專利名稱：微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)陀螺技術(shù)領(lǐng)域,尤其是基于環(huán)行諧振腔的微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及檢測控制。該調(diào)制解調(diào)技術(shù)使載體角速度引起諧振腔中順逆時針傳播的光束的諧振頻率差轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓差，通過該轉(zhuǎn)換間接測量載體的角速度。
背景技術(shù)：
諧振式光學(xué)陀螺反應(yīng)角速度的量為順逆時針傳播的兩束光的頻率差，該頻率差4爿與旋轉(zhuǎn)角速度之間有如下關(guān)系A(chǔ)/^"^Q，其中A為環(huán)行諧振腔的閉合面積，義為義丄靜止時諧振腔中傳播光的波長，L為環(huán)行諧振腔的波長，Q為載體的角速度。通過檢 測得到該頻率差就可以計算出載體的角速度。而直接測量兩束光的頻率差似乎并不容 易，且檢測精度也不會太高，因此需要一種調(diào)制解調(diào)技術(shù)來將頻率差轉(zhuǎn)化為另一種易 于測量的物理量。目前，對諧振式微光學(xué)陀螺，大多采用雙頻率鋸齒波調(diào)制方式。對于敏感環(huán)長 度極短的微光學(xué)陀螺，需要調(diào)制信號產(chǎn)生的頻率差很高，若采用模擬鋸齒波方式，那 么鋸齒波的回掃時間將嚴(yán)重影響調(diào)制效果；若采用數(shù)字鋸齒波方式，則高頻數(shù)字信號 有明顯的臺階效應(yīng)，也會影響調(diào)制效果。為了克服上述缺陷本發(fā)明人提出一種基于三 角波的調(diào)制方式，該調(diào)制方式具有調(diào)制頻差大，動態(tài)范圍大，精度高，調(diào)制效果^^等 優(yōu)點。同時采用雙路反饋控制增加了閉環(huán)鎖定的穩(wěn)定性，不易受環(huán)境噪聲影響。 發(fā)明內(nèi) 容本發(fā)明的目的是提供一種基于環(huán)行諧振腔的微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)及檢測控制 裝置，該裝置采用了基于三角波的雙頻率調(diào)制解調(diào)方法，將頻差信號轉(zhuǎn)換成電壓差信 號，容易實現(xiàn)檢測，可根據(jù)諧振腔的諧振特性改變調(diào)制頻率，以獲得最大的檢測范圍 或最高的檢測精度。采用本發(fā)明的檢測控制方法，根據(jù)順時針光路輸出信號實現(xiàn)閉環(huán) 反饋控制，光源出射光頻率始終鎖定在順時針光路的諧振頻率點，陀螺的輸出避免了 載體角速度以外因素的影響，且調(diào)制信號使陀螺工作在光路輸出的近似線性范圍內(nèi)， 陀螺檢測精度高，動態(tài)范圍大，標(biāo)度因素線性度好。 本發(fā)明是一種微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置，由電源電路單元、數(shù)字信 號處理器、信號釆集單元A、信號采集單元B、三角波信號發(fā)生器、閉環(huán)反饋單元、 頻率控制單元和溫度控制單元組成。所述信號采集單元A將釆集得到的由第一探測器輸出的順時針光路信號/^_。 經(jīng)第一前置放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號/c『一,給數(shù)字信號處 理器；所述信號采集單元B將采集得到的由第二探測器輸出的逆時針光路信號/d。 經(jīng)第二前置放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器B轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號/c^一,給數(shù)字信號處 理器；數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號/c^進(jìn)行解調(diào)后輸出A路頻率補(bǔ)償信號 /c『_2給頻率控制單元，頻率控制單元對接收的A路頻率補(bǔ)償信號/^_2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 A、電壓變換電路后輸出電壓信號/^_3給光源；數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號/^一進(jìn)行解調(diào)后輸出B路頻率補(bǔ)償信號 厶^_2給閉環(huán)反饋單元，閉環(huán)反饋單元對接收的B路頻率補(bǔ)償信號/ ^_2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換 器B、模擬放大器后輸出斜波信號/CCTr—3給第二相位移頻器；數(shù)字信號處理器產(chǎn)生一系統(tǒng)工作的同步時鐘信號/^送至三角波信號發(fā)生器，作 為三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生三角波調(diào)制信號/w的相位基準(zhǔn)，產(chǎn)生的三角波調(diào)制信號/w分別給第一相位移頻器和第二相位移頻器；溫度控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換器C首先讀取代表光源的實際溫度的電壓信號/。(簡稱實際溫度電壓/。)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實際溫度電壓信號/。。(簡稱數(shù)字溫度電 壓/。。)輸出給數(shù)字信號處理器；所述數(shù)字溫度電壓/o。