CN100498223C - 具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路，所述前置放大电路接收光电探测器输出的光强电压信息，并对其进行放大、滤波处理后输出给数字信号处理器；其由差分放大器、运算放大器和12位并行AD转换器组成；所述调制输出电路接收由数字信号处理器输出的数字调制信息，并对其进行放大后输出给波导调制器；其由16位并行DA转换器、10位串行DA转换器、基准电压源、差分放大器和运算放大器组成。本发明调制输出电路输出的阶梯波电压范围为0V～±4V。特有的双差分式电流电压转换电路设计。直接将DA输出的差分电流信号转化为差分输出的电压信号，无其它中间环节，节约了器件，扩大了动态范围，降低了噪声引入。

Description

具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路

技术领域

本发明涉及一种前置放大和驱动电路，更特别地说，是指一种具有信号差分传输和放大能力的光纤陀螺前置放大和调制驱动电路。

背景技术

现有的光纤陀螺用前置放大电路大多采用单端放大的形式，使用一级或几级运算放大器对PIN的输出信号进行单端放大后传输给AD转换器，转化为数字信号，经过数字信号处理后，由DA转换器将调制信号转化为模拟阶梯波信号，使用多级运算放大器转换为差分信号输出给调制器。这种电路使用的器件较多，电路复杂，功耗较大，模拟信号的放大和传输经过的器件较多，其中容易引入噪声；且由于较多的采用了单端放大方式，使得放大倍数需要比差分放大时增加一倍，而且没有充分的利用现有AD转换器和DA转换器的性能，共膜噪声较大。

使用这种前置放大和调制驱动电路使光纤陀螺具有较大的体积和功耗，使用的元器件较多；由于模拟电路部分噪声较大，AD转换器输入端的共膜噪声没有得到有效抑制，信号处理过程中需要更多的数字滤波器，增加了数字信号处理难度。由于调制阶梯波输出使用了单端方式，使模拟电路放大能力受到限制，增加了驱动放大电路的负担，容易使陀螺输出阶梯波产生偏移。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有信号差分传输和放大能力的光纤陀螺前置放大和调制驱动电路，这种电路属于光纤陀螺信号处理电路。将光纤陀螺中PIN的输出信号进行一级差分放大和隔直滤波。经过AD转换器后进行数字信号处理，由DA转换器将调制信号转化为模拟阶梯波信号，使用一级差分放大器转换为差分阶梯波信号输出给调制器。

本发明是一种具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路，所述前置放大电路接收光电探测器输出的光强电压信息，并对其进行放大、滤波处理后输出给数字信号处理器；其由A差分放大器、A运算放大器和12位并行AD转换器组成；所述调制输出电路接收由数字信号处理器输出的数字调制信息，并对其进行放大后输出给波导调制器；其由16位并行DA转换器、10位串行DA转换器、B差分放大器和B运算放大器组成。

在光纤陀螺的检测电路的前置放大电路中，光电探测器输出PIN_OUTPUT信号给高通隔直滤波电路，在叠加由12位并行AD转换器产生的直流抬高电压后，由A差分放大器进行差分放大，差分放大的输出信号进行低通滤波后传输至12位并行AD转换器进行模数转换，生成数字信号输出。同时PIN_OUTPUT信号经过低通滤波和叠加抬高电平后由PIN(光电探测器)输出电压检测放大电路进行放大，然后输出给光功率检测电路。

在光纤陀螺的检测电路的调制输出电路中，16位并行DA转换器将接收的光纤陀螺数字信号输出进行DA转换，变为差分输出的电流信号，经过差分流压转换电路进行流压转换后，由差分放大电路进行差分放大，放大器输出信号由差分低通滤波电路进行低通滤波后形成光纤陀螺调制信号输出；由基准电压产生电路向16位并行DA转换器提供基准电压，包括基准电压源、10位串行DA转换器和驱动放大电路。10位串行DA转换器接收光纤陀螺数字信号输入提供的数字基准电压信号，根据基准电压源的输出电平产生基准电压，经过驱动放大电路后输出给16位并行DA转换器的基准电压输入端。

