Сравнительный анализ дрейфа нуля усилителей постоянного тока и гироскопа

[Greenmail123]

Тема: Сравнительный анализ дрейфа нуля усилителей постоянного тока и гироскопа

Исполнитель: Веклич Антон Андреевич 742 об 3

Научный руководитель: Карпова Татьяна Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

Усилителями постоянного тока (УПТ) - называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току. Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.
Дрейф нуля гироскопа обусловлен в основном интегрированием двух составляющих: медленно меняющейся, почти постоянной переменной, называемой нестабильностью смещения нуля, и более высокочастотной шумовой переменной, называемой случайным блужданием угла (ARW - angular random walk). Эти параметры измеряются в углах поворота за единицу времени.

ДРЕЙФ НУЛЯ УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ЕГО ПРИЧИНЫ И СПОСОБЫ МИНИМИЗИРОВАНИЯ

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) - называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся:

• нестабильности источников питания
• температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов
• низкочастотные шумы, помехи и наводки

Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями: I_кбо, U_бэо. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности S_нс.
Абсолютным дрейфом нуля - называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя: e_др=0. Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина e_др ограничивает минимальный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя.
В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R_э большого номинала может создать глубокую ООС (отрицательная обратная связь) по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит K_u для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь K_u пропорционален S_нс, то величина eдр оказывается независимой от S_нс. Минимального значения eдр можно достичь за счет снижения величин R_э, R_б и R_r. При этом для кремниевых УПТ можно получить более пригодные усилители постоянного тока для работы на повышенных температурах. Следует подчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетворительной только при превышении минимальным входным сигналом величины С_др. Поэтому основной задачей следует считать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя. С целью минимизирования дрейфа нуля в УПТ могут быть использованы следующие способы:

• применение глубоких ООС (Отрицательная обратная связь)
• использование термо-компенсирующих элементов
• преобразование постоянного тока в переменный
• усиление переменного тока с последующим выпрямлением
• построение усилителя по балансной схеме

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ АППАРАТА. ИНКЛИНОМЕТР ГИРОСКОПА И ЕГО ДРЕЙФ НУЛЯ

Система стабилизации-самый важный компонент любого беспилотного летательного аппарата или балансирующего робота. Именно эта подсистема машины позволяет ей всегда оставаться в заданном положении, несмотря на действие различных внешних сил.

Для того чтобы осуществить эту стабилизацию, нужно:

• определить углы наклона машины относительно поверхности земли;
• вычислить отклонение от требуемого положения;
• подать управляющие сигналы для актуаторы для компенсации отклонения и приведения машины в требуемое положение.

Первую задачу системы стабилизации аппарата решает прибор, называемый инклинометром.

Самый простой инклинометр может быть сконструирован с помощью гироскопа. В случае использования гироскопа, угол наклона устройства легко вычисляется с помощью дискретного интегрирования скорости его вращения.

