CN107153139A - 一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明的光纤陀螺用检测电路噪声特性测试方法，解决了光纤陀螺用检测电路调试过程中，为了提高调试阶段的有效性，需要对检测电路板噪声特性进行测试的问题。该方法利用检测电路板的A/D转换模块和数字信号处理模块等内部硬件资源，利用光纤陀螺类似的差分信号解调方案，对前置放大滤波模块和D/A输出驱动模块的噪声特性进行测试，通过测试结果来评价检测电路板的噪声性能，提高检测电路板调试有效性，避免性能不合格电路板流入光纤陀螺整机装配生产中，保证了成品率。该方法也可用于光纤陀螺用检测电路的设计验证，指导光纤陀螺用检测电路设计方案的优化改进。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法。
背景技术
光纤陀螺作为角速度敏感元件，具有体积小，重量轻、精度高等特点，已经广泛应用于惯性测量技术领域。目前，成熟的干涉型光纤陀螺采用闭环反馈与信号调制解调相结合的检测电路方案。检测电路板是干涉式光纤陀螺仪的信号处理核心组件，一般包括前置放大滤波模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、D/A转换模块、D/A输出驱动模块和数字通信模块。在理想状态下，对于经过设计验证的检测电路板，工作性能由设计保证，噪声特性满足设计指标要求。然而，实际生产过程中，对于同一检测电路板设计方案，由于器件、生产工艺和管理控制等多方面因素，不同批次或者同一批次电路板之间的性能也会存在差异性。在批量生产的条件下，总会出现噪声特性指标不合格的产品。如果在电路板调试阶段，仅通过简单的阻抗测试和基本功能测试来判别电路板生产是否合格，无法排除因生产过程导致检测电路板噪声特性指标下降引起的不合格品，因此，没有有效的测试手段对检测电路板噪声特性进行测试，不合格的电路板就会流入光纤陀螺仪中，影响光纤陀螺仪产品的成品率，导致不必要的返修工作。
目前，光纤陀螺用检测电路板的调试内容主要包括电路板的绝缘性、电源阻抗和通信等基本功能测试，而没有针对检测电路板检测噪声特性的测试方案，只能将检测电路板装配到光纤陀螺仪整机上，进行整机的性能测试，才能确定检测电路板是否满足设计要求。不能测试光纤陀螺用检测电路板噪声特性，也对检测电路板的设计方案验证和生产工艺改进没有明确的指导作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何解决光纤陀螺用检测电路调试过程中，为了提高调试阶段的有效性，需要对检测电路板噪声特性进行测试的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法，包括以下步骤：
第1步：搭建检测电路板测试系统
该系统包括：直流稳压电源1、待测检测电路板2、测试设备3和测试计算机4，该系统中，在直流稳压电源1供电的条件下，待测检测电路板2将空载时内部前置放大滤波模块的噪声信号通过内部A/D转换模块转换为数字噪声信号，然后经内部数字信号处理模块解调出噪声数据，最后通过内部数字通信模块发送给测试设备3，测试设备3将噪声数据转发到测试计算机4，测试计算机4接收测试得到的解调数据；
第2步：设定噪声解调周期T
待测检测电路板2的噪声解调周期与光纤陀螺的解调周期相同，设光纤陀螺使用的光纤环长度为L，光纤陀螺的解调周期为其光纤环渡越时间τ的2倍，光纤环的渡越时间由公式(1)表示，待测检测电路板2噪声解调周期T也为光纤陀螺的光纤环渡越时间的2倍，由公式(2)计算得到；
其中，n代表光纤的折射率为1.54，L代表光纤陀螺光纤环长度，c代表真空中的光速，τ表示光纤陀螺用光纤环的渡越时间；
第3步：利用待测检测电路板2的数字信号处理模块实现噪声数据的差分解调，得到噪声原始数据；
具体方法如下：
数字信号处理模块产生A/D转换模块需要的采样时钟，周期为tAD，tAD＝T/2N，N为大于1的正整数，对检测电路板的前置滤波放大模块空载信号数据进行采样，将噪声解调周期平分为2个半周期，其中第一个半周期为正半周期、另一个半周期为负半周期，在正半周期共采样N次，选取其中的k个数据进行累加，0<k<N，采用公式(3)得到D+；同样，负半周期选取同样位置的k个采样数据，累加得到D_，按照公式(4)计算得到一个噪声解调周期内的噪声数据ΔD；