本发明前置放大和调制驱动电路的优点在于：(1)PIN输出信号直接转换为差分信号输入至12位并行AD转换器，大大降低了共膜噪声，减少了功耗和器件数量。

(2)输出阶梯波电压范围从OV到±4V，输出调整范围大。(3)特有的双差分式电流电压转换电路设计。直接将16位并行DA转换器输出的差分电流信号转化为差分输出的电压信号，无其它中间环节，节约了器件，扩大了动态范围，降低了噪声引入。

(4)具有PIN输出信号检测电路，可以对陀螺光路状态进行检测，便于对陀螺光路器件进行补偿控制。

附图说明

图1是光纤陀螺中检测电路的结构简图。

图2是本发明中前置放大电路的结构框图。

图3是本发明中调制输出电路的结构框图。

图4A是本发明中前置放大电路的电路原理图。

图4B是本发明中调制输出电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路，属于光纤陀螺中的检测电路部分。检测电路一般包括前置放大电路、数字信号处理器、光功率检测电路、调制输出电路(请参见图1所示)，前置放大电路接收光电探测器输出的光强电压信息，并对其进行放大、滤波处理后输出给数字信号处理器；调制输出电路接收由数字信号处理器输出的数字调制信息，并对其进行放大后输出给波导调制器。光功率检测电路实现对光路性能的监测。

请参见图2所示，本发明中的前置放大电路是一种具有信号差分放大和传输能力的光纤陀螺用前置放大电路，该电路同时具有PIN输出信号的监测能力。本发明中的前置放大部分由A差分放大器、A运算放大器和12位并行AD转换器组成。光电探测器输出PIN_OUTPUT信号给高通隔直滤波电路，在叠加由12位并行AD转换器产生的直流抬高电压后，由A差分放大器进行差分放大，差分放大的输出信号进行低通滤波后传输至12位并行AD转换器进行模数转换，生成数字信号输出。同时PIN_OUTPUT信号经过低通滤波和叠加抬高电平后由PIN(光电探测器)输出电压检测放大电路进行放大，然后输出给光功率检测电路。

请参见图3所示，本发明中的调制输出电路是一种具有信号整体差分流压转换和放大能力的光纤陀螺用阶梯波驱动放大电路，由16位并行DA转换器、10位串行DA转换器、B差分放大器和B运算放大器组成。16位并行DA转换器将接收的光纤陀螺数字信号输出进行DA转换，变为差分输出的电流信号，经过差分流压转换电路进行流压转换后，由差分放大电路进行差分放大，B差分放大器输出信号由差分低通滤波电路进行低通滤波后形成光纤陀螺调制信号输出；由基准电压产生电路向16位并行DA转换器提供基准电压，包括基准电压源、10位串行DA转换器和驱动放大电路。10位串行DA转换器接收光纤陀螺数字信号输入提供的数字基准电压信号，根据基准电压源的输出电平产生基准电压，经过驱动放大电路后输出给16位并行DA转换器的基准电压输入端。

请参见图4A所示，本发明中的前置放大电路的各端子连接为：光纤陀螺的PIN输出信号PIN_OUTPUT端与高通滤波电容C1连接，经过高通滤波后，信号经过电阻R2传输至A差分放大器U1的8端；12位并行AD转换器U2产生的抬高电平XADVREF信号被直接连接至A差分放大器U1的2端，XADVREF信号经过电阻R7后被连接到A差分放大器U1的1端，XADVREF信号与地之间接有滤波电容C7；A差分放大器U1的8端与5端之间并联有电阻R3和电容C9，A差分放大器U1的1端与4端之间并联有电阻R10和电容C10；A差分放大器U1的3端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C11，A差分放大器U1的6端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C12；A差分放大器U1的5端与12位并行AD转换器U2的9端直接连接有电阻R5，同时12位并行AD转换器U2的9端与地之间接有滤波电容C2，U1的4端与AD转换器的10端直接连接有电阻R13，同时12位并行AD转换器U2的10端与地之间接有滤波电容C14；U2的2端接+3.3V，3端接地，4端输出抬高电平XADVREF信号，5端经过电容C20与地连接，5端经过电容C19与地连接，5端和6端之间并联有电容C16、C17，7端和12端接+3.3V，8端、11端和14端接地，13端接输入时钟信号XAD，23端接地，24端接+3.3V，24端与23端并连有电容C21和C24，U2的15端、16端、17端、18端、19端、20端、21端、22端、25端、26端、27端和28端分别连接输出信号XADDTO～XADDT11。光纤陀螺的PIN输出信号PIN_OUTPUT与A运算放大器U3的2端之间串联有电阻R4和R8，在R4、R8和地之间连有滤波电容C25，U3的2端与1端之间并联有电阻R9和电容C26，U3的3端与外来抬高电平信号XGK间连有电阻R6，U3的3端与地之间连有电容C8；U3的8端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C18，U3的4端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C13；U3的1端通过电阻R14接输出信号GKA_OUT，输出信号GKA_OUT与地之间接滤波电容C22。

请参见图4B所示，本发明中的调制输出电路中各端子的连接为：数字信号XDADT15～XDADT0从16位并行DA转换器U4的27端、28端和1端～14端输入，时钟信号XDA从U4的26端输入，U4的25端接+5V供电电压，+5V供电电压与地之间并联有电容C33和C40，U4的24端接地，23端接-5V供电电压，-5V供电电压与地之间并联有电容C32和C39，U4的22端与-5V供电电压有电容C31连接，U4的21端与-5V供电电压有电容C38连接，U4的20端与B差分放大器U5的8端连接，U4的20端与地间接有电阻R22，U4的19端与B差分放大器U5的1端连接，U4的19端与地间接有电阻R21，U4的18端和17端接地，U4的16端通过电阻R26与基准电压信号XADVREF连接，基准电压XADVREF与地并联有电容C35和C36，U4的15端通过电容C37与地连接。B差分放大器U5的2端接地，8端与5端之间并联有电阻R41和电容C34，1端与4端之间并联有电阻R42和电容C41；U5的3端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C42，U5的6端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C43；U5的5端通过电阻R45与输出端XJTB1相连，输出端XJTB1与地之间接有滤波电容C51，U5的4端通过电阻R44与输出端XJTB2相连，输出端XJTB2与地之间接有滤波电容C52。基准电压源JP1的1端和2端接+5V供电电平，5端接地，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C44，JP1的3端和4端接10位串行DA转换器U6的7端和8端，U6的7端和8端与地之间接有滤波电容C47，U6的1端接输入数字控制信号XDONE，U6的2端接输入数字控制信号XLDDA，U6的3端和10端接+5V供电电平，U6的15端接输入数字控制信号XLDREG，U6的14端接输入时钟信号XLDCLK，U6的13端接输入数字控制信号XSDI，U6的12端和9端接地，U6的4端通过电阻R23与B运算放大器U7的3端相连，U7的3端与地之间接有滤波电容C48，U7的2端与地之间接有电阻R25，U7的2端与1端之间并联有电阻R24和电容C49，U7的8端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C53，U7的4端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C50；U7的1端输出基准电压信号XADVREF至电阻R26。

在本发明中的前置放大部分，差分运算放大器对输出电压计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{V5-V8}{R3}=\frac{V8-\mathrm{VIP}}{R2}\\ \frac{V4-V1}{R10}=\frac{V1-\mathrm{VIN}}{R7}\\ V1=V8\\ \mathrm{VIP}=\mathrm{HPF}\left(V_{\mathrm{PIN}\_\mathrm{OUT}}\right)\\ \mathrm{VIN}=V_{\mathrm{XADVREF}}\end{array}\right.$

