Цифровой пилообразный фазовый сигнал

 

Эта проблема аналогового фазового пилообразного сигнала с обратной связью очень просто решается с цифровым подходом [4,9,13]. Вместо непрерывного пилообразного сигнала "цифровой фазовый пилообразный сигнал" генерирует фазовые шаги с длительностью, равной Δτ_g. Из-за задержки через катушку индуцированная разность фаз постоянна и равна значению шага . Эти фазовые шаги могут сбрасываться и могут быть синхронизированы с прямоугольными волнами модулированного смещения (см. раздел 3.2.2), которые желательно применять на надлежащей частоте: с полупериодом, равным этому же времени переноса Δτ_g (Рисунок 8.6). Амплитуда фазового шага определяется обнулением фазы петли обратной связи вызванной вращение разности фаз с противоположным знаком :

 

 

и это значение обеспечивает линеаризированный отсчёт курса.

Реальное "очарование" техники цифрового пилообразного фазового сигнала является то, что использование цифровой логики и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), естественно дает адекватный синхронизированный сброс с автоматическим переполнением преобразователя для любого значения шага, таким образом осуществляют эту мощную технику очень просто (Рисунок 8.7). Цифровой регистр содержит цифровое значение D_s фазового шага с динамическим диапазоном, который может быть весьма высоким (более 25 бит) и цифровой интегратор формирует цифровой значение D_R пилообразный сигнал в виде лестничной клетки. Аналогично управлению напряжением в фазовом модуляторе это производится с ЦАП и буферным усилителем. С N битами они преобразуют цифровое число D в аналоговое

Синхронизация фаз шаги и установки

Прямоугольные импульсы смещения модуляции

ϕ

t

Δτg

Рисунок 8.6. Цифровой фазовый сигнал с шагами и установками синхронизации прямоугольными импульсами смещения модуляции

Ф s

 

Рисунок 8.7. Генерация цифрового пилообразного фазового сигнала

Цифровой интегратор

Аналоговый буферный усилитель

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифровой счетчик

Фазовый модулятор

напряжение на динамическом диапазоне между 0 и (2 ^N –1) V _LSB, где V _LSB это напряжение возбуждения, соответствующее наименьшей значимости разряда (бита – LSB). Когда D_R становится выше, чем (2 ^N –1), автоматическое переполнение дает напряжение, равное (D_R – 2 ^N) V _LSB. Если настроить модуляцию цепи таким образом, чтобы

2^N V _LSB= 2 V _π,

 

где V _π – напряжение, которое создает фазовый сдвиг на π рад, как описано в приложении 3. Переполнение автоматически создает сброс, что эквивалентно 2π установке в аналоговом пилообразном сигнале и не производит никаких ошибок масштабирования. Обратите внимание, что автоматическое переполнение может использоваться с единственным сигналом, но и с цифровой суммой пилообразный сигнал модулируется прямоугольными волнами (Рисунок 8.8). Это позволяет использовать двухтактное подключение с двумя модуляторами Y-соединения, что снижает их общую нелинейность (см. раздел 3.3.4). С аналоговым подходом, выбор электрического схемного решения, создающего пилообразную модуляцию, является настолько "деликатным", что желательно применять эту модуляцию обратной связи на один модулятор и применять соответстующую модуляцию на второй модулятор с независимой цепью, которая все усложняет. Сбросы, как шаги,

 

Автоматический сброс

Рисунок 8.8. Цифро-аналоговое переполнение пилообразного фазового сигнала и фазовая модуляция при цифровом суммировании

синхронизованы с точным временем . Это облегчает контроль строго на 2π точными значениями 2 ^NV _LSB со второй петлей обратной связи, которая активизируется в каждом возврате и не повреждает быстротечные прямоугольно модулированные импульсы, поскольку они также синхронизируются с .

Возьмем, например, случай, вызванный вращением с разностью фаз , равной – 4π/5 рад (Рисунок 8.9). С аналоговым сигналом сбросы равны 2π и имеют периодичность 2,5 , но они частично совпадают с соответстующей

Рисунок 8.9. Обнуление фазового пилообразного сигнала для индуцируемой поворотом разности фаз – 4π/5 рад: (а) аналоговый случай; (b) цифровой случай

Установки

Установки

модуляцией, которая имеет периодичность 2 . С другой стороны, с цифровым фазовым пилообразным сигналом значение шага равно 4π/5 рад, и первая перезагрузка "ожидает" третий временной отрезок , в то время как вторая перезагрузка происходит только после 2 . Эти сбросы перестают быть периодическими, но они теперь синхронизируются с временем и соответстующей модуляцией. Обратите внимание, что, строго говоря, сбросы цифрового сигнала не равны 2π. 2π отличается от значения, которые переходят на следующий шаг, если число битов не ограничено и фактическое значение выдается с переполнением.

