сложность электроники, дают высокую цену и понижают надежность.
Эту проблему можно полностью преодолеть с подходом полностью цифровой замкнутой петли [14,15]. Значение модулированного выходного
сигнала преобразуется непосредственно в цифровой формат на каждой половине периода, и преобразователь просто вычитает значение второго полупериода из первого полупериода. Такая цифровая демодуляция совершенно свободна от долгосрочного дрейфа любого источника электроники. В частности, дрейф смещения аналогового ввода ЦАП исключается путем вычитания из нечетных и четных замеров. Тем не менее, можно подумать, что ЦАП с очень большим числом битов требует ограничения мертвой зоны LSB: динамический диапазон 160 дБ эквивалентен, как мы уже видели, 26 бит. К счастью, этот грубый анализ не верен. Поскольку частота выборки обычно в диапазоне мегагерц, пропускная способность аналогового выходного сигнала достаточно велика, и это представлено большим белым шумом (Рисунок 8.12). Теория обработки сигналов показывает, что выборка аналогового сигнала с LSB как раз меньше, чем достаточное σ-значение шума. Таким образом, цифровое интегрирование дает то же самое шумоподавления, как аналоговая фильтрация, безо всякой мертвой зоны паразитных смещений.
| Рисунок 8.12. Фактический сигнал с его шумом
|
Это можно просто понять, махнув рукой на аргументы, при учете аналогового сигнала с шумом расширить диапазон на несколько битов, добавляя квантификацию цепи (Рисунок 8.13). Если среднее значение аналогового сигнала равно нулю, будет столько цифровых отсчетов выше нуля, как имеется ниже. Если среднее значение слегка положительное, хотя вариации гораздо меньше, чем LSB, это еще можно его измерить, потому что, в среднем, там будет немного больше цифровых отсчетов выше нуля, чем ниже. Деградация среднего сигнала отсутствует, если значение шума больше, чем LSB.
| Рисунок 8.13. Цифровая количественная оценка аналогового сигнала с дополнительным шумом
|
На практике типичный шум 10–6 
, или в значении относительного оптической мощности, 
. С аналоговым пропусканием 1 МГц значение шума становится 10–3 от смещения мощности π/2; то есть 11 бит являются достаточными для преобразования аналогового сигнала в полном динамическом диапазоне изменения мощности, без каких-либо мертвых зон. Использование цифрового интегратора дает такое же снижение шума, как низкочастотная аналоговая фильтрация, но без каких-либо электронных источника долгосрочного дрейфа.
Эта схема цифровой демодуляции естественно совместима со схемой числовой обратной связи, такой, как цифровой ступенчатый сигнал. Это делает его еще более эффективным, поскольку сигнал ошибки обнуляется сервоконтроллером. С его шумом, достигающим ±4σ, она распространяется только более чем на три бита, и это позволяет избежать эффекта нелинейности ЦАП, который непосредственно масштабирует нелинейность при использовании цифровой демодуляции схемой открытой петли [16]. Процесс полностью цифровой замкнутой петли дает простую реализацию, которая будет достаточно адекватна для интегрирования.
Функции:
• оптическое обнаружение;
• аналоговое ограничение переходных импульсов и фильтрации;
• аналого-цифровое преобразование сигнала в гироскопе;
• цифровая логика, управляемая общими часами;
• ЦАП модуляции фазы обратной связи.
Логика всей цепи может осуществляться по единой схеме логики. Ее функциональная схема включает (Рисунок 8.14):
• Вычитание четных и нечетных замеров демодулированного сигнала об ошибке;
• цифровое интегрирование этой ошибки демодулированного сигнала;
• хранение значения скорости вращения в регистре;
• второе интегрирование скорости вращения для создания цифрового ступенчатого сигнала;
• цифровое добавление прямоугольных волны смещенной модуляции.
| Рисунок 8.14.
Функциональная логическая схема цепи, используемая в приближении полностью цифровой замкнутой петли
|
Этот полностью цифровой подход может также использоваться для второй петли обратной связи, которая управляет фазовой модуляцией цепочки [15], особенно с 2π сбросом. Второй сигнал об ошибке может быть получен сравнением значения цифрового сигнала детектора незадолго до и после сброса. Цифровой интегратор также используется для закрытия второй петли, и второй ЦАП управляет опорным напряжением первого ЦАП, который создает ступенчатый сигнал или усиливает буфер (Рисунок 8.15). Этот второй ЦАП, действующий с постоянным током, компенсирует долгосрочных дрейф отклика фазового модулятора, но нет строгих требований количественной оценки ошибки для этого преобразователя. Как мы уже видели для аналогового ступенчатого сигнала пандус (раздел 8.2.2), масштабный фактор ошибки, вызванной несовершенным 2π сбросом, дает эффект только третьего порядка. Это также относится к цифровому ступенчатому сигналу, но с дополнительным преимуществом избежать требования очень быстрого возврата, поскольку мгновенно синхронизируются и могут быть удалены [15]. Элемент управления 2π сброса в пределах 1000 млн-1 (т.е. 10 бит) будет достаточным для обеспечения линейности лучше, чем 10 млн-1!
| Рисунок 8.15. Функциональные схемы цифровой аппроксимации с двумя витками обратной связи для контроля амплитудной модуляции
|
Это позволяет непосредственно просмотреть причина, почему метод цифровой ступенчатого сигнала терпит многие дефекты (такие, как несовершенный 2π сброс контроля, количественная оценка, нелинейность электроники, нелинейность отклика модуляции) без снижения производительности коэффициента масштабирования. Фактически фазовый ступенчатый сигнал 
представляет собой сумму идеального фазового ступенчатого сигнала 
и дефекта 
. Индуцированная разность фаз
(8.27)
Как и в случае с любой фазовой модуляцией, дефект 
разности фаз определяется задержкой 
через катушку:
(8.28)
Поскольку средняя величина разности есть разность средних величин, средний дефект 
имеет вид
(8.29)
и оба средних значения 
и 
совершенно равны в связи с обратимостью; поэтому
Если дефект остается в линейной части смещения синусоидального отклика, средняя ошибка сигнала интерференции также в среднем составляет нуль, как и . Это относится к большинству дефектов, за исключением несовершенных мгновенных, которые дают мгновенную ошибку 
большую, чем этот линейный диапазон, но с цифровым ступенчатым сигналом они могут быть синхронизированы на выходе.
Резюмируя метод полной цифровой обработки с замкнутой петлей, следует отметить, что он дает свободной дрейф в высоко динамичном диапазоне, не требуя большого количества битов для различных преобразователей, поскольку количественные ошибки анулируются посредством усреднения процесса. Хотя обратимость – фундаментальная концепция создания хорошей оптической системы, полностью цифровой подход с замкнутой петлей является столь же важным с точки зрения электроники: он также позволяет создавать "отличное" устройство, из несовершенных компонентов! Он, как представляется, является идеальной техникой обработки для оптического оптоволоконного гироскопа, сочетая производительность, простоту и потенциал для оптимальной интегральной цепи.
Контроль длины волны
Воспользуйтесь поиском по сайту:
