CN109974682A - 一种超小型三轴光纤陀调制解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超小型三轴光纤陀调制解调装置，其主要技术特点是：包括FPGA模块、柔性线路连接板、三路滤波放大电路及其模数转换电路、三路数模转换电路及其滤波放大电路及RS422模块；所述柔性线路连接板与探测器前放板相连接，FPGA模块分别与三路滤波放大电路及其模数转换电路、三路数模转换电路及其滤波放大电路相连接；FPGA模块内设置有锁相环、三路解调模块及其回路补偿模块和上位机通信模块，所述锁相环与外部晶振相连接，该上位机通信模块与RS422模块相连接。本发明设计合理，减少了线路板上对于外部晶振布局的面积，降低了陀螺全温重复性带来的不利影响，节约了成本，提高了三轴光纤陀螺小型化设计的灵活性。

Description

一种超小型三轴光纤陀调制解调装置
技术领域
本发明属于光纤陀螺仪技术领域，尤其是一种超小型三轴光纤陀调制解调装置。
背景技术
惯性导航系统具有完全自主性、强抗干扰性、高度隐蔽性等特点，是海、陆、空、天、潜等领域中的关键定位导航设备。低成本小型化光纤陀螺在国内、外已经大批量应，其中三轴光纤陀螺仪由于其小型化低功耗的特点，在同等精度条件下比单轴光纤陀螺仪组成的惯性导航产品具有更小的体积和更轻的重量，备受用户青睐。
在中低精度应用领域，对三轴光纤陀螺仪的体积有了更高的要求。比如光纤环圈尺寸从原来的Φ120、Φ98已经逐步减小到Φ75甚至Φ60大小。光纤环圈及Y波导等光学器件的光纤曲率半径可以做到很小，因此，更小尺寸的光纤线圈并不是制约三轴光纤陀螺仪尺寸进一步降低的关键因素。
对于Φ60大小的光纤线圈，其调制解调线路的尺寸也往往不会超过70mm×70mm，更小型的三轴一体调制解调线路设计便成了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、体积小且成本低的超小型三轴光纤陀调制解调装置。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种超小型三轴光纤陀调制解调装置，包括FPGA模块、柔性线路连接板、三路滤波放大电路及其模数转换电路、三路数模转换电路及其滤波放大电路及RS422模块；所述柔性线路连接板与探测器前放板相连接将探测器前放板的输出信号分别连接三路滤波放大电路，然后经模数转换后输入到FPGA中，FPGA模块处理后经三路数模转换电路及滤波放大电路输出三路调制信号，并分别施加到Y波导电极形成闭环反馈；FPGA模块内设置有锁相环、三路解调模块及其回路补偿模块和上位机通信模块，所述锁相环与外部晶振相连接实现3种不同频率的分频功能并为三个光纤环圈输出所需解调频率，该上位机通信模块与RS422模块相连接并将解调输出的转速信号以固定的收发协议传送到上位机。
所述锁相环通过全局时钟接口与外部晶振相连接。
所述探测器前放板包括三个6针探测器及与其相连接的三个探测器前端放大电路，三个6针探测器分别对三个耦合器进行探测并经探测器前端放大电路进行信号放大，得到三个探测器前放板输出的信号。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明将一个外部晶振连接到FPGA内部的PLL(DLL)锁相环上，实现3种不同频率的分频并分别进行调制解调运算，可减少了线路板上对于外部晶振布局的面积；并通过不同频率的解调信号降低绕环过程中对于环圈长度一致性的要求，提高绕环成活率，降低了由于调制频率误差造成的尖峰脉冲不对称性，减小陀螺全温重复性带来的不利影响。
2、本发明采用FPGA作为核心控制模块，FPGA对每一路信号分别进行解调运算，并将运算结果分别输出，大大节约了线路板面积，减少了芯片的重复使用，降低了成本，提高了三轴光纤陀螺小型化设计的灵活性。
3、本发明通过柔性线路连接板与探测器前放板相连接，通过优化布局布线，减少信号之间的串扰，提高了线路板对微弱信号的处理能力。
附图说明
图1是三轴小型光纤陀螺仪整体结构图；
图2是本发明的超小型三轴光纤陀调制解调装置原理图；
图3是本发明的多调制频率原理图；
图4是本发明的探测器前放板原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
本发明的设计思想为：
(1)对三个光纤环圈进行调制解调，就要针对三个环圈的本征频率分别进行解调运算。对于三个环圈可能出现的3种不同的本征频率，使用一个外部晶振，通过FPGA内部的PLL(DLL)锁相环实现3种不同频率的分频，分别进行调制解调运算，可减少了线路板上对于外部晶振布局的面积。并通过不同频率的解调信号降低绕环过程中对于环圈长度一致性的要求，提高绕环成活率。每一路调制信号的频率可以做到尽可能的接近环圈本征频率，从而降低由于调制频率误差造成的尖峰脉冲不对称性，减小陀螺全温重复性带来的不利影响。
(2)对主控芯片的选择，采用一片FPGA来完成。在每一路信号经过单独的滤波放大之后，通过模数转换芯片送入数字处理芯片进行解调运算。在本发明中，三路信号送入同一块FPGA芯片，分别进行解调运算，并将运算结果分别输出。即除每一路信号必须的模拟放大滤波芯片外，所有数字信号均由一块FPGA芯片进行数字处理，大大节约了线路板面积，减少了芯片的重复使用，降低了成本。在数字输出环节，采用分时复用技术，将3路陀螺转速信息打包输出。例如采用RS422协议时，可以做到只选用一片RS422转换芯片即可完成陀螺与惯导设备的通讯，减少线路板上对于RS422转换芯片的布板面积。
(3)在探测器的选型和布局上，舍弃传统光纤陀螺通常使用的14针探测器，而是选取6针小型化探测器，进一步减少调制解调线路关于探测器部分的布板面积；同时，在进行探测器布板时，可以将探测器和相应的放大器单独布板，通过柔性线路板与另一块调制解调板连接。这样就可以做到在空间上重复利用，减小单块线路的面积，从而进一步缩小三轴光纤陀螺体积。
本发明的超小型三轴光纤陀调制解调装置与三轴小型化光纤陀螺光路连接如图1所示。三轴小型化光纤陀螺光路由一个大功率ASE光源、1×3耦合器、三个2×2耦合器、3个Y波导集成光学器件、3个光纤环圈以及3个探测器组成。从大功率ASE光源发出的光，经过2×2耦合器分为3路相同的光信号，分别为三轴提供输入光信号。每一路陀螺中，ASE光源发出的光经过2×2耦合器后被分成两路光，一路进入陀螺光路，通过Y波导集成光学器件后被分成两路进入光纤环圈，从光纤环圈出来的干涉光通过耦合器后进入光电探测器。对于三支不同长度的环圈，需要3个不同频率的调制信号进行解调。因此，在调制解调线路装置中，选取1个外部晶振作为基本时钟输入，通过FPGA内部锁相环实现精准分频，其输出的3个时钟频率分别满足3路环圈解调信号的需要。
如图2至图4所示，超小型三轴光纤陀调制解调装置中除必须的模拟线路以及模数混合线路外，其余数字电路均采用三轴共用技术。该三轴光纤陀调制解调装置包括FPGA模块、柔性线路连接板、三路滤波放大电路及其模数转换电路(第1路滤波放大电路及其模数转换电路、第2路模数转换电路及其模数转换电路、第3路滤波放大电路及其模数转换电路)、三路数模转换电路及其滤波放大电路(第1路数模转换电路及其滤波放大电路、第2路数模转换电路及其滤波放大电路、第3路数模转换电路及其滤波放大电路)及RS422模块。所述柔性线路连接板与探测器前放板相连接，探测器前放板输出的信号(探测器前放板输出信号1、探测器前放板输出信号2、探测器前放板输出信号3)分别连接第1路滤波放大电路、第2路模数转换电路和第3路滤波放大电路后经模数转换后输入到FPGA中，FPGA模块处理后经三路数模转换电路及滤波放大电路输出三路调制信号，并分别施加到Y波导电极，形成闭环反馈。FPGA模块内设置有锁相环、第1路解调模块及其第二回路补偿模块、第2路解调模块及其第二回路补偿模块、第3路解调模块及其第二回路补偿模块和上位机通信模块，该外部晶振与外部晶振相连接实现3种不同频率的分频功能，该上位机通信模块与RS422模块相连接，RS422模块将解调输出的转速信号以固定的收发协议传送到上位机。
如图3所示，FPGA模块中内置的PLL锁相环实现3种不同频率的分频，其输出的3个时钟频率分别满足3路环圈解调信号的需要。外部晶振经专用全局时钟接口连接到FPGA模块中的锁相环，经锁相处理后产生三个输出时钟(输出时钟1、输出时钟2和输出时钟3)并分别作为X轴环圈所需解调频率、Y轴环圈所需解调频率、Z轴环圈所需解调频率。
如图4所示，探测器前放板上设有3个6针探测器(6针探测器1、6针探测器2和6针探测器3)和3个探测器前端放大电路(探测器1前端放大电路、探测器2前端放大电路和探测器3前端放大电路)，3个6针探测器分别对3个耦合器进行探测并经探测器前端放大电路进行信号放大，得到3个探测器前放板输出的信号。通过柔性线路连接板，将探测器前放板中3个探测器前放板输出的信号与调制解调线路相连接，实现陀螺的闭环工作。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种超小型三轴光纤陀调制解调装置，其特征在于：包括FPGA模块、柔性线路连接板、三路滤波放大电路及其模数转换电路、三路数模转换电路及其滤波放大电路及RS422模块；所述柔性线路连接板与探测器前放板相连接将探测器前放板的输出信号分别连接三路滤波放大电路，然后经模数转换后输入到FPGA中，FPGA模块处理后经三路数模转换电路及滤波放大电路输出三路调制信号，并分别施加到Y波导电极形成闭环反馈；FPGA模块内设置有锁相环、三路解调模块及其回路补偿模块和上位机通信模块，所述锁相环与外部晶振相连接实现3种不同频率的分频功能并为三个光纤环圈输出所需解调频率，该上位机通信模块与RS422模块相连接并将解调输出的转速信号以固定的收发协议传送到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种超小型三轴光纤陀调制解调装置，其特征在于：所述锁相环通过全局时钟接口与外部晶振相连接。
3.根据权利要求1所述的一种超小型三轴光纤陀调制解调装置，其特征在于：所述探测器前放板包括三个6针探测器及与其相连接的三个探测器前端放大电路，三个6针探测器分别对三个耦合器进行探测并经探测器前端放大电路进行信号放大，得到三个探测器前放板输出的信号。
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