RU171415U1

RU171415U1 - Phase detector

Info

Publication number: RU171415U1
Application number: RU2017108879U
Authority: RU
Inventors: Юрий Юрьевич Колбас; Игорь Владимирович Дронов; Александр Иванович Вареник
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2017-05-30

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и автоматике и может быть использована в лазерных гироскопах, в частности, при измерении малых углов поворота. Сущность полезной модели - устройство содержит реверсивный счетчик, 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. 2 ил.The utility model relates to measuring equipment and automation and can be used in laser gyroscopes, in particular, when measuring small rotation angles. The essence of the utility model - the device contains a reversible counter, a buffer register, the first and second inputs of which are, respectively, the inputs of the sine and cosine components of the input signal, and the third and fourth inputs are inputs of the signal of the measuring clock and the reference frequency signal, respectively, a memory element, an input which is connected to the output of the buffer register, the first output of which is connected to the fifth input of the buffer register, and the second and third outputs are connected, respectively, to the summing and subtracting inputs down counter, the count period of the input signals having an input coupled to the fourth output of the storage element, and the phase relative to the measurement interval counter having an input connected to a fifth output of the memory element. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и автоматике и может быть использована в лазерных гироскопах, в частности, при измерении малых углов поворота.The utility model relates to measuring equipment and automation and can be used in laser gyroscopes, in particular, when measuring small rotation angles.

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.A device is known [RU 2300170, C1, H03D 13/00, 05/27/2007] containing a D-trigger, the D-input of which is connected to a signal source of a logical unit, two logical elements AND, a logical element AND NOT, a logical element OR, two JK flip-flops, the inverse outputs of which are connected to the inputs of the NAND gates, the direct output of the D-flip-flops is connected to the first input of the second gates And to the J-inputs of JK flip-flops, the S-inputs of which are connected to the output of the gates AND . The inputs of the OR logic element are the inputs of the frequency-phase detector, and the output is connected to the C-input of the D-flip-flop, the inverse output of which is connected to the R-inputs of the JK-flip-flops, the direct outputs of which are connected to the second inputs of the logical elements AND, while the C-inputs JK flip-flops are connected to the inputs of the logical element OR, the outputs of the logical elements AND are connected to the inputs of the integrator, the output of which is the output of the device.

Недостатком устройства является относительно низкая точность.The disadvantage of this device is the relatively low accuracy.

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.The closest in technical essence to the proposed is a phase detector [Aronovits F. Laser gyroscope. In the book. "The use of lasers", ed. V.P. Tychinsky. - M., Mir, 1974)], containing a block of D-flip-flops, the first and second inputs of which are inputs of the sine and cosine components of the input signal, respectively, as well as a reversible counter, which sums and subtracts the inputs of which are connected, respectively, with the first and second the outputs of the block D-flip-flops.

Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая точность, вызванная дискретным характером входного сигнала и отсутствием средств, обеспечивающий домер фаз.The disadvantage of the closest technical solution is its relatively low accuracy, due to the discrete nature of the input signal and the lack of funds, providing a phase meter.

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.The problem that is solved in the utility model is to create a phase detector with greater accuracy in determining phase shifts in the measuring interval to improve the accuracy of measuring small rotation angles in laser gyroscopes.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности.The required technical result is to increase accuracy.

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.The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that a phase detector containing inputs of the sine and cosine components of the input signal, as well as a reversible counter, according to the utility model, a buffer register is introduced, the first and second inputs of which are, respectively, the sine and cosine inputs components of the input signal, and the third and fourth inputs are inputs of the measuring cycle signal and the reference frequency signal, respectively, a memory element, the input of which is connected to the output of a black register, the first output of which is connected to the fifth input of the buffer register, and the second and third outputs are connected, respectively, with the summing and subtracting inputs of the reverse counter, a counter of the input signal period, the input of which is connected to the fourth output of the memory element, and a phase counter relative to the measuring interval whose input is connected to the fifth output of the memory element.

На чертеже представлены:The drawing shows:

на фиг. 1 - схема фазового детектора;in FIG. 1 is a diagram of a phase detector;

на фиг. 2 - график, поясняющий работу фазового детектора, где Тизм - сигнал измерительного такта, Fclk - сигнал опорной частоты.in FIG. 2 is a graph explaining the operation of the phase detector, where Tism is the signal of the measuring cycle, Fclk is the signal of the reference frequency.

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.The phase detector contains a reversible counter 1 and a buffer register 2, the first and second inputs of which are, respectively, the inputs of the sine and cosine components of the input signal, and the third and fourth inputs are inputs of the measuring clock signal and the reference frequency signal, respectively.

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.In addition, the phase detector contains a memory element 3, the input of which is connected to the output of the buffer register 2, the first output of which is connected to the fifth input of the buffer register 2, and the second and third outputs are connected, respectively, with the summing and subtracting inputs of the reverse counter 1, and a counter 4 of the input signal period, the input of which is connected to the fourth output of the memory element 3, and a phase counter 5 relative to the measuring interval, the input of which is connected to the fifth output of the memory element 3.