其中，V_{PIN_OUT}表示外来的光纤陀螺PIN输出信号PIN_OUTPUT，HPF(V_{PIN_OUT})表示对PIN_OUTPUT信号进行隔直滤波；V_XADVREF表示12位并行AD转换器U2产生的1V抬高电平。

在本发明中的前置放大部分，电压检测放大电路对输出电压计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{VI}=\mathrm{LPF}\left(V_{\mathrm{PIN}\_\mathrm{OUTPUT}}\right)\\ \frac{\mathrm{VI}-V2\_1}{R8}=\frac{V2\_1-V1\_1}{R9}\\ V2\_1=V_{\mathrm{XGK}}\end{array}\right.$

其中，V_{PIN_OUT}表示外来的光纤陀螺PIN输出信号PIN_OUTPUT，LPF(V_{PIN_OUT})表示对PIN_OUTPUT信号进行低通滤波；V_XGK表示外来抬高电平信号。

本发明的调制输出电路输出的阶梯波驱动放大电路对输出电压计算公式如下：

16位并行DA转换器U4的输出电压范围是±V，输出电流范围是0～10mA，当U4输入数字量为DAC__CODE时

IOUTA＝IOUTFS·(DAC_CODE/65536)

IOUTB＝IOUTFS·(65536-DAC_CODE)/65536

其中IOUTFS为两差分端的总输出电流 $\mathrm{IOUTFS}=8\frac{\mathrm{XADVREF}}{R26}=\mathrm{IOUTA}+\mathrm{IOUTB}$

1.1K是U4内部电阻。

可得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{IOUTA}=\frac{V5a-V8a}{R41}-\frac{V8a}{R22}+\frac{V8a}{1.1K}\\ \mathrm{IOUTB}=\frac{V4a-V1a}{R42}-\frac{V1a}{R21}+\frac{V1a}{1.1K}\\ \mathrm{IOUTA}+\mathrm{IOUTB}=8\frac{\mathrm{XADVREF}}{R26}\\ V1a=V8a\end{array}\right.$

采用本发明的阶梯波驱动放大电路输出电压信号时，由16位并行DA转换器U4输出最大数字值，调节10位串行DA转换器U6提供的基准电压信号，输出端JTB1和输出端JTB2输出的电压值如表1：

表1  阶梯波驱动放大电路输出电压表

 

U6输入数字值	U4参考电压XDAVREF(单位：V)	V8(V1)(单位：V)	VJTB1VJTB2(单位：V)
				180	0.36	-0.30	±0.50
280	0.59	-0.48	±0.78
				380	0.80	-0.66	±1.08

 

480	1.02	-0.84	±1.40
				580	1.24	-1.02	±1.70
680	1.44	-1.22	±2.00
				780	1.66	-1.38	±2.30
880	1.86	-1.60	±2.60
				980	2.06	-1.78	±2.90
A80	2.28	-1.96	±3.20
				B80	2.50	-2.14	±3.50
C80	2.72	-2.32	±3.80
				CC0	2.90	-2.50	±4.02

其中，VJTB1和VJTB2表示输出端JTB1和JTB2输出的电压值。由上表可知，可以达到输出电压范围为0V～±4V的设计目标。

Claims (2)

1、一种具有信号差分放大的光纤陀螺前置放大和调制输出电路，其特征在于：

所述前置放大电路接收光电探测器输出的光强电压信息，并对其进行放大、滤波处理后输出给数字信号处理器；其由A差分放大器U1、A运算放大器U3和12位并行AD转换器U2组成；

所述调制输出电路接收由数字信号处理器输出的数字调制信息，并对其进行放大后输出给波导调制器；其由16位并行DA转换器U4、10位串行DA转换器U6、B差分放大器U5和B运算放大器U7组成；