Ошибка МЭМС (Микроэлектромеханические системы) гироскопа, измеряющего угловую скорость, имеет несколько инерциальных составляющих, одной из которых является нестабильность смещения. Несмотря на это, инерциальное измерительное устройство (ИИУ) обладает рядом преимуществ перед дискретными компонентами, обеспечивающих более высокий уровень его характеристик. ИИУ с шестью степенями свободы состоит из нескольких инерциальных МЭМС датчиков, термокомпенсированных и калиброванных для выравнивания чувствительности по ортогональным осям. Инерциальный 3-осевой гироскоп способен измерять угол поворота относительно определенной точки, в то время как 3-осевой акселерометр измеряет смещение. Объединение показаний датчиков выполняется последующей обработкой с помощью встроенного цифрового сигнального процессора или микроконтроллера.
Гироскопы подвержены нестабильности смещения нуля, при которой начальная нулевая точка гироскопа дрейфует во времени из-за интегрирования присущих ему внутренних несовершенств и шумов. Стабильность смещения может быть откалибрована в известном температурном диапазоне ИИУ. Однако интегрирование постоянной погрешности смещения приводит к угловой ошибке. Эта ошибка будет накапливаться по мере оценки скорости вращения или угла поворота системы с гироскопом в течение длительного времени. Нежелательным следствием дрейфа является непрерывное увеличение ошибки вычисляемого курсового параметра. Что касается акселерометров, то они чувствительны к вибрациям и иным не гравитационным ускорениям.
Дрейф гироскопа обусловлен в основном интегрированием двух составляющих: медленно меняющейся, почти постоянной переменной, называемой нестабильностью смещения нуля, и более высокочастотной шумовой переменной, называемой случайным блужданием угла. Эти параметры измеряются в углах поворота за единицу времени. Наиболее чувствителен к дрейфу угол рысканья. Значительная часть дрейфа гироскопа по высоте и крену может быть устранена внутри ИИУ с помощью обратной связи, отслеживающей положение относительно направления силы притяжения. Еще одним широко распространенным методом частичного подавления ошибок дрейфа является использование низкочастотного фильтра Калмана.
В идеале, для того чтобы скорректировать дрейф гироскопа по всем осям, требуются два эталонных параметра. ИИУ с девятью степенями свободы, как правило, содержат дополнительные датчики магнитного поля, иногда по всем трем осям. Магнитометр измеряет уровень поля относительно северного магнитного полюса Земли. Совместно с акселерометром эти датчики могут использоваться в качестве источника еще одного внешнего опорного сигнала, чтобы смягчить влияние ошибки дрейфа гироскопа на ось рыскания. Однако подход, основанный на пространственной коррекции с помощью магнитометров, может давать менее надежные результаты, поскольку существует множество объектов, создающих магнитное поле того же порядка величины, что и Земля.
Еще одним из наиболее действенных методов нейтрализации долговременного дрейфа является обновление угловой скорости в гироскопе. Всякий раз, когда становится достоверно известно, что устройство находится в полностью стационарном состоянии, смещение гироскопа обнуляется по соответствующим осям. Возможность и эффективность применения этого метода зависят от конкретного приложения. Но в любом случае, когда система находится в состоянии покоя - на холостом ходу автомобиля, при остановке автономного робота или в интервалах между шагами идущего человека - это время можно использовать для обнуления гироскопа.

Рисунок 1.Девиация Аллана для гироскопа ADIS16490.

Разумеется, использование ультрасовременных ИИУ с минимальной конструктивной нестабильностью смещения нуля в начальный момент может оказывать самое непосредственное влияние на дрейф гироскопа. Постоянная ошибка смещения гироскопа может быть измерена путем усреднения результатов измерений за большой период времени, пока устройство не вращается. Зависимость величины дрейфа ИИУ за один час от времени интегрирования t характеризуют девиацией Аллана. Обычно для этого используются графики с логарифмическими масштабами по осям X и Y. Новейшим продуктом Analog Devices в портфеле высокоэффективных ИИУ тактического класса является микросхема ADIS16490, имеющая нестабильность смещения всего 1.8° в час. Это отражено в показанном на Рисунке 1 графике девиации Аллана, где ошибка 1.8° находится в точке, соответствующей одному часу (3600 секундам).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дрейф нуля в сфере усилителей постоянного тока и гироскопа схожи тем, что они практически неконтролируемы. Все положительные стороны и недостатки дрейфа нуля в УПТ можно отнести и к гироскопам. Причем отмечу, что именно температурная и временная нестабильность, низкочастотные шумы, помехи и наводки относятся к важному фактору, вызывающий дрейф и в той и другой области, при котором многие приборы и устройства работают не правильно (не стабильно). И что бы обнаружить его, люди применяют такие способы, как применение глубоких ООС и термокомпенсирующие элементы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Твайделл, Дж., Уэйр А. Гироскопы на практике: Пер. с англ. - М, Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.
Сичкарев В.И. Дрейф нуля в усилителях посиоянного тока / В.И. Сичкарев, В.А, Акуличев. - М.: Наука, 1989. - 132 с.
https://electrono.ru/7-1-opredelenie-usilitelya-postoyannogo-toka-dreyf-nulya-fis_osn_eltron
http://robotclass.ru/articles/complementary-filter/
https://cyberleninka.ru/article/n/algoritmy-kompensatsii-pogreshnostey-vyhodnogo-signala-lazernogo-giroskopa

[ran]

Пока была речь о дрейфе нуля УПТ, я еще что-то понимал. Но потом начались гироскопы, и все запуталось. Поясните пожалуйста, связь. А то воспринимается как "Сравнительный анализ проблем акселерации и высотного строительства"

[KashcheevVA.99]

Спасибо Вам за статью. Есть конечно некоторые недочеты, но мне вполне понравилась Ваша тема. Теперь буду знать про дрейф нуля гироскопа.