На фиг. 1 обозначены: Тизм - сигнал измерительного такта, Fclk - сигнал опорной частоты, SIN - синусная составляющая входного сигнала, COS - косинусная составляющая входного сигнала.In FIG. 1 are marked: Tism - measuring cycle signal, Fclk - reference frequency signal, SIN - sine component of the input signal, COS - cosine component of the input signal.

На фиг. 2 обозначены: N_i - число счетных импульсов в i-м измерительном интервале в реверсивном счетчике 1, T_i - текущий период SIN/COS сигналов в i-м измерительном интервале, Р_i - текущая фаза в i-м измерительном интервале.In FIG. 2 are indicated: N _i is the number of counting pulses in the i-th measuring interval in the reverse counter 1, T _i is the current period of SIN / COS signals in the i-th measuring interval, P _i is the current phase in the i-th measuring interval.

Работает фазовый детектор следующим образом.The phase detector operates as follows.

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⋅10⁴ (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.An increase in the scale factor of the laser gyroscope (LG) allows to increase the accuracy of measuring small rotation angles and reduce the time of accurate azimuth measurement from the projection of the angular velocity of the Earth's rotation (gyrocompassing). So, for example, LG with a perimeter of 25 cm has a scale factor M = 6.3⋅10 ⁴ (the reciprocal of M, called the pulse price, will be ~ 2.7 '' in this case). When measuring the angular velocity of the Earth's rotation (15.04 ° / h), the output frequency of the sensor according to the angular velocity will be 4.6 Hz. Those. to measure the angular velocity of the Earth's rotation with an accuracy of not worse than ± 0.01 ° / h, at least 270 s of a stand will be required. In this case, the azimuth measurement error at the latitude of Moscow (56 °) will be ± 4.1 '. For greater accuracy in determining the azimuth, this time must still be increased, which contradicts the requirement to reduce the initial exhibition time of systems with LG in the minimum time.

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.To further reduce the LG error associated with the discreteness of the output information, a phase domain meter can be used. When constructing a phase detector with a phase meter, the discrete value can be made practically any and the limit of its reduction will be determined by the stability of the used clock generator and the selected digital element base.

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.The phase domer is based on a more detailed measurement of the interference pattern from the photodetectors of the LH angle sensor. In the phase domain, the phase of the fractional part of the SIN / COS output signals is also measured at the end of the measurement interval, which is then normalized to the current period to obtain the correct output information.

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.When implementing a phase domain, special requirements are imposed on the phase detector. The logic of the phase detector must comply with the “mirror reflection” rule - the counting pulses US +, US- should be located mirror-like relative to the switching of the frequency base. Otherwise, the logic of accumulation of fractional parts will be violated when switching the frequency stand. As a phase detector, only a single-pulse logic detector can be used, since the photosensitive areas of the two-site photodetector are aligned with an accuracy of ± 20 ° and when using four-pulse logic, this accuracy will limit the phase domain.

При очередном такте измерительного интервала происходит измерение счетных импульсов N_i от US+, US в i-м измерительном интервале в реверсивном счетчике 1, а также текущей фазы P_i и текущего периода sin/cos сигналов T_i. Результирующее значение угла в счетных импульсах с дробной частью за текущий измерительный интервал может быть определено какAt the next step of the measuring interval, the counting pulses N _i from US +, US are measured in the i-th measuring interval in the reverse counter 1, as well as the current phase P _i and the current sin / cos signal period T _i . The resulting value of the angle in the counting pulses with a fractional part for the current measuring interval can be defined as

Ω_i=Ni+(1-Р_i/Т_i)-Р_i-1/Т_i-1.Ω _i = Ni + (1-P _i / T _i ) -P _i-1 / T _i-1 .

В том случае, если отсчет измерительного интервала приходится на отрицательные счетные импульсы (US-), соответствующим образом меняются знаки у дробной части.In the event that the counting of the measuring interval falls on negative counting pulses (US-), the signs of the fractional part change accordingly.

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.According to the results of modeling and prototype tests, the following data were obtained: resolution of the LG phase detector: ± 0.01 pulses at a frequency of SIN and COS signals in the range of 12 ... 120 kHz; FPGA complexity - 240 conditional logic gates for one channel; FPGA clock frequency - 24 MHz.

Реализованные схемные и алгоритмические решения могут быть использованы при решении задач типа гирокомпасирования и при стендовых точностных измерениях датчиков ЛГ.The implemented circuit and algorithmic solutions can be used in solving problems such as gyrocompassing and in bench accuracy measurements of LG sensors.

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.Thus, in the proposed utility model, the required technical result is achieved, which consists in increasing accuracy, since due to the introduced elements and the connections between them, a phase meter is provided, which allows to increase the accuracy of measuring small rotation angles.

Claims

A phase detector containing the inputs of the sine and cosine components of the input signal, as well as a reversible counter, contains a buffer register, the first and second inputs of which are, respectively, the inputs of the sine and cosine components of the input signal, and the third and fourth inputs are inputs of the measurement clock signal and a reference frequency signal, respectively, a memory element whose input is connected to the output of the buffer register, the first output of which is connected to the fifth input of the buffer register, and the second and third output They are connected, respectively, with the summing and subtracting inputs of the reverse counter, a counter of the period of input signals, the input of which is connected to the fourth output of the memory element, and a phase counter relative to the measuring interval, the input of which is connected to the fifth output of the memory element.