在數(shù)字信號處理器中經(jīng)調(diào)整 后輸出對比信號/zn給數(shù)模轉(zhuǎn)換器C，所述對比信號/^經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器C轉(zhuǎn)換后輸出 代表設(shè)定溫度的電壓信號力給光源。本發(fā)明基于三角波的雙頻率調(diào)制技術(shù)，根據(jù)諧振腔的諧振特性，通過檢測范圍和檢測精度的計算，得到調(diào)制三角波的波形參數(shù)頻率和幅值。由電路具體實現(xiàn)并送至集成光學(xué)調(diào)制器的調(diào)制電極對即將輸入諧振腔的光進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明的檢測控制電路，采用溫度掃描的方式使光源頻率到達(dá)諧振腔中順時針光路的諧振頻率，然后通過溫度與PZT電壓的雙路反饋實現(xiàn)順時針光路的鎖定，即光源頻率始終處于順時針光路的諧振頻率，相應(yīng)的探測器輸出為直流電壓信號。
本發(fā)明調(diào)制解調(diào)技術(shù)及檢測控制電路的優(yōu)點(1)采用幅值連續(xù)變化的三角波 作為調(diào)制信號，避免了調(diào)制信號的頻繁復(fù)位，改善了調(diào)制效果；(2)與雙頻率鋸齒 波相比較，三角波調(diào)制信號可以以最低的頻率得到相同的調(diào)制頻率差；(3)通過對 諧振腔諧振特性的分析，可以得出對應(yīng)檢測范圍最大和檢測精度最高所需的調(diào)制頻率 差；(4)工作在近似線性范圍，標(biāo)度因數(shù)線性度好；(5)采用光源溫度和PZT雙路 反饋控制，解決了PZT調(diào)節(jié)范圍小和溫度調(diào)節(jié)精度低的問題；(6)采用對光源出射 光頻率的控制，使光頻率始終處于順時針光路的諧振頻率點，受外界環(huán)境影響小，具 有更高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖1A是本發(fā)明的基于三角波的雙頻率調(diào)制原理圖。 圖2是數(shù)字信號處理器的電路原理圖。 圖2A是控制程序下載的電路原理圖。 圖3是信號采集單元A的電路原理圖。 圖4是三角波信號發(fā)生器的電路原理圖。 圖5是溫度采集與控制電路原理圖。 圖6是頻率控制單元的電路原理圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1所示，本發(fā)明是一種適用于諧振式微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)和檢測控制 裝置，該調(diào)制解調(diào)和檢測控制裝置由電源電路單元、數(shù)字信號處理器、信號采集單元 A、信號采集單元B、三角波信號發(fā)生器、閉環(huán)反饋單元、頻率控制單元和溫度控制 單元組成。在本發(fā)明中，數(shù)字信號處理器采用Xilinx公司生產(chǎn)的Virtex n系列FPGA 芯片。所述信號采集單元A由第一前置放大器和禾莫數(shù)轉(zhuǎn)換器A組成。所述信號采集單 元B由第二前置放大器和f莫數(shù)轉(zhuǎn)換器B組成。所述信號釆集單元A與所述信號采集 單元B的電路結(jié)構(gòu)相同。所述頻率控制單元由電壓變換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器A組成。所述閉環(huán)反饋單元由 模擬放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器B組成。所述頻率控制單元與所述閉環(huán)反饋單元的電路結(jié) 構(gòu)相同。
所述信號采集單元A將采集得到的由第一探測器輸出的順時針光路信號/c^。 經(jīng)第一前置放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號/^一,給數(shù)字信號處理器；所述信號采集單元B將釆集得到的由第二探測器輸出的逆時針光路信號/ ^_。 經(jīng)第二前置放大器放大后,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器B轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號/c^^給數(shù)字信號處 理器；數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號/o^進(jìn)行解調(diào)后輸出A路頻率補(bǔ)償信號 /^_2給頻率控制單元，頻率控制單元對接收的A路頻率補(bǔ)償信號/， _2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 A、電壓變換電路后輸出電壓信號/^_3給光源；輸出的電壓信號/，_3可以用于調(diào)整 光源出射光的頻率，從而使順時針傳輸光的頻率恒定在諧振點。數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號d一進(jìn)行解調(diào)后輸出B路頻率補(bǔ)償信號 /^_2給閉環(huán)反饋單元，閉環(huán)反饋單元對接收的B路頻率補(bǔ)償信號/ ^_2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器B、模擬放大器后輸出斜波信號d-3給第二相位移頻器；輸出的斜波信號/o;^3對第二相位移頻器進(jìn)行頻率調(diào)整，使逆時針傳輸光的頻率恒定在諧振點。