ΔD＝D+-D_ (4)
其中，k为周期选取的采样数据个数，Di为第i个采样数据，D+是解调正半周期k个数据累积和，D_为解调负半周期k个数据累积和，ΔD是一个噪声解调周期内的噪声数据；
设检测电路板的数字通信模块的通信周期为N’，将通信周期内的m个噪声解调周期的噪声数据ΔD1、ΔD2、ΔD3、﹒﹒﹒、ΔDm进行累积，用公式(5)得到累积的噪声原始数据ΔDC，通过数字通信模块发送到测试计算机，m＝N’/T；
其中，ΔDi是一个通信周期内，第i个噪声解调周期的噪声数据，ΔDC是一个通信周期累积到的噪声原始数据；
第4步：分析所述噪声原始数据，评价前置滤波放大模块的输出特性；
设测试时间为t，1秒内共采集到噪声原始数据个数为M，组成的数据集合为{ΔDCi，i＝1，2，3，…，M}，求第i秒的M个数据的均值为ΔDCi，按照公式(6)计算t秒测试时间内的测试数据均值按照公式(7)计算t个数据的标准差ΔDCM；
其中，t是测试时间(单位s)，ΔDCi是1秒内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCM是t内噪声测试数据的标准差；
用ΔDCM的大小评价检测电路板前置滤波放大模块的噪声特性；设置噪声均值和标准差ΔDCM的参考值范围，对检测电路板的前置滤波放大模块噪声特性是否满足要求进行评价；
第5步：设置方波信号，测试待测检测电路板2的综合噪声特性
把待测检测电路板2内部的D/A驱动输出模块与前置滤波放大模块的输入端连接，通过待测检测电路板2的数字信号处理模块，产生周期为T的方波信号，将该方波信号叠加到D/A输出驱动模块的噪声一起输入到前置放大滤波模块；
重复第3步，按照第4步中公式(7)计算噪声解调数据的标准差，然后设置标准差ΔDCM的参考值范围，对待测检测电路板2的噪声特性是否满足要求进行评价。
优选地，第4步中，若需要考核解调数据10秒噪声特性，则按照公式(8)、(9)分别计算10秒解调数据的均值和标准差，用与1s数据处理相同的方法进行评价；
其中，t是测试时间，ΔDCTi是10秒内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCTM是t内噪声10秒测试数据的标准差。
优选地，第5步中，还按照第4步中的公式(9)计算噪声解调数据的标准差，然后根据具体光纤陀螺对检测电路板综合噪声的要求，设置标准差ΔDCM的参考值范围，对电路板噪声特性是否满足要求进行评价。
(三)有益效果
本发明的光纤陀螺用检测电路噪声特性测试方法，解决了光纤陀螺用检测电路调试过程中，为了提高调试阶段的有效性，需要对检测电路板噪声特性进行测试的问题。该方法利用检测电路板的A/D转换模块和数字信号处理模块等内部硬件资源，利用光纤陀螺类似的差分信号解调方案，对前置放大滤波模块和D/A输出驱动模块的噪声特性进行测试，通过测试结果来评价检测电路板的噪声性能，提高了检测电路板调试有效性，避免了性能不合格电路板流入光纤陀螺整机装配生产中，保证了成品率。另外，该方法也可用于光纤陀螺用检测电路的设计验证，指导光纤陀螺用检测电路设计方案的优化改进。
附图说明
图1为光纤陀螺用检测电路板功能框图；
图2为本发明的检测电路板前置滤波放大电路噪声评估测试系统示意图；
图3为本发明的检测电路板前置滤波放大模块噪声解调原理图；
图4为本发明的检测电路板综合噪声性能评估测试系统示意图；
图5为本发明的检测电路板综合噪声性能解调原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
光纤陀螺用检测电路板功能框图所图1所示，包括前置放大滤波模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、D/A转换模块、D/A输出驱动模块和数字通信模块共6个模块。在光纤陀螺工作中，光纤陀螺光路产生的敏感信号经检测电路板的前置放大滤波模块进行放大滤波处理，传递给A/D转换模块，该A/D转换模块将输入的模拟敏感信号转换为数字信号，送到数字信号处理模块(例如FPGA)；数字信号处理模块按照光纤陀螺差分解调算法对输入的A/D转换信号进行解调，解调的数据通过数字通信模块发送到用户接口，同时该数字信号处理模块产生调制反馈数字信号，经过D/A转换模块转换为模拟反馈信号，最后经过D/A输出驱动模块进行放大滤波处理，产生调试反馈信号，对光纤陀螺光路进行调制反馈，完成光纤陀螺的调制解调。