所述的前置放大电路的各端子连接为，光纤陀螺的PIN输出信号PIN_OUTPUT端与高通滤波电容C1连接，经过高通滤波后，信号经过电阻R2传输至A差分放大器U1的8端；12位并行AD转换器U2产生的抬高电平XADVREF信号被直接连接至A差分放大器U1的2端，XADVREF信号经过电阻R7后被连接到A差分放大器U1的1端，XADVREF信号与地之间接有滤波电容C7；

A差分放大器U1的8端与5端之间并联有电阻R3和电容C9，1端与4端之间并联有电阻R10和电容C10；3端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C11，6端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C12；5端与U2的9端直接连接有电阻R5，同时U2的9端与地之间接有滤波电容C2，U1的4端与U2的10端之间连接有电阻R13，同时U2的10端与地之间接有滤波电容C14；

12位并行AD转换器U2的2端接+3.3V，3端接地，4端输出抬高电平XADVREF信号，5端经过电容C20与地连接，6端经过电容C19与地连接，5端和6端之间并联有电容C16、C17，7端和12端接+3.3V，8端、11端和14端接地，13端接输入时钟信号XAD，23端接地，24端接+3.3V，24端与23端并连有电容C21和C24，15端、16端、17端、18端、19端、20端、21端、22端、25端、26端、27端和28端分别连接输出信号XADDTO～XADDT11；

光纤陀螺的PIN输出信号PIN_OUTPUT与A运算放大器U3的2端之间串联有电阻R4和R8，在R4、R8和地之间连有滤波电容C25，U3的2端与1端之间并联有电阻R9和电容C26，3端与外来抬高电平信号XGK间连有电阻R6，3端与地之间连有电容C8；8端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C18，4端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C13；1端通过电阻R14接输出信号GKA_OUT，输出信号GKA_OUT与地之间接滤波电容C22；

所述的调制输出电路中各端子的连接为：数字信号XDADT15～XDADTO从16位并行DA转换器U4的27端、28端和1端～14端输入，时钟信号XDA从U4的26端输入，U4的25端接+5V供电电压，+5V供电电压与地之间并联有电容C33和C40，24端接地，23端接-5V供电电压，-5V供电电压与地之间并联有电容C32和C39，22端与-5V供电电压有电容C31连接，21端与-5V供电电压有电容C38连接，20端与B差分放大器U5的8端连接，20端与地间接有电阻R22，19端与B差分放大器U5的1端连接，19端与地间接有电阻R21，18端和17端接地，16端通过电阻R26与基准电压信号XADVREF连接，基准电压XADVREF与地并联有电容C35和C36，15端通过电容C37与地连接；

B差分放大器U5的2端接地，8端与5端之间并联有电阻R41和电容C34，1端与4端之间并联有电阻R42和电容C41；3端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C42，6端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C43；5端通过电阻R45与输出端XJTB1相连，输出端XJTB1与地之间接有滤波电容C51，4端通过电阻R44与输出端XJTB2相连，输出端XJTB2与地之间接有滤波电容C52；

基准电压源JP1的1端和2端接+5V供电电平，5端接地，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C44，3端和4端接10位串行DA转换器U6的7端和8端；

10位串行DA转换器U6的7端和8端与地之间接有滤波电容C47，1端接输入数字控制信号XDONE，2端接输入数字控制信号XLDDA，3端和10端接+5V供电电平，15端接输入数字控制信号XLDREG，14端接输入时钟信号XLDCLK，13端接输入数字控制信号XSDI，12端和9端接地，4端通过电阻R23与B运算放大器U7的3端相连；

B运算放大器U7的3端与地之间接有滤波电容C48，2端与地之间接有电阻R25，2端与1端之间并联有电阻R24和电容C49，8端接+5V供电电平，+5V供电电平与地之间接有滤波电容C53，4端接-5V供电电平，-5V供电电平与地之间接有滤波电容C50，1端输出基准电压信号XADVREF至电阻R26。

2、根据权利要求1所述的前置放大和调制输出电路，其特征在于：调制输出电路输出的阶梯波电压范围为0V～±4V。

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