Фазовый детектор

Полезная модель относится к измерительной технике и автоматике и может быть использована в лазерных гироскопах, в частности, при измерении малых углов поворота.
Известно устройство [RU 2300170, C1, H03D 13/00, 27.05.2007], содержащее D-триггер, D-вход которого подсоединен к источнику сигнала логической единицы, два логических элемента И, логический элемент И-НЕ, логический элемент ИЛИ, два JK-триггера, инверсные выходы которых подключены к входам логического элемента И-НЕ, прямой выход D-триггера подсоединен к первому входу второго логического элемента И и к J-входам JK-триггеров, S-входы которых подключены к выходу логического элемента И-НЕ. Входы логического элемента ИЛИ являются входами частотно-фазового детектора, а выход подсоединен к С-входу D-триггера, инверсный выход которого подключен к R-входам JK-триггеров, прямые выходы которых подсоединены к вторым входам логических элементов И, при этом С-входы JK-триггеров подключены к входам логического элемента ИЛИ, выходы логических элементов И подсоединены к входам интегратора, выход которого является выходом устройства.
Недостатком устройства является относительно низкая точность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является фазовый детектор [Ароновиц Ф. Лазерный гироскоп. В кн. «Применение лазеров» под ред. В.П. Тычинского. – М., Мир, 1974)], содержащий блок D-триггеров, первый и второй входы которого являются входами синусной и косинусной составляющих входного сигнала, соответственно, а также реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами блока D-триггеров.
Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая точность, вызванная дискретным характером входного сигнала и отсутствием средств, обеспечивающий домер фаз.
Задачей, которая решается в полезной модели, является создание фазового детектора с большей точностью определения фазовых сдвигов в измерительном интервале для повышения точности измерения малых углов поворота в лазерных гироскопах.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что фазовый детектор, содержащий входы синусной и косинусной составляющих входного сигнала, а также реверсивный счетчик, согласно полезной модели, введены буферный регистр, первый и второй входы которого являются, соответственно, входами синусной и косинусной составляющих входного сигнала, а третий и четвертый входы являются входами сигнала измерительного такта и сигнала опорной частоты, соответственно, элемент памяти, вход которого соединен с выходом буферного регистра, первый выход которого соединен с пятым входом буферного регистра, а второй и третий выходы соединены, соответственно, с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, счетчик периода входных сигналов, вход которого соединен с четвертым выходом элемента памяти, и счетчик фазы относительно измерительного интервала, вход которого соединен с пятым выходом элемента памяти.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - схема фазового детектора;
на фиг. 2 - график, поясняющий работу фазового детектора, где Тизм - сигнал измерительного такта, Fclk - сигнал опорной частоты.
Фазовый детектор содержит реверсивный счетчик 1 и буферный регистр 2, первый и второй входы которого являются, соответственно, входами синусной и косинусной составляющих входного сигнала, а третий и четвертый входы являются входами сигнала измерительного такта и сигнала опорной частоты, соответственно.
Кроме того, фазовый детектор содержит элемент 3 памяти, вход которого соединен с выходом буферного регистра 2, первый выход которого соединен с пятым входом буферного регистра 2, а второй и третий выходы соединены, соответственно, с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 1, а также счетчик 4 периода входных сигналов, вход которого соединен с четвертым выходом элемента 3 памяти, и счетчик 5 фазы относительно измерительного интервала, вход которого соединен с пятым выходом элемента памяти 3.
На фиг. 1 обозначены: Тизм - сигнал измерительного такта, Fclk - сигнал опорной частоты, SIN - синусная составляющая входного сигнала, COS - косинусная составляющая входного сигнала.
i
i
i
На фиг. 2 обозначены: N - число счетных импульсов в i-м измерительном интервале в реверсивном счетчике 1, T - текущий период SIN/COS сигналов в i-м измерительном интервале, Р - текущая фаза в i-м измерительном интервале.
Работает фазовый детектор следующим образом.
4
Увеличение масштабного коэффициента лазерного гироскопа (ЛГ) позволяет повысить точность измерения малых углов поворота и уменьшить время точного измерения азимута по проекции угловой скорости вращения Земли (гирокомпасирование). Так, например, ЛГ с периметром 25 см имеет масштабный коэффициент М=6.3⋅10 (величина, обратная М, называемая ценой импульса, составит в данном случае ~2.7''). При измерении угловой скорости вращения Земли (15,04°/ч) выходная частота датчика по угловой скорости составит 4.6 Гц. Т.е. для измерения угловой скорости вращения Земли с точностью не хуже ±0,01°/ч потребуется не менее 270 с подставки. При этом ошибка измерения азимута на широте Москвы (56°) составит ±4,1'. Для большей точности определения азимута это время надо еще увеличивать, что противоречит требованию уменьшения времени начальной выставки систем с ЛГ за минимальное время.
Для дальнейшего уменьшения ошибки ЛГ, связанной с дискретностью выходной информации, может быть использован домер фаз. При построении фазового детектора с домером фазы величину дискрета можно сделать практически любой и предел ее уменьшения будет определяться стабильностью используемого тактового генератора и выбранной цифровой элементой базой.
Домер фазы основан на более детальном измерении интерференционной картины с фотоприемников датчика угла ЛГ. При домере фаз измеряется дополнительно фаза дробной части выходных сигналов SIN/COS на момент завершения измерительного интервала, которая затем нормируется к текущему периоду для получения корректной выходной информации.
При реализации домера фаз особые требования предъявляются к фазовому детектору. Логика фазового детектора должна соответствовать правилу «зеркального отражения» - счетные импульсы US+, US- должно располагаться зеркально относительно переключения частотной подставки. В противном случае будет нарушаться логика накопления дробных частей при переключении частотной подставки. В качестве фазового детектора может быть использован только детектор с одноимпульсной логикой, т.к. фоточувствительные площадки двухплощадочного фотоприемника юстируются с точностью ±20° и при использовании четырехимпульсной логики эта точность будет ограничивать домер фаз.
i
i
i
При очередном такте измерительного интервала происходит измерение счетных импульсов N от US+, US в i-м измерительном интервале в реверсивном счетчике 1, а также текущей фазы P и текущего периода sin/cos сигналов T. Результирующее значение угла в счетных импульсах с дробной частью за текущий измерительный интервал может быть определено как
i
i
i
i-1
i-1
Ω=Ni+(1-Р/Т)-Р/Т.
В том случае, если отсчет измерительного интервала приходится на отрицательные счетные импульсы (US-), соответствующим образом меняются знаки у дробной части.
По результатам моделирования и макетных испытаний получены следующие данные: разрешение фазового детектора ЛГ: ±0.01 импульса при частоте SIN и COS сигналов в диапазоне 12…120 кГц; сложность ПЛИС - 240 условных логический вентилей для одного канала; тактовая частота ПЛИС - 24 мГц.
Реализованные схемные и алгоритмические решения могут быть использованы при решении задач типа гирокомпасирования и при стендовых точностных измерениях датчиков ЛГ.
Таким образом, в предложенной полезной модели достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности, поскольку благодаря введенным элементам и связям между ними обеспечивается домер фаз, что позволяет повысить точности измерения малых углов поворота.