CN109579690A - 一种用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置 - Google Patents

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孙拓
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Abstract

本发明公开了一种用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，基准源和一级放大器分别连接快反镜稳像系统反馈元件，由基准源为快反镜稳像系统反馈元件提供稳定的激励源，快反镜稳像系统反馈元件反馈角位移信号依次进行以下处理：一级放大器进行21倍放大，二级放大器进行41倍放大，低通滤波器进行电容滤波，差分放大器进行1.1倍放大，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，信号隔离模块将数字信号和模拟信号进行隔离，数据处理模块一方面对数字信号进行处理运算并通过通讯接口模块与外部设备进行信息交互，另一方面产生模数转换器所需的控制信号，对模数转换器进行参数设置。本发明有力保证系统稳定精度和跟踪精度。

Description

一种用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置
技术领域
本发明属于快反镜随动控制技术领域，涉及一种用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置。
背景技术
采用粗精组合的二级稳定方式的复合轴系统，是实现高精度成像的有效途径，采用压电陶瓷驱动的元件快速反射镜(fast-steering mirror，简称FSM)是近几年发展起来的一种用于精密稳定跟踪的技术手段。由于其谐振频率高、转动惯量小、响应速度快、动态滞后误差小等优点，可达到很高的定位精度和跟踪精度。为了满足高性能位移标定补偿技术，获取较高质量的位移变化量是高性能位移标定补偿技术的基础，如果稳像能力10μrad以下，则要求获取位移量的精度至少为3urad，同时为了系统满足系统的快速动态响应，同时要求位移检测装置需要有很高的带宽。
根据应用需求，本发明提出一种能够满足快反镜稳像系统的高精度位移检测装置。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种用于快反镜稳像系统的高精度位移检测装置，保证快反镜稳像系统的稳定精度和跟踪精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种
(三)有益效果
上述技术方案所提供的用于快反镜稳像系统的高精度位移检测装置，经过在实际应用中优化信号处理链路和配置参数，能够精确地检测出快反镜稳像系统的位移量；通过采集快反镜稳像系统的位移量对系统分辨率进行测试，整个装置回路噪声峰峰值小于2uV(对应角度位移量1urad)，有力保证系统稳定精度和跟踪精度。
附图说明
图1为用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置的原理框图。
图2为快反镜稳像系统的角位移检测装置采集数据噪声分析图示。
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。
如图1所示，一种用于快反镜稳像系统的高精度位移检测装置包括基准源、一级放大器、二级放大器、低通滤波器、差分放大器、模数转换器、信号隔离模块、数据处理模块、通信接口模块、电源隔离模块和电源转换模块。其中，基准源采用高精度基准源，模数转换器采用高精度模数转换器。
各模块的连接方式为：
所述电源转换模块用于将外部供电转换为装置内部各模块所需要的稳定供电电源；
所述电源隔离模块用于将装置的模拟电路部分与数字电路部分隔离；
所述基准源与快反镜稳像系统反馈元件相连；
所述一级放大器与快反镜稳像系统反馈元件、二级放大器相连；
所述二级放大器与一级放大器、低通滤波器相连；
所述低通滤波器与二级放大器、差分放大器相连；
所述差分放大器与低通滤波器、模数转换器相连；
所述模数转换器与差分放大器、信号隔离模块相连；
所述信号隔离模块与数据处理模块、模数转换器相连；
所述数据处理模块与信号隔离模块、通信接口模块相连；
所述通信接口模块与数据处理模块、外部设备相连。
各模块的主要功能为：
所述电源模块是整个系统稳定工作的保证，用于将外部输入电源转换为所述位移检测装置各模块所需要的供电电源。
所述电源隔离模块用于将装置的模拟电路部分与数字电路部分相互隔离，为模拟电路提供纹波更小的供电电压。
所述基准源模块为反馈元件提供稳定的激励源，需要对环境中的尖脉冲有很好的抑制作用，避免因电源波动引起的不必要的干扰，从而提高输出信号的稳定性。
所述一级放大器、二级放大器、低通滤波器、差分放大器用于对快反镜稳像系统反馈元件的角位移信号进行降噪处理。快反镜反馈信号幅值非常小，因此能否在满足系统带宽的条件下，精确地得到高分辨率的反馈信息，角位移检测装置的噪声处理能力尤为重要。低噪声电路的设计是一个非常复杂的问题，不仅要满足噪声设计指标，同时还要考虑增益、带宽、阻抗、稳定性和经济性等多方面指标要求。在微弱信号检测中，应首先着重于电路的噪声性能，然后选择电路的组态、负反馈方式以满足增益、带宽、输人输出阻抗等的要求。本系统在的设计中根据快反镜反馈信号的输出特性，在合理选择器件和电路结构的基础上，找出最佳的电路工作参数，包括增益分配、阻抗匹配、滤波网络参数等，使得设计的指标得以实现。
所述模数转换模块将信号处理前端模块处理过的模拟信号转化为数字信号。
所述信号隔离模块用于信号的隔离，在本装置中，数据处理模块和通信接口模块属于数字信号，其他模块属于模拟信号，为保证驱动信号的质量，将数字信号和模拟信号部分进行隔离，从而可以降低数字信号对模拟信号的影响，提高信号检测质量。
所述数据处理模块一方面将模数转换模块量化的数字量进行处理运算通过通讯接口模块与外部设备进行信息交互；另一方面产生模数转换器所需的控制信号，对模数转换器进行相应的参数设置。
所述通讯模块提供通讯接口及命令解析功能，外部设备实时接收角位移检测装置的数据，并查看装置的状态及参数，通讯模块三种接口方式：232接口、422接口及网口。
实施例
电源转化模块是整个系统稳定工作的保证，采用DC/DC+LDO的方式实现。DC/DC选用LTC3621将外部供电转换为装置的内部供电；然后用LDO LT1763降低电源的纹波噪声(LT1763噪声值为20uVrms)，以提高电源的稳定精度。为确保芯片电源输入质量，需就近放置去耦电容，在电源输入要求严格的引脚处放置EMI滤波器，如LTC3621的电源输出端、模数转换器电源输入端。
电源隔离模块选用隔离芯片DCP010505芯片将模拟电路与数字电路进行电源隔离。
基准源为霍尔器件角度传感器提供稳定的激励源，ADR445ARM是一款2.5μVpp/V噪声、3ppm/℃漂移精密电压基准，输出电压经过电容滤波，使输出电压更稳定，纹波更小，具有很强抑制噪声和干扰的能力。
一级放大器、二级放大器、低通滤波器、差分放大器用于对快反镜稳像系统反馈元件的信号处理，具体器件选型见表1。其中一级放大器是设计的关键，设计时需对一级放大器进行慎重选择，由于反馈元件输出幅值仅约为3.5mV，需要信号进行有效放大，本发明经过实际反复测试，得到满足系统要求的最优放大倍数配置。将一级放大倍数设置为21，二级放大倍数设置为41，差分放大倍数为1.1。
表1器件选型及参数
理论噪声水平计算如下：
稳压源输入噪声：2.25uVpp*3.5mV/5V＝0.001575uVpp
一级放大器噪声：3nV/Hz1/2*10KHz＝0.3uVpp
二级放大器噪声：10nV/Hz1/2*10KHz÷21＝0.047uVpp
低通滤波噪声：5.1nV/Hz1/2*4KHz÷21÷41＝0.00021uVpp
差分放大：2nV/Hz1/2*10KHz÷21÷41＝0.00023uVpp
综上，理论噪声水平约为0.35uVpp，装置实测噪声水平为2uVpp。
模数转换模块选用ADS1672作为主芯片，其分辨率为24bit，转换速率为625KSPS，可采用LVDS或CMOS可选串行口，用户可选的双路径数字滤波器可方便的在带宽和时延之间优化，以便最大限度的提高性能。
信号隔离模块用于信号的隔离，考虑到传输速率的要求和产品小型化的要求，选用ADUM6400作为信号隔离芯片，其优势在于在单个封装内同时提供电源和信号通道的隔离，这就可省去独立的隔离DC/DC转换器，并具备过热关断特性,可确保安全工作。
数据处理模块选用控制领域的浮点数字信号处理器(DSP)TMS320F28335，最高主频150MHz，片内FLASH容量256K字，片内RAM容量34K字。为达到DSP的最高运行速度，供电电压采用核电压1.9V，IO电压3.3V供电。
通讯模块具有三种接口方式：232接口、422接口及网口。232接口由SN65C3232E实现收发信号的电平转换；422接口由驱动器AM26LV31E实现收发信号的电平转换；网口由以太网协议芯片W5300实现。
通过采集快反镜稳像系统的高精度角位移数据进行分析测试，得到位置点0urad、11urad、30urad采集数据，如图2所示，由此可见整个电路噪声峰峰值小于1urad(信号幅值4mV对应满系统满量程2000urad)，装置回路噪声峰峰值小于2uV，从而保证了快反镜稳像系统的定位精度和跟踪精度。
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 (10)

1.一种用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，包括基准源、一级放大器、二级放大器、低通滤波器、差分放大器、模数转换器、信号隔离模块、数据处理模块、通信接口模块；所述基准源和一级放大器分别连接快反镜稳像系统反馈元件，由基准源为快反镜稳像系统反馈元件提供稳定的激励源，快反镜稳像系统反馈元件反馈角位移信号依次进行以下处理：一级放大器进行21倍放大，二级放大器进行41倍放大，低通滤波器进行电容滤波，差分放大器进行1.1倍放大，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，信号隔离模块将数字信号和模拟信号进行隔离，数据处理模块一方面对数字信号进行处理运算并通过通讯接口模块与外部设备进行信息交互，另一方面产生模数转换器所需的控制信号，对模数转换器进行参数设置。
2.如权利要求1所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，还包括：电源转换模块，用于将外部供电转换为装置内部各模块所需要的稳定供电电源。
3.如权利要求2所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，还包括：电源隔离模块，用于将一级放大器、二级放大器、低通滤波器、差分放大器、模数转换器形成的模拟电路部分与数据处理模块、通信接口模块形成的数字电路部分隔离。
4.如权利要求3所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述电源隔离模块为模拟电路部分提供的供电电压小于为数字电路部分提供的供电电压。
5.如权利要求4所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述通讯接口模块包括三种接口方式：232接口、422接口及网口。
6.如权利要求5所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述电源隔离模块选用隔离芯片DCP010505芯片将模拟电路部分与数字电路部分进行电源隔离。
7.如权利要求6所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述一级放大器选用INA163放大器。
8.如权利要求7所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述二级放大器选用INA2128放大器。
9.如权利要求8所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述低通滤波器选用OPA2140滤波器。
10.如权利要求9所述的用于快反镜稳像系统的高精度角位移检测装置，其特征在于，所述差分放大器选用THS4520放大器。
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