數(shù)字信號處理器產(chǎn)生一個系統(tǒng)工作的同步時鐘信號/^送至三角波信號發(fā)生器， 作為三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生三角波調(diào)制信號/w的相位基準(zhǔn)，產(chǎn)生的三角波調(diào)制信號 分別給第一相位移頻器和第二相位移頻器；溫度控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換器C首先讀取代表光源實際溫度的電壓信號/。(簡稱 實際溫度電壓/。)，并將其轉(zhuǎn)換成實際溫度電壓數(shù)字量信號/c。(簡稱數(shù)字實溫A。) 輸出給數(shù)字信號處理器；所述數(shù)字實溫/。。在數(shù)字信號處理器中經(jīng)調(diào)整后輸出設(shè)定溫 度電壓數(shù)字量信號/^ (簡稱數(shù)字設(shè)溫/m)給數(shù)模轉(zhuǎn)換器C，所述數(shù)字設(shè)溫/^經(jīng)數(shù) 模轉(zhuǎn)換器C轉(zhuǎn)換后輸出代表設(shè)定溫度的電壓信號/i給光源。在本發(fā)明中，電源電路采用常規(guī)芯片及外圍電路搭接形成，其輸出有1.5V、 2.5V、 3V、 3.3V、 +5VD、 ±5V、 土15V電源。在本發(fā)明中，信號釆集單元A和信號采集單元B的電路結(jié)構(gòu)相同，故省略對信 號采集單元B的電路聯(lián)接說明。頻率控制單元的電路結(jié)構(gòu)與閉環(huán)反饋單元的電路結(jié) 構(gòu)相同，故省略閉環(huán)反饋單元的電路聯(lián)接說明。模數(shù)轉(zhuǎn)換器A、模數(shù)轉(zhuǎn)換器B采用 AD系列或LTC系列的12位高速A/D;模數(shù)轉(zhuǎn)換器C釆用AD系列或LTC系列串 行A/D;數(shù)模轉(zhuǎn)換器A、數(shù)模轉(zhuǎn)換器B采用AD系列或LTC系列的16位D/A;數(shù) 模轉(zhuǎn)換器C采用AD系列或LTC系列串行D/A;第一前置放大器、第二前置放大器、
電壓變換電路和模擬放大器都釆用AD系列的運(yùn)算放大器；三角波發(fā)生電路采用 MAX系列通用信號發(fā)生芯片或自搭三角波生成電路；光源采用可調(diào)諧窄線寬激光光 源，具有溫度讀取和溫度設(shè)定端口、 PZT調(diào)節(jié)端口控制光源出射光頻率。 電路原理圖中的各端子連接關(guān)系如下所述參見圖2所示，F(xiàn)PGA處理器Ul的B8端(時鐘信息)、El端、E2端、Dl 端、D2端、Cl端、B4端、B5端、A5端、B6端、A6端、B7端、A7端(12條 數(shù)據(jù)線)分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U2的2端、7端 14端、17端 20端(12條 數(shù)據(jù)線)相聯(lián)；F2端與信號釆集單元A中比較器U6的7端相聯(lián)；A9端(時鐘信 息)、A10端、B10端、All端、Bll端、A12端、B12端、B13端、C16端、 D15端、D16端、E15端、E16端(12條數(shù)據(jù)線)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器B芯片相聯(lián)；F16 端與信號采集單元B中的比較器相聯(lián)；R8端(時鐘信息)、Ll端、L2端、Ml端、 M2端、Nl端、N2端、Pl端、T3端、R4端、T4端、R5端、T5端、R6端、T6 端、R7端、T7端(16條數(shù)據(jù)線)分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U15的26端、14端 l端、28端、27端(16條數(shù)據(jù)線)相聯(lián)；T9端(時鐘信息)、R9端、TlO端、 R10端、Tll端、Rll端、T12端、R12端、R13端、T14端、P16端、N15端、 N16端、M15端、M16端、L15端、L16端(16條數(shù)據(jù)線)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器B芯片 聯(lián)接；Hl端、Gl端、Fl端和H2端分別與溫度控制單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器C芯片Ull 的13端、15端、2端和14端相聯(lián)，R14和G2端與溫度控制單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器C 芯片Ul 1的1端相聯(lián)，Kl端、Jl端和J2端分別與溫度采集單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換器C 芯片U14的5端、4端和7端相聯(lián)；P15端、C2端、A2端、P13端、T13端分 別與下載芯片U1 — 1的43端、31端、10端、40端、13端相聯(lián)，R14端和G2 端與下載芯片Ul — 1的15端相聯(lián)；A8端與晶體振蕩器Ul —2的3端相聯(lián)；T8端 與三角波發(fā)生器芯片U7的13端相聯(lián)；K15端為陀螺信息輸出端；N13端、N4端、 M12端、M5端、E12端、E5端、D13端、D4端接1.5V電源；F8端、F7端、 E8端、F10端、F9端、E9端、H12端、Hll端、Gll端、Kll端、J12端、Jll 端、M9端、LIO端、L9端、M8端、L8端、L7端、K6端、J6端、J5端、H6 端、H5端、G6端、Bl端、B16端、Rl端、R16端接3.3V電源；G7端、G8 端、G9端、G10端、H7端、H8端、H9端、H10端、J7端、J8端、J9端、JIO 端、K7端、K8端、K9端、K10端、L6端、Lll端、P3端、P14端、R2端、R15 端、Tl端、T16端、R3端、P2端、T2端、Al端、A16端、B2端、B15端、C3