[Greenmail123]

Пока была речь о дрейфе нуля УПТ, я еще что-то понимал. Но потом начались гироскопы, и все запуталось. Поясните пожалуйста, связь. А то воспринимается как "Сравнительный анализ проблем акселерации и высотного строительства"

Здравствуйте уважаемый пользователь "Ran". Прошу прощения за неполную раскрытую мысль данной темы. Данная статья будет корректироваться в ближайшие дни и дополнена. Спасибо за понимание. (Greenmail123)

[Greenmail123]

Спасибо Вам за статью. Есть конечно некоторые недочеты, но мне вполне понравилась Ваша тема. Теперь буду знать про дрейф нуля гироскопа.

Спасибо вам пользователь "KaashcheevVA". Я рад что вам понравилась моя статья, ошибки будут проработаны в ближайшие дни. С уважением Greenmail123

[ran]

Пока была речь о дрейфе нуля УПТ, я еще что-то понимал. Но потом начались гироскопы, и все запуталось. Поясните пожалуйста, связь. А то воспринимается как "Сравнительный анализ проблем акселерации и высотного строительства"

Здравствуйте уважаемый пользователь "Ran". Прошу прощения за неполную раскрытую мысль данной темы. Данная статья будет корректироваться в ближайшие дни и дополнена. Спасибо за понимание. (Greenmail123)

Спасибо за понимание неполной раскрытости и признание моего понимания своего непонимания.

[mds]

Спор и поправки  по  существу. У  авторов (равно как и моих подопечных)  нет  ссылок  на первоисточники.  Это  замечание  почти (или  почти)  ко всем докладчикам.

Выше есть обсуждение вопроса об определении угла наклона  машины. И его непонятное решение.
А в одном из пунктов (3)  применено инвертирование  сигнала.  Но  нет  сравнительного анализа приведенных способов минимизировать ошибку гироскопа. 
У альтиметра что то подобное.  Попробуйте дать ответ

[ran]

Вы, Михаил Дмитриевич, конечно, - по существу, но как-то непонятно. Что касается угла наклона, - там все ясно и так. Но в п. 3 не об этом. Там говорится, что если применить УПТ в гироскопе, то, может быть, инверсия и поможет. Как говорится, против дрейфа нет приема, акромя самого дрейфа.

[Greenmail123]

Пока была речь о дрейфе нуля УПТ, я еще что-то понимал. Но потом начались гироскопы, и все запуталось. Поясните пожалуйста, связь. А то воспринимается как "Сравнительный анализ проблем акселерации и высотного строительства"

Здравствуйте уважаемый пользователь "Ran". Прошу прощения за неполную раскрытую мысль данной темы. Данная статья будет корректироваться в ближайшие дни и дополнена. Спасибо за понимание. (Greenmail123)

Спасибо за понимание неполной раскрытости и признание моего понимания своего непонимания.

Здравствуйте. Я дополнил материал. Посмотрите заключение пожалуйста, я попытался в полной мере изложить свою мысль.

[Greenmail123]

Спор и поправки  по  существу. У  авторов (равно как и моих подопечных)  нет  ссылок  на первоисточники.  Это  замечание  почти (или  почти)  ко всем докладчикам.

Выше есть обсуждение вопроса об определении угла наклона  машины. И его непонятное решение решение.
А в одном из пунктов (3)  применено инвертирование  сигнала.  Но  нет  сравнительного анализа приведенных способов минимизировать ошибку гироскопа. 
У альтиметра что то подобное.  Попробуйте дать ответ

Здравствуйте. Материал дополнил. Библиографический список добавил. Мой ответ на вопрос: Для того, чтобы минимизировать ошибку показаний гироскопа, нужно следовать определенному алгоритму (не стал добавлять в статью, подумал будет лишним).  Разработаны алгоритмы такие как: ошумления, виброподставки и стабилизации амплитуды колебаний, позволяющие уменьшить погрешность случайного дрейфа. Разработана обобщенная математическая модель систематического дрейфа выходного сигнала гироскопа, на основе которой предложен алгоритм компенсации, позволяющий улучшить точностные характеристики.