由于设计和生产过程的缺陷，检测电路板不同模块之间会产生信号串扰等，信号处理过程会引入附加噪声。对于光纤陀螺，检测电路板的前置放大滤波模块和D/A输出驱动模块的附加差分噪声对光纤陀螺精度指标影响显著。通常，检测电路板调试环节，没有针对该两个模块的噪声测试手段，无法对检测电路板的噪声特性进行评价。
本发明提出了一种基于检测电路板内部硬件资源和差分解调算法的光纤陀螺用检测电路板的测试方法。如图2所示，该方法通过内部A/D转换模块将空载(无信号输入)情况下前置放大滤波模块的输出信号转换为数字信号，然后利用与差分解调类似的算法对该数字信号进行处理，并通过数字通信模块和测试设备传输到计算机。计算机对解调的数字噪声特性进行评价，进而评估检测电路板中前置放大滤波电路的噪声特性。
另外，利用检测电路板的数字信号处理模块产生与光纤陀螺调制周期相近的方波信号，通过D/A转换模块转换为模拟信号并经过D/A输出驱动模块输出，附加外部线缆与夹具，将该D/A输出驱动模块输出的信号引入到前置滤波放大模块的输入端，可以通过上述方法对前置滤波放大电路和D/A输出驱动电路的综合噪声特性进行评价。
本发明的实现步骤具体如下：
第1步：搭建电路板测试系统
按照如附图2所示，搭建光纤陀螺用检测电路板测试系统。该系统包括：直流稳压电源1、待测检测电路板2、测试设备3(为外部检测电路通用测试设备，也就是一个数据转发设备，可以是一块板卡)和测试计算机4。该系统能够实现如下功能：在直流稳压电源1供电的条件下，待测检测电路板2将空载(无输入)时内部前置放大滤波模块的噪声信号通过内部A/D转换模块转换为数字噪声信号，然后经过内部数字信号处理模块解调出噪声数据，最后通过内部数字通信模块发送给测试设备3，测试设备3将噪声数据转发到测试计算机4，测试计算机4将测试得到的解调数据并进行处理、显示和保存等操作。
第2步：设定噪声解调周期T
由于与光纤陀螺工作周期同步的噪声对光纤陀螺的零偏等性能影响最大。因此，检测电路板噪声解调噪声周期应与光纤陀螺的解调周期相同。光纤陀螺的解调周期与其本身的渡越时间有关。设光纤陀螺使用的光纤环长度为L，光纤陀螺的解调周期为其光纤环渡越时间τ的2倍，光纤环的渡越时间由公式(1)表示，检测电路板噪声解调周期T也为光纤陀螺的光纤环渡越时间的2倍，可以由公式(2)计算得到。
其中，n代表光纤的折射率为1.54，L代表光纤陀螺光纤环长度，c代表真空中的光速，τ表示光纤陀螺用光纤环的渡越时间。
第3步：采用差分解调算法解调噪声数据
利用待测检测电路板2的数字信号处理模块实现噪声数据的的差分解调，具体方法如下：
数字信号处理模块产生A/D转换模块需要的采样时钟(周期为tAD，tAD＝T/2N，N为大于1的正整数)，对待测检测电路板2的前置滤波放大模块(无信号输入)空载信号数据进行采样。如图3所示，将噪声解调周期平分为2个半周期，其中第一个半周期为正半周期、另一个半周期为负半周期。在正半周期共采样N次，选取其中的k(0<k<N)个数据进行累加，如公式(3)所示，得到D+；同样，负半周期选取同样位置的k个采样数据，累加得到D_。按照公式(4)计算得到一个噪声解调周期内的噪声数据ΔD。
ΔD＝D+-D_ (4)
其中，k为周期选取的采样数据个数，Di为第i个采样数据，D+是解调正半周期k个数据累积和，D_为解调负半周期k个数据累积和，ΔD是一个噪声解调周期内的噪声数据。
设待测检测电路板2的数字通信模块的通信周期为N’，将通信周期内的m(m＝N’/T)个噪声解调周期的噪声数据ΔD1、ΔD2、ΔD3、﹒﹒﹒、ΔDm进行累积，如公式(5)所示，得到累积的噪声原始数据ΔDC，通过数字通信模块发送到测试计算机4。
其中，ΔDi是一个通信周期内，第i个噪声解调周期的噪声数据，ΔDC是一个通信周期累积到的噪声原始数据。
第4步：分析所述噪声原始数据，评价前置滤波放大模块的输出特性
设测试时间为t(单位是秒)，1秒内共采集到噪声原始数据个数为M，组成的数据集合为{ΔDCi，i＝1，2，3，…，M}，求第i秒的M个数据的均值为ΔDCi，按照公式(6)计算t秒测试时间内的测试数据均值按照公式(7)计算t个数据的标准差ΔDCM。
其中，t是测试时间(单位s)，ΔDCi是1秒内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCM是t内噪声测试数据的标准差。
ΔDCM的大小可以用来评价待测检测电路板2的前置滤波放大模块的噪声特性。越大，表示前置滤波放大模块的固有零偏越大，ΔDCM越大，表示前置滤波放大模块的噪声越大。根据具体光纤陀螺对待测检测电路板2的前置滤波放大模块的要求，设置噪声均值和标准差ΔDCM的参考值范围，即可对待测检测电路板2的前置滤波放大模块噪声特性是否满足要求进行评价。
如果需要考核解调数据10秒(1σ(方差))噪声特性，按照公式(8)、(9)分别计算10秒解调数据的均值和标准差，用与1s数据处理相同的方法进行评价。
其中，t是测试时间，ΔDCTi是10s内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCTM是t内噪声10(1σ)测试数据的标准差。
第5步：设置方波信号，测试待测检测电路板2的综合噪声特性
假设前置放大电路噪声与D/A输出驱动模块噪声是加性噪声，按照如图4所示对“第1步”的测试系统进行改进，即把待测检测电路板2内部的D/A驱动输出模块与前置滤波放大模块的输入端连接。通过待测检测电路板2的数字信号处理模块，产生周期为T(噪声解调周期)、占空比为1：1、幅值为V(50mV～100mV)的方波信号。该方波信号将叠加D/A输出驱动模块的噪声一起输入到前置放大滤波模块。
重复第3步，按照第4步中公式(7)和公式(9)计算噪声解调数据的标准差，然后根据具体光纤陀螺对待测检测电路板2的综合噪声的要求，设置标准差ΔDCM的参考值范围，即可对待测检测电路板2的噪声特性是否满足要求进行评价。
可以看出，与传统的光纤陀螺用检测电路板调试方法相比较，本发明采用差分解调算法，对检测电路的噪声性能进行测试，可有效筛出噪声性能不合格的电路板，提高了光纤陀螺用检测电路板调试的针对性和有效性。本发明既可以在电路板无输入状态下，完成前置滤波放大模块噪声特性单独测试，也可以通过检测电路板内部软硬件资源产生测试用方波信号，由D/A输出驱动模块输出，并输入到前置滤波放大模块，完成电路板综合噪声性能测试，满足电路板噪声问题分类排查的需要，更有针对性的指导电路板的优化设计。本发明采用的噪声解调周期与光纤陀螺的解调周期一致，可以检测出对光纤陀螺性能影响较大的陀螺同频噪声，测试针对性更强。本发明的光纤陀螺用检测电路板的测试方法可以用于测试不同温度等条件下检测电路的噪声特性，对检测电路板的噪声特性的温度相关性等进行测试。本发明采用噪声数据采集和处理方法可以通过测试计算机软件自动完成，使用简单，并且可以通过增加测试时间，减小测量误差。
综上，本发明利用光纤陀螺用检测电路板的内部硬件资源、附加外部检测电路通用测试设备，即可完成影响检测电路板主要性能的前置滤波放大模块和D/A输出驱动模块噪声性能测试，具有方法简单、针对性强、成本低的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
第1步：搭建检测电路板测试系统
该系统包括：直流稳压电源(1)、待测检测电路板(2)、测试设备(3)和测试计算机(4)，该系统中，在直流稳压电源(1)供电的条件下，待测检测电路板(2)将空载时内部前置放大滤波模块的噪声信号通过内部A/D转换模块转换为数字噪声信号，然后经内部数字信号处理模块解调出噪声数据，最后通过内部数字通信模块发送给测试设备(3)，测试设备(3)将噪声数据转发到测试计算机(4)，测试计算机(4)接收测试得到的解调数据；
第2步：设定噪声解调周期T
待测检测电路板(2)的噪声解调周期与光纤陀螺的解调周期相同，设光纤陀螺使用的光纤环长度为L，光纤陀螺的解调周期为其光纤环渡越时间τ的2倍，光纤环的渡越时间由公式(1)表示，待测检测电路板(2)噪声解调周期T也为光纤陀螺的光纤环渡越时间的2倍，由公式(2)计算得到；
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其中，n代表光纤的折射率为1.54，L代表光纤陀螺光纤环长度，c代表真空中的光速，τ表示光纤陀螺用光纤环的渡越时间；
第3步：利用待测检测电路板(2)的数字信号处理模块实现噪声数据的差分解调，得到噪声原始数据；
具体方法如下：
数字信号处理模块产生A/D转换模块需要的采样时钟，周期为tAD，tAD＝T/2N，N为大于1的正整数，对检测电路板的前置滤波放大模块空载信号数据进行采样，将噪声解调周期平分为2个半周期，其中第一个半周期为正半周期、另一个半周期为负半周期，在正半周期共采样N次，选取其中的k个数据进行累加，0<k<N，采用公式(3)得到D+；同样，负半周期选取同样位置的k个采样数据，累加得到D-，按照公式(4)计算得到一个噪声解调周期内的噪声数据ΔD；
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ΔD＝D+-D- (4)
其中，k为周期选取的采样数据个数，Di为第i个采样数据，D+是解调正半周期k个数据累积和，D_为解调负半周期k个数据累积和，ΔD是一个噪声解调周期内的噪声数据；
设检测电路板的数字通信模块的通信周期为N’，将通信周期内的m个噪声解调周期的噪声数据ΔD1、ΔD2、ΔD3、﹒﹒﹒、ΔDm进行累积，用公式(5)得到累积的噪声原始数据ΔDC，通过数字通信模块发送到测试计算机，m＝N’/T；
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其中，ΔDi是一个通信周期内，第i个噪声解调周期的噪声数据，ΔDC是一个通信周期累积到的噪声原始数据；
第4步：分析所述噪声原始数据，评价前置滤波放大模块的输出特性；
设测试时间为t，1秒内共采集到噪声原始数据个数为M，组成的数据集合为{ΔDCi，i＝1，2，3，…，M}，求第i秒的M个数据的均值为ΔDCi，按照公式(6)计算t秒测试时间内的测试数据均值按照公式(7)计算t个数据的标准差ΔDCM；
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其中，t是测试时间，ΔDCi是1秒内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCM是t内噪声测试数据的标准差；
用ΔDCM的大小评价检测电路板前置滤波放大模块的噪声特性；设置噪声均值和标准差ΔDCM的参考值范围，对检测电路板的前置滤波放大模块噪声特性是否满足要求进行评价；
第5步：设置方波信号，测试待测检测电路板(2)的综合噪声特性
把待测检测电路板(2)内部的D/A驱动输出模块与前置滤波放大模块的输入端连接，通过待测检测电路板(2)的数字信号处理模块，产生周期为T的方波信号，将该方波信号叠加到D/A输出驱动模块的噪声一起输入到前置放大滤波模块；
重复第3步，按照第4步中公式(7)计算噪声解调数据的标准差，然后设置标准差ΔDCM的参考值范围，对待测检测电路板2的噪声特性是否满足要求进行评价。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第4步中，若需要考核解调数据10秒噪声特性，则按照公式(8)、(9)分别计算10秒解调数据的均值和标准差，用与1s数据处理相同的方法进行评价；
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其中，t是测试时间，ΔDCTi是10秒内噪声原始数据的均值，是测试时间t内噪声测试数据的均值，ΔDCTM是t内噪声10秒测试数据的标准差。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第5步中，还按照第4步中的公式(9)计算噪声解调数据的标准差，然后根据具体光纤陀螺对待测检测电路板(2)综合噪声的要求，设置标准差ΔDCM的参考值范围，对待测检测电路板(2)噪声特性是否满足要求进行评价。
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