端、C14端、F6端、Fll端數(shù)字接地。參見圖2A所示，6端、18端、28端、41端分別與數(shù)字地聯(lián)接，8端、16端、 17端、26端、35端、36端、38端分別接3.3V電源，31端經(jīng)電阻R74后與3.3V 電源聯(lián)接，8端與13端之間串聯(lián)有電阻R89， 8端與15端之間串聯(lián)有電阻R88。參見圖3所示，第一探測器輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)濾波電路后與運(yùn)算放大器U3的3 端相聯(lián)，濾波電路由電容C40、電阻R26、電阻R20、電容C48構(gòu)成，電容C40 的一端與第一探測器的輸出端連接，電容C40的另一端與電阻R26的2端聯(lián)接，電 阻R26的1端接模擬地，電阻R26的2端與電阻R20的1端聯(lián)接，電阻R20的2 端與電阻R21的1端聯(lián)接，電阻R21的2端與運(yùn)算放大器U3的3端聯(lián)接，電阻 R20的2端與電阻R21的1端之間接有電容C48，電容C48的另一端接模擬地； 運(yùn)算放大器U3的1端經(jīng)電阻R13后與差分運(yùn)算放大器U4的1端聯(lián)接，2端經(jīng)電 阻R25后接模擬地，且電容C50、電阻R7并聯(lián)后聯(lián)接在1端與2端之間；4端與 —5V電源聯(lián)接；8端與+ 5V電源聯(lián)接；差分運(yùn)算放大器U4的2端依次通過電阻R13、電阻R19接模擬地；2端與模 數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的24端聯(lián)接；8端經(jīng)電阻R4后接模擬地；3端與+ 5V電源 聯(lián)接；5端經(jīng)電阻R8后與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的30端聯(lián)接，電容C2與電阻 R3并聯(lián)后聯(lián)接在8端與5端之間；4端經(jīng)電阻R15后與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2 的29端聯(lián)接，且電容C43、電阻R18并聯(lián)后聯(lián)接在4端與l端之間；6端與一5V 電源聯(lián)接；模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的4端經(jīng)電阻R27后接模擬地；15端接數(shù)字地，16 端接2.5V電源；22端經(jīng)電阻R2接模擬地，且經(jīng)電阻R1接3V電源；23端接模 擬地；25端經(jīng)電容C5后接模擬地，26端經(jīng)電容C17后接模擬地，且電容C15 與電容C16并聯(lián)后接在25端與26端之間；27端接3V電源，28端接模擬地；31 端接模擬地，32端接3V。參見圖4所示，三角波信號發(fā)生芯片U7的1端通過電阻R53與10端聯(lián)接；8 端與12端聯(lián)接，且電阻R54與電容C171串聯(lián)后與電阻R73并聯(lián)接在8端與模擬 地之間；5端經(jīng)電容C166接模擬地；2端、4端、6端、7端、9端、11端和18 端接模擬地；15端接數(shù)字地；19端通過電阻R70與一級運(yùn)算放大器U9的2端聯(lián) 接；20端與-5V電源聯(lián)接；3端和17端與+5V電源聯(lián)接；16端與數(shù)字電源+5VD 聯(lián)接；
一級運(yùn)算放大器U9的3端通過電阻R68接模擬地；電阻R72聯(lián)接在1端與2 端之間，電容C160與電阻R51串聯(lián)后與R69并聯(lián)并聯(lián)接在1端與二級運(yùn)算放大 器的2端；4端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；二級運(yùn)算放大器U8的2端通過電阻R52與6端聯(lián)接，且調(diào)制信號經(jīng)6端分別 輸出給第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器;3端通過電阻R71接模擬地；4端與-15V 電源聯(lián)接；7端與+15V電源聯(lián)接。參見圖5所示，直流穩(wěn)壓芯片U10的2端與+5V電源聯(lián)接；4端接模擬地；6 端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器C芯片Ul 1的7端和8端聯(lián)接，6端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器C芯片U14的 l端聯(lián)接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器C芯片Ul 1的4端通過電阻R57與運(yùn)算放大器A芯片U12的3 端相聯(lián)；5端通過電阻R58與運(yùn)算放大器B芯片U13的3端相聯(lián)；電阻R63與電 容C124串聯(lián)在ll端和模擬地之間；3端、10端與+5V電源聯(lián)接；9端、12端接 模擬地；數(shù)模轉(zhuǎn)換器C輸出的溫度控制信號經(jīng)6端給光源；運(yùn)算放大器A芯片U12的3端通過電容Cl 12接模擬地；2端通過電阻R61 接模擬地，電阻R59和電容C120并聯(lián)后接在2端與1端之間；1端通過電阻R22 與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U15的16端相聯(lián)，電容C46和電容C47并聯(lián)后接在1端和 模擬地之間；4端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；運(yùn)算放大器B芯片U13的3端通過電容C113接模擬地；2端通過電阻R62 接模擬地，電阻R60和電容C121并聯(lián)后接在2端與1端之間；1端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 B芯片相聯(lián)；4端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；模數(shù)轉(zhuǎn)換器C芯片U14的2端與光源連接，3端接模擬地；6端接數(shù)字地；8 端與+5V電源聯(lián)接。參見圖6所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換器A的19端通過電阻RIO與一級運(yùn)算放大器U16的 3端聯(lián)接，且經(jīng)電阻R5接模擬地；20端通過電阻R14與一級運(yùn)算放大器U16的2 端聯(lián)接，且經(jīng)電阻R17接模擬地；電容C33聯(lián)接在19端與20端之間；24端接數(shù) 字地；17端、18端接模擬地；15端經(jīng)電容C45接模擬地；21端通過電容C9與 -5V電源聯(lián)接；22端通過電容C8與-5V電源聯(lián)接；23端與-5V電源聯(lián)接；25端 與+5V電源聯(lián)接；端通過電阻R6接模擬地；5端通過電阻R9接模擬 地；電阻R23接在2端與l端之間；電阻R12接在1端和6端之間；電阻R24接 在6端和7端之間；7端通過電阻R11與二級運(yùn)算放大器U17的2端聯(lián)接；4端接 -5V電源；8端接+5V電源；二級運(yùn)算放大器U17的3端通過電阻R16接模擬地；電阻R55接在2端與6 端之間；6端與光源連接；4端與-15V電源相聯(lián)；7端與+15V電源聯(lián)接。本發(fā)明采用基于三角波的雙頻率調(diào)制解調(diào)和頻率控制電壓、溫度同時反饋，順逆 時針雙路閉環(huán)檢測控制方式。各單元的詳細(xì)功能說明如下三角波信號發(fā)生器三角波信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生所需要的三角波調(diào)制信號。根據(jù)數(shù)字信號處理器提 供的相位基準(zhǔn)，產(chǎn)生與基準(zhǔn)信號同相的三角波調(diào)制信號。由于微光學(xué)陀螺的諧振腔腔 長很短，使得其諧振特性曲線中自由譜線寬度和諧振谷半高全寬值都很大，為了獲得 更好的調(diào)制效果，本發(fā)明采用模擬三角波的調(diào)制方式(參見圖1A所示)。可由積分 電路或者現(xiàn)有的信號發(fā)生芯片生成所需的三角波信號。微光學(xué)陀螺諧振腔的諧振特 性、陀螺的檢測精度及檢測范圍決定了調(diào)制三角波信號的波形參數(shù)。信號采集單元信號采集單元包括信號采集單元A和信號采集單元B,兩部分的電路結(jié)構(gòu)相同， 都由前置放大器和AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。前置放大器的主要功能是將光電轉(zhuǎn)換后的電流信 號變換為電壓信號并進(jìn)行低噪聲放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。設(shè)計前置放大器時， 應(yīng)注意探測器輸出信號的特點以及反大器增益和帶寬的選取。由于微光學(xué)陀螺的諧振 腔腔長很短，對調(diào)制頻率要求髙，導(dǎo)致整個檢測控制電路都需有較高的工作頻率，因 此在AD和DA選擇時需考慮這一點。為了提高檢測精度，AD轉(zhuǎn)換采用差分輸入型， 因此在AD之前需有一個單輸入轉(zhuǎn)差分輸出的芯片。AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送給FPGA。數(shù)字信號處理器電路本發(fā)明釆用閉環(huán)鎖定順時針光路，檢測逆時針光路閉環(huán)反饋量的方法獲取頻差信 號，進(jìn)而求得輸出轉(zhuǎn)動角速度。要求三角波調(diào)制、AD采集、解調(diào)過程的時序嚴(yán)格同 步，設(shè)計時特別需要考慮各芯片的轉(zhuǎn)換延時。數(shù)字信號處理器產(chǎn)生系統(tǒng)工作的同步時 鐘信號送至調(diào)制信號發(fā)生單元，作為三角波調(diào)制信號的相位基準(zhǔn)，產(chǎn)生的三角波調(diào)制 信號同時給第一相位移頻器和第二相位移頻器。 數(shù)字信號處理器給出電路各部分工作的時序，包括調(diào)制信號基準(zhǔn)時鐘、兩路信號 采樣時鐘、反饋控制單元的DA轉(zhuǎn)換時鐘、以及溫度控制部分的采樣和轉(zhuǎn)換時鐘。晶 振產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率信號，經(jīng)過數(shù)字信號處理器內(nèi)部時鐘管理系統(tǒng)DCM的分頻與倍頻 產(chǎn)生反饋控制單元的DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時鐘和信號采集單元AD轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘， 并同時控制解調(diào)過程。數(shù)字信號處理器程序由信號采集單元A輸出的電壓信號解算出控制光源出射光 頻率變化的反饋值，產(chǎn)生控制電壓送給光源的PZT電壓控制端；同時，啟動溫度控 制，保證反饋的PZT電壓不會到達(dá)控制范圍的邊緣，避免反饋電壓的突變引起的光 源出射光頻率的跳變，最終導(dǎo)致順時針傳播光的頻率偏離諧振點。由信號采集單元B 輸出的電壓信號解算出對反饋斜波的修正值，送至第二相位移頻器，控制逆時針傳播 光的頻率變化，使其恒定在逆時針光路的諧振頻率點。閉環(huán)反饋單元和頻率控制單元閉環(huán)反饋單元和頻率控制單元包括一路光源PZT電壓轉(zhuǎn)換電路和一路斜波發(fā)生 電路。光源PZT電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字信號由數(shù)字信號處理器產(chǎn)生，DA轉(zhuǎn)換器輸 出電流信號經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，用來控制光源出射光頻率變化。斜波 發(fā)生電路與光源PZT電壓轉(zhuǎn)換電路相同，輸入信號為反饋數(shù)字斜波信號，轉(zhuǎn)化為模 擬斜波信號后送至第二相位移頻器，控制逆時針傳播光的頻率變化。溫度控制單元溫度控制單元包括光源實際溫度采集電路和光源設(shè)定溫度輸出電路。由于光源出 射光頻率受環(huán)境溫度的影響比較大，為保證穩(wěn)定工作，需對光源溫度進(jìn)行控制。首先 由光源給出的反應(yīng)實際溫度的電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量送給數(shù)字信號處理器，通 過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)當(dāng)前光源PZT電壓的反饋量，解算出光源設(shè)定溫度的數(shù) 字量，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓值送給光源的溫度控制端。
權(quán)利要求
1、一種微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置，其特征在于由電源電路單元、數(shù)字信號處理器、信號采集單元A、信號采集單元B、三角波信號發(fā)生器、閉環(huán)反饋單元、頻率控制單元和溫度控制單元組成；所述信號采集單元A將采集得到的由第一探測器輸出的順時針光路信號fCW-0經(jīng)第一前置放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號fCW-1給數(shù)字信號處理器；所述信號采集單元B將采集得到的由第二探測器輸出的逆時針光路信號fCCW-0經(jīng)第二前置放大器放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器B轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號fCCW-1給數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號fCW-1進(jìn)行解調(diào)后輸出A路頻率補(bǔ)償信號fCW-2給頻率控制單元，頻率控制單元對接收的A路頻率補(bǔ)償信號fCW-2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器A、電壓變換電路后輸出電壓信號fCW-3給光源；數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)字信號fCCW-1進(jìn)行解調(diào)后輸出B路頻率補(bǔ)償信號fCCW-2給閉環(huán)反饋單元，閉環(huán)反饋單元對接收的B路頻率補(bǔ)償信號fCCW-2經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器B、模擬放大器后輸出斜波信號fCCW-3給第二相位移頻器；數(shù)字信號處理器產(chǎn)生一系統(tǒng)工作的同步時鐘信號fFB送至三角波信號發(fā)生器，作為三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生三角波調(diào)制信號fSJ的相位基準(zhǔn)，產(chǎn)生的三角波調(diào)制信號fSJ分別給第一相位移頻器和第二相位移頻器；溫度控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換器C首先讀取代表光源的實際溫度的電壓信號f0(簡稱實際溫度電壓f0)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實際溫度電壓信號fD0(簡稱數(shù)字溫度電壓fD0)輸出給數(shù)字信號處理器；所述數(shù)字溫度電壓fD0在數(shù)字信號處理器中經(jīng)調(diào)整后輸出對比信號fD1給數(shù)模轉(zhuǎn)換器C，所述對比信號fD1經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器C轉(zhuǎn)換后輸出代表設(shè)定溫度的電壓信號f1給光源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置，其特征在于信號釆集單元A 和信號采集單元B的電路結(jié)構(gòu)相同，頻率控制單元的電路結(jié)構(gòu)與閉環(huán)反饋單元的 電路結(jié)構(gòu)相同；電路的聯(lián)接為FPGA處理器U1的B8端、El端、E2端、Dl 端、D2端、Cl端、B4端、B5端、A5端、B6端、A6端、B7端、A7端分別 與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U2的2端、7端 14端、17端 20端相聯(lián)；F2端與信 號采集單元A中比較器U6的7端相聯(lián)；A9端、A10端、B10端、Al 1端、Bl 1 端、A12端、B12端、B13端、C16端、D15端、D16端、E15端、E16端 與數(shù)模轉(zhuǎn)換器B芯片相聯(lián)；F16端與信號采集單元B中的比較器相聯(lián)；R8端、 Ll端、L2端、Ml端、M2端、Nl端、N2端、Pl端、T3端、R4端、T4端、 R5端、T5端、R6端、T6端、R7端、T7端分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U15的 26端、14端 1端、28端、27端相聯(lián)；T9端、R9端、TIO端、RIO端、Tl 1 端、Rll端、T12端、R12端、R13端、T14端、P16端、N15端、N16端、 M15端、M16端、L15端、L16端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器B芯片聯(lián)接；Hl端、Gl端、 Fl端和H2端分別與溫度控制單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器C芯片Ul 1的13端、15端、 2端和14端相聯(lián)，R14和G2端與溫度控制單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器C芯片Ul 1的1 端相聯(lián)，Kl端、Jl端和J2端分別與溫度采集單元的禾莫數(shù)轉(zhuǎn)換器C芯片U14的 5端、4端和7端相聯(lián)；P15端、C2端、A2端、P13端、T13端分別與下載芯 片U1 —l的43端、31端、10端、40端、13端相聯(lián)，R14端和G2端與下載 芯片U1 —1的15端相聯(lián)；A8端與晶體振蕩器U1 — 2的3端相聯(lián)；T8端與三 角波發(fā)生器芯片U7的13端相聯(lián)；K15端為陀螺信息輸出端；N13端、N4端、 M12端、M5端、E12端、E5端、D13端、D4端接1.5V電源；F8端、F7 端、E8端、F10端、F9端、E9端、H12端、Hll端、Gll端、Kll端、J12 端、Jll端、M9端、L10端、L9端、M8端、L8端、L7端、K6端、J6端、 J5端、H6端、H5端、G6端、Bl端、B16端、Rl端、R16端接3.3V電源； G7端、G8端、G9端、G10端、H7端、H8端、H9端、H10端、J7端、J8 端、J9端、J10端、K7端、K8端、K9端、KIO端、L6端、Lll端、P3端、 P14端、R2端、R15端、Tl端、T16端、R3端、P2端、T2端、Al端、A16 端、B2端、B15端、C3端、C14端、F6端、Fll端數(shù)字接地；6端、18端、 28端、41端分別與數(shù)字地聯(lián)接，8端、16端、17端、26端、35端、36端、 38端分別接3.3V電源，31端經(jīng)電阻R74后與3.3V電源聯(lián)接，8端與13端之 間串聯(lián)有電阻R89， 8端與15端之間串聯(lián)有電阻R88;第一探測器輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)濾波電路后與運(yùn)算放大器U3的3端相聯(lián)，濾波電 路由電容C40、電阻R26、電阻R20、電容C48構(gòu)成，電容C40的一端與第一探 測器的輸出端連接，電容C40的另一端與電阻R26的2端聯(lián)接，電阻R26的1端 接模擬地，電阻R26的2端與電阻R20的1端聯(lián)接，電阻R20的2端與電阻R21 的1端聯(lián)接，電阻R21的2端與運(yùn)算放大器U3的3端聯(lián)接，電阻R20的2端與 電阻R21的1端之間接有電容C48，電容C48的另一端接模擬地；運(yùn)算放大器U3的1端經(jīng)電阻R13后與差分運(yùn)算放大器U4的1端聯(lián)接，2端經(jīng)電阻R25后接模擬 地，且電容C50、電阻R7并聯(lián)后聯(lián)接在1端與2端之間；4端與一5V電源聯(lián)接； 8端與+ 5V電源聯(lián)接；差分運(yùn)算放大器U4的2端依次通過電阻R13、電阻R19 接模擬地；2端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的24端聯(lián)接；8端經(jīng)電阻R4后接模擬 地；3端與+ 5V電源聯(lián)接；5端經(jīng)電阻R8后與模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的30端聯(lián) 接，電容C2與電阻R3并聯(lián)后聯(lián)接在8端與5端之間；4端經(jīng)電阻R15后與模數(shù) 轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的29端聯(lián)接，且電容C43、電阻R18并聯(lián)后聯(lián)接在4端與1 端之間；6端與—5V電源聯(lián)接；模數(shù)轉(zhuǎn)換器A的芯片U2的4端經(jīng)電阻R27后接模 擬地；15端接數(shù)字地，16端接2.5V電源；22端經(jīng)電阻R2接模擬地，且經(jīng)電阻 Rl接3V電源；23端接模擬地；25端經(jīng)電容C5后接模擬地，26端經(jīng)電容C17 后接模擬地，且電容C15與電容C16并聯(lián)后接在25端與26端之間；27端接3V 電源，28端接模擬地；31端接模擬地，32端接3V;三角波信號發(fā)生芯片U7的1端通過電阻R53與10端聯(lián)接;8端與12端聯(lián)接， 且電阻R54與電容C171串聯(lián)后與電阻R73并聯(lián)接在8端與模擬地之間；5端經(jīng)電 容C166接模擬地；2端、4端、6端、7端、9端、11端和18端接模擬地；15 端接數(shù)字地；19端通過電阻R70與一級運(yùn)算放大器U9的2端聯(lián)接；20端與-5V 電源聯(lián)接；3端和17端與+5V電源聯(lián)接；16端與數(shù)字電源+5VD聯(lián)接； 一級運(yùn)算 放大器U9的3端通過電阻R68接模擬地；電阻R72聯(lián)接在1端與2端之間，電 容C160與電阻R51串聯(lián)后與R69并聯(lián)并聯(lián)接在1端與二級運(yùn)算放大器的2端；4 端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；二級運(yùn)算放大器U8的2端通過電阻R52 與6端聯(lián)接，且調(diào)制信號經(jīng)6端分別輸出給第一相位調(diào)制器和第二相位調(diào)制器；3 端通過電阻R71接模擬地；4端與-15V電源聯(lián)接；7端與+15V電源聯(lián)接；直流穩(wěn)壓芯片U10的2端與+5V電源聯(lián)接；4端接t莫擬地；6端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器 C芯片Ul 1的7端和8端聯(lián)接，6端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器C芯片U14的1端聯(lián)接；數(shù)模 轉(zhuǎn)換器C芯片Ul 1的4端通過電阻R57與運(yùn)算放大器A芯片U12的3端相聯(lián)；5 端通過電阻R58與運(yùn)算放大器B芯片U13的3端相聯(lián)；電阻R63與電容C124串 聯(lián)在ll端和模擬地之間；3端、10端與+5V電源聯(lián)接；9端、12端接模擬地；數(shù) 模轉(zhuǎn)換器C輸出的溫度控制信號經(jīng)6端給光源；運(yùn)算放大器A芯片U12的3端通 過電容C112接模擬地；2端通過電阻R61接模擬地，電阻R59和電容C120并聯(lián) 后接在2端與1端之間；1端通過電阻R22與數(shù)模轉(zhuǎn)換器A芯片U15的16端相聯(lián)， 電容C46和電容C47并聯(lián)后接在1端和模擬地之間；4端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；運(yùn)算放大器B芯片U13的3端通過電容CI 13接模擬地；2端通過 電阻R62接模擬地，電阻R60和電容C121并聯(lián)后接在2端與1端之間；1端與 數(shù)模轉(zhuǎn)換器B芯片相聯(lián)；4端與-5V電源聯(lián)接；8端與+5V電源聯(lián)接；模數(shù)轉(zhuǎn)換器C 芯片U14的2端與光源連接，3端接模擬地；6端接數(shù)字地；8端與+5V電源聯(lián)接； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器A的19端通過電阻RIO與一級運(yùn)算放大器U16的3端聯(lián)接，且經(jīng) 電阻R5接模擬地；20端通過電阻R14與一級運(yùn)算放大器U16的2端聯(lián)接，且經(jīng) 電阻R17接模擬地；電容C33聯(lián)接在19端與20端之間；24端接數(shù)字地；17端、 18端接模擬地；15端經(jīng)電容C45接模擬地；21端通過電容C9與-5V電源聯(lián)接； 22端通過電容C8與-5V電源聯(lián)接；23端與-5V電源聯(lián)接；25端與+5V電源聯(lián)接； 一級運(yùn)算放大器U16的3端通過電阻R6接模擬地；5端通過電阻R9接模擬地； 電阻R23接在2端與1端之間；電阻R12接在1端和6端之間；電阻R24接在6 端和7端之間；7端通過電阻R11與二級運(yùn)算放大器U17的2端聯(lián)接；4端接-5V 電源；8端接+5V電源；二級運(yùn)算放大器U17的3端通過電阻R16接模擬地；電 阻R55接在2端與6端之間；6端與光源連接；4端與-15V電源相聯(lián)；7端與+15V 電源聯(lián)接。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置，其特征在于模數(shù)轉(zhuǎn)換器A、模數(shù)轉(zhuǎn)換器B采用AD系列或LTC系列的12位髙速A/D;模數(shù)轉(zhuǎn)換器C采用AD系列或LTC系列串行A/D;數(shù)模轉(zhuǎn)換器A、數(shù)模轉(zhuǎn)換器B采用AD系列或LTC系列的16位D/A;數(shù)模轉(zhuǎn)換器C采用AD系列或LTC系列串行D/A;第一前置放大器、第二前置放大器、電壓變換電路和模擬放大器都采用AD系列的運(yùn)算放大器；三角波發(fā)生電路釆用MAX系列通用信號發(fā)生芯片或自搭三角波生成電路； 光源采用可調(diào)諧窄線寬激光光源，具有溫度讀取和溫度設(shè)定端口、 PZT調(diào)節(jié)端 口控制光源出射光頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微光學(xué)陀螺的調(diào)制解調(diào)和反饋控制裝置，由電源電路單元、數(shù)字信號處理器、信號采集單元A、信號采集單元B、三角波信號發(fā)生器、閉環(huán)反饋單元、頻率控制單元和溫度控制單元組成。本發(fā)明采用基于三角波的雙頻率調(diào)制解調(diào)和頻率控制電壓、溫度同時反饋，順逆時針雙路閉環(huán)檢測控制方式。該調(diào)制解調(diào)技術(shù)使載體角速度引起諧振腔中順逆時針傳播的光束的諧振頻率差轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓差，通過該轉(zhuǎn)換間接測量載體的角速度。
文檔編號G01C19/72GK101149265SQ20071017737
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者馮麗爽, 劉惠蘭, 張春熹, 杜哲峰, 洪靈菲, 馬迎建 申請人:北京航空航天大學(xué)