Еще один очень важный момент в том, что цифровой пилообразный фазовый сигнал не требует большого количества битов для ЦАП, хотя фактический динамический диапазон между 2π рад и разрешением 10^–7 рад достигает 26 бит! С N -битным преобразователем наименьшая значимость разряда равна шагу фазы

(8.23)

Точное значение требуемого шага фазы содержится в

 

,

 

где m – целое число меньшее, чем 2 ^N. Значение хранится в реестре, который должен иметь большой достаточное количество битов, но только N занимаетнаиболее значительные биты на пилообразный сигнал, используемый в ЦАП для фазового модулятора. Вместо того серии одинаковых шагов ЦАП создает пилообразный сигнал с m' шагов , которые недостаточны для компенсации вращения и m" шагов , которые избыточны для компенсации вращения. В среднем, обратная связь разности фаз такая, как

 

(8.24)

то есть, m' и m" такие, как

(8.25)

 

Этот фазовый шаг в среднем дает то же усреднение сигнала действительной интерференции, если максимальная мгновенная погрешность (т.е. ) остается в линейной части синусоидального отклика. С 10 битами, например, равна 2π/2¹⁰ = 6x10^–3 рад, которая соответствует уровню выше, чем нескольких тысяч градусов в час; но остаточная нелинейность синусоидального ответа, , остается менее 10 млн^–1. Усреднение также применяется, если Ф _s меньше, чем : здесь нет мертвой зоны. Например, если , там не будет в процессе c шагом m' точное время и имеется только один шаг в течение одного времени (Рисунок 8.10).

Другое усреднение также очень полезно для смягчения требования к линейности ЦАП. Дефект конвертера приводит к фазовой ошибке и значение фазового сигнала после j -го шага может отличаться от ; но средняя разность фаз обратной связи через m шагов:

 

(8.26)

Рисунок 8.10. Фактический пилообразный сигнал фазы, при котором требуемый шаг фазы Φ S меньше, чем ΦLSB (случай, когда Φ S = ΦLSB /4)

Единственным условием является, таким образом, то, что погрешность преобразователя остается в линейной части синусоидального отклика интерферометра. Обычной особенностью ЦАП является линейная погрешность менее одного LSB, поэтому предыдущее условие Φ_LSB также применимо для этого второго усреднения процесса.

Помимо весьма полезного послабления в ограничении характеристик преобразователя, техника цифрового пилообразного сигнала также имеет несколько основных преимуществ перед его аналоговой альтернативой. Измеренной точной оценкой является цифровое значение D_s шага фазы , который хранится в регистре цифровой логики. Точное движущее время в электронике может быть аппроксимировано сопоставлением с временем переноса через катушку с тем, чтобы ограничить ширину переходных импульсов, но значение шага не связана непосредственно с . При изменении это немного изменяет ширину переходных лучей, которые появляются на выходе, но значение обратного шага остается неизменным. Это явное преимущество над аналоговым подходом, в котором является частью коэффициента масштабирования через значение коэффициента преломления n. С цифровым пилообразным сигналом и стабильными электронными часами, коэффициент масштабирования имеет только основную зависимость эффекта Саньяка на геометрическую длину катушки (т.е., в частности, температурный коэффициент 10^–6 /К для кремниевого волокна) вместо зависимости показателя преломления, который имеет температурный коэффициент 10^–5 /K.

Кроме того, обычно отсчётs этой техники ступенчатого сигнала – это количество сбросов через 2π, которые дают, как мы уже видели, значение углового шага . С цифровым подходом, в котором шаги хранятся в регистре, это легко создается с любыми дольными значениями без ожидания сброса через 2π и особенно с помощью N' бит для параллельного выхода. Это очень важно для стабилизации и точечных приложений, в которы мало требуемое возрастание. Можно даже адаптировать значения приращений во избежание каких-либо количественных оценок шумов в пределах измерения пропускной способности. Предположим, например, типичный шум (т.е., случайное блуждание ), приращение может быть скорректировано в 0,03 арксек, хотя порядка несколько арксек, чтобы избежать каких-либо количественных оценка шумов в ширине полосы частот 1 кГц.

Значение коэффициента хранится в цифровом регистре и может быть использовано непосредственно с параллельным интерфейсом, но это потребует большого количества битов. И-ВОГ является принципиально скоростным гироскопом. Для создания 2π-приращений или субприращений логический интегратор оценки курса упрощает интерфейс и дает уровень интеграции гироскопа; но разность между скоростью устройства и степенью интеграции устройства это просто вопрос обработки сигнала логики и протокола интерфейса и не основное отличие.

Обратите внимание, что цифровой ступенчатый подход позволяет динамический диапазон легко распространять на несколько пелос. Значение шага фазы хранится в регистре, и могут соответствовать более чем ±π рад и переполнение ЦАП автоматически ограничивается кругом фактической модуляции фазы менее, чем 2π.

Этот анализ показывает, что метод ступенчатого цифрового сигнала высокоэффективен для замкнутой петли для линейного и стабилильного масштабирования на волоконном интерферометрическом гироскопе. Он имеет основное преимущество и не требует строгой производительности для электронных компонентов.

 

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: