CN110440780B - 一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，包括光电探测器，光电探测器电性连接I‑V转换电路，I‑V转换电路电性连接放大电路，放大电路电性连接比较器电路，还包括电源模块，光电探测器、I‑V转换电路、放大电路和比较器电路均分别与电源模块电性连接；电源模块为±5V电源。通过控制频带、增加反馈电阻和选择合适的运放增加电路的带宽；减小了电路噪声，通过增大反馈电阻Rf，既有利于改善信噪比，也有利于提高电流电压转换的转换系数。整个前置放大电路系统采用屏蔽设计，增加了系统的抗干扰能力。

Description

一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统

技术领域

本发明属于激光陀螺放大设备技术领域，具体涉及一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统。

背景技术

激光陀螺是一种基于Sagnac效应的光学陀螺，依靠环形激光腔内的双向行波间的谐振频差来测量载体的角速度。检测电路作为激光陀螺的组成部分，其主要任务是把从谐振腔中输出的微弱光强信号进行光电转换、放大、整形、计数等，输出与陀螺转速成正比的脉冲信号。激光陀螺通常利用光电二极管作为激光探测器件对陀螺信号进行光电转换。由于陀螺信号很微弱，该信号必须首先经放大器放大，才能进行整形、鉴相、计数。因此，前置放大器是整个激光陀螺检测电路的最重要的组成部分。

从目前激光陀螺发展趋势来看，激光陀螺将主要向更高精度、更高可靠性的高要求方向和体积更小、价格更便宜、结构更牢固的超小型战术应用方向发展。相应地，激光陀螺电路一方面将向高性能、高精度和高可靠性方向发展，进而提高激光陀螺的精度和可靠性；另一方面，随着电子产品工业中开发专用集成电路成为开发电子产品的一种基本手段，激光陀螺前置放大电路将采用专用芯片向高集成度方向发展。然而，现有的激光陀螺前置放大电路存在以下缺点，第一，带宽不足：激光陀螺具有较高的理论带宽，但在实际应用中，激光陀螺的输出信号要进行光电转换、前置放大、整形鉴相及数字滤波等处理，这些因素在一定程度上限制了激光陀螺的带宽；第二，噪声大：噪声主要包括光电探测器噪声、电阻热噪声和运算放大器噪声。且目前电路设计中没有噪声处理电路部分；第三，体积大：目前普遍选择比较老旧的集成电路芯片，体积大，加上电路板布局不规整化，所以导致系统的体积过大；第四，信噪比差：输出信号信噪比差，会导致输出信号跳数等情况；第五，暗电流大：光电探测器本身存在暗电流，使用无偏压电路可以有效的减少光电管的暗电流；第六，抗干扰能力差：电路的噪声大，加上信噪比差，所以系统的抗干扰能力就会相对差一些。

发明内容

本发明的目的是提供一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，减小了电路噪声，提高了电流电压转换的转换系数。

本发明所采用的技术方案是，一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，包括光电探测器，光电探测器电性连接I-V转换电路，I-V转换电路电性连接放大电路，放大电路电性连接比较器电路，还包括电源模块，光电探测器、I-V转换电路、放大电路和比较器电路均分别与电源模块电性连接；电源模块为±5V电源。

本发明的特点还在于，

I-V转换电路，包括电阻R5，电阻R5一端分别连接光电探测器的端口、+5V电源，电阻R5另一端分别连接电容C4一端、电阻R7一端，电容C4另一端分别连接电阻R3一端、电容C3一端、运算放大器U1的4脚，电阻R1一端与运算放大器U1的5脚连接，电阻R3一端、电容C3一端与运算放大器U1的4脚连接，电阻R1另一端连接+5V电源，电阻R3、电容C3另一端均与运算放大器U1的1脚连接，运算放大器U1的3脚分别连接电阻R8一端、电容C6一端，运算放大器U1的2脚分别连接电阻R9一端、电容C7一端，电阻R9另一端连接-5V电源，运算放大器U1的1脚连接电阻R6一端，电阻R6另一端分别连接电阻R4一端、运算放大器U4的2脚，电容C2一端、电阻R2一端与运算放大器U4的8脚连接，电阻R4一端还与运算放大器U4的2脚连接，电阻R2另一端连接+5V电源，电阻R4另一端与运算放大器U4的1脚连接，运算放大器U4的3脚连接电阻R10一端，运算放大器U4的4脚分别连接电阻R12一端、电容C8一端，电阻R12另一端连接-5V电源，运算放大器U4的1脚连接电容C5一端；电阻R7、电容C1、电阻R8、电容C6、电容C7、电容C2、电阻R10、电容C8、电容C5另一端均接地，运算放大器U1的型号为OPA656N。

放大电路，包括电阻R26，光电探测器的端口还连接电阻R26一端，电阻R26一端还连接+5V电源，电阻R26另一端分别连接电容C16一端、电阻R28一端，电容C16另一端分别连接电阻R21一端、电容C15一端、运算放大器U2的4脚，电容C11一端、电阻R19一端还与运算放大器U2的5脚相连，电阻R21一端、电容C15一端与运算放大器U2的4脚相连，电阻R19另一端连接+5V电源，电阻R21另一端、电容C15另一端均分别与运算放大器U2的1脚连接，运算放大器U2的3脚分别连接电阻R29一端、电容C18一端，运算放大器U2的2脚分别连接电阻R30一端、电容C19一端，电阻R30另一端连接-5V电源，运算放大器U2的1脚连接电阻R27一端，电阻R27另一端分别连接电阻R24一端、运算放大器U4的6脚，运算放大器U4的5脚连接电阻R31一端，运算放大器U4的7脚连接电阻R24另一端；电阻R28、电容C11、电阻R29、电容C18、电容C19、电阻R31另一端均接地；运算放大器U2的型号为OPA656N。

比较器电路，包括比较器U3，比较器U3的2脚、3脚分别和运算放大器U4的1脚和7脚连接，比较器U3的1脚分别与电阻R13一端、电阻R14一端、R11一端连接，电阻R14另一端连接VREF，电阻R11另一端分别连接比较器U3的8脚、电阻R16一端，电阻R16另一端通过端口SIN连接输出端子P2的2脚，比较器U3的4脚分别连接电阻R22一端、电阻R23一端、电阻R25一端，电阻R23另一端连接VREF，电阻R25另一端分别连接U3的7脚、电阻R17一端，电阻R17另一端通过端口COS连接输出端子P2的1脚，比较器U3的5脚分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R18一端，电阻R18另一端连接-5V电源，比较器U3的9脚和10脚均分别连接电容C10一端、电容C9一端、电阻R15一端，电阻R15另一端连接+5V电源；电阻R13另一端、电阻R22另一端、电容C9另一端、电容C10另一端、电容C13另一端、电容C14另一端、比较器U3的6脚均接地。

比较器U3的型号为LT1715IMS。

运算放大器U4的型号为ADA4077-2ARMZ。

本发明的有益效果是，

通过控制频带、增加反馈电阻和选择合适的运放增加电路的带宽；减小了电路噪声，通过增大反馈电阻，既有利于改善信噪比，也有利于提高电流电压转换的转换系数。整个前置放大电路系统采用屏蔽设计，增加了系统的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统的结构示意图；

图2是本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统中的I-V转换电路的电路图；

图3是本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统中的放大电路的电路图；

图4是本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统中的比较器电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，如图1所示，包括光电探测器，光电探测器电性连接I-V转换电路，I-V转换电路电性连接放大电路，放大电路电性连接比较器电路，还包括电源模块，光电探测器、I-V转换电路以及放大电路，放大电路和比较器电路均分别与电源模块电性连接；

电源模块为±5V电源；

I-V转换电路，如图2所示，包括电阻R5，电阻R5一端分别连接光电探测器的端口、+5V电源，电阻R5另一端分别连接电容C4一端、电阻R7一端，电容C4另一端分别连接电阻R3一端、电容C3一端、运算放大器U1的4脚，电阻R1一端与运算放大器U1的5脚连接，电阻R3一端、电容C3一端与运算放大器U1的4脚连接，电阻R1另一端连接+5V电源，电阻R3、电容C3另一端均与运算放大器U1的1脚连接，运算放大器U1的3脚分别连接电阻R8一端、电容C6一端，运算放大器U1的2脚分别连接电阻R9一端、电容C7一端，电阻R9另一端连接-5V电源，运算放大器U1的1脚连接电阻R6一端，电阻R6另一端分别连接电阻R4一端、运算放大器U4的2脚，电容C2一端、电阻R2一端与运算放大器U4的8脚连接，电阻R4一端还与运算放大器U4的2脚连接，电阻R2另一端连接+5V电源，电阻R4另一端与运算放大器U4的1脚连接，运算放大器U4的3脚连接电阻R10一端，运算放大器U4的4脚分别连接电阻R12一端、电容C8一端，电阻R12另一端连接-5V电源，运算放大器U4的1脚连接电容C5一端；

电阻R7、电容C1、电阻R8、电容C6、电容C7、电容C2、电阻R10、电容C8、电容C5另一端均接地；

放大电路，如图3所示，光电探测器的端口还连接电阻R26一端，电阻R26一端还连接+5V电源，电阻R26另一端分别连接电容C16一端、电阻R28一端，电容C16另一端分别连接电阻R21一端、电容C15一端、运算放大器U2的4脚，电容C11一端、电阻R19一端还与运算放大器U2的5脚相连，电阻R21一端、电容C15一端与运算放大器U2的4脚相连，电阻R19另一端连接+5V电源，电阻R21另一端、电容C15另一端均分别与运算放大器U2的1脚连接，运算放大器U2的3脚分别连接电阻R29一端、电容C18一端，运算放大器U2的2脚分别连接电阻R30一端、电容C19一端，电阻R30另一端连接-5V电源，运算放大器U2的1脚连接电阻R27一端，电阻R27另一端分别连接电阻R24一端、运算放大器U4的6脚，运算放大器U4的5脚连接电阻R31一端，运算放大器U4的7脚连接电阻R24另一端；

电阻R28、电容C11、电阻R29、电容C18、电容C19、电阻R31另一端均接地；

运算放大器U1、运算放大器U2的型号均为OPA656N，运算放大器U4的型号为ADA4077-2ARMZ；

比较器电路，如图4所示，比较器U3的2脚、3脚分别和运算放大器U4的1脚和7脚连接，比较器U3的1脚分别与电阻R13一端、电阻R14一端、R11一端连接，电阻R14另一端连接VREF(+2.5V电源)，电阻R11另一端分别连接比较器U3的8脚、电阻R16一端，电阻R16另一端通过端口SIN连接输出端子P2的2脚，比较器U3的4脚分别连接电阻R22一端、电阻R23一端、电阻R25一端，电阻R23另一端连接VREF(+2.5V电源)，电阻R25另一端分别连接U3的7脚、电阻R17一端，电阻R17另一端通过端口COS连接输出端子P2的1脚，比较器U3的5脚分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R18一端，电阻R18另一端连接-5V电源，比较器U3的9脚和10脚均分别连接电容C10一端、电容C9一端、电阻R15一端，电阻R15另一端连接+5V电源；

电阻R13另一端、电阻R22另一端、电容C9另一端、电容C10另一端、电容C13另一端、电容C14另一端、比较器U3的6脚均接地；

比较器U3的型号为LT1715IMS；

本发明的一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，其具体工作原理是：

该放大系统包括光电探测器模块、电源模块电路、I-V转换电路、放大电路、比较器电路、方波输出电路等组成。激光腔内相向两行波经合光棱镜等形成明暗相间的干涉条纹，利用光电探测器将该光信号转变为电信号，然后再利用I/V转换电路将微弱的电流信号转换为电压信号并进行放大。然后通过放大电路再进行一级放大后通过比较器电路转化为方波输出到控制系统中去；

如图2所示，电阻R5为了消去探测器输出电流中的毛刺；电阻R7防止电路自激，同时提供直流通道；电容C4为隔直电容；电阻R8是为了补偿因电阻R3过大所造成的直流误差，其上并联电容C6用以去除杂散噪声；电阻R3上并联的电容C3为消振电容，减小了噪声带宽；

上述电路整形放大后的信号通过双路比较器LT1715IMS实现，比较器的负极为经过调理电路调理过后的SIN\COS信号，比较器的正极为电阻R13、R14分压后的比较电压，大小为VREF×〔R13/(R13+R14)〕，约为25mv左右。

本发明一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，其具体优势是：

(1)大带宽：激光陀螺具有较高的理论带宽，但在实际应用中激光陀螺的输出信号要进行光电转换、前置放大、整形鉴相及数字滤波等处理，这些因素在一定程度上限制了激光陀螺的带宽，通过控制频带、增加反馈电阻和选择合适的运放增加电路的带宽；

(2)小型化：根据激光陀螺小型化的特定，制定了小型化的前置放大系统，主要通过选择小型化集成电路，在布板时采用4层板布板，从而减小系统的体积；

(3)信噪比高：光电管输出端到第一级放大器的引线距离尽量短，并且引线尽量对称，保证阻抗基本匹配；两路放大器布线布局一致，确保线路阻抗特性一致；放大器输入输出避免交叉布线，防止相互耦合，增加了系统的信噪比；

(4)抗干扰能力强：运放本身存在极间分布电容，为了抵消因极间分布电容带来的噪声干扰，应适当选择C6，使RiC3＝R3C6。光电探测器输出信号采用屏蔽线传送，并使前置放大电路最大限度地靠近激光陀螺。整个前置放大电路系统采用屏蔽设计，增加了系统的抗干扰能力。

Claims (3)

1.一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，其特征在于，包括光电探测器，所述光电探测器电性连接I-V转换电路，所述I-V转换电路电性连接放大电路，所述放大电路电性连接比较器电路，还包括电源模块，所述光电探测器、I-V转换电路、放大电路和比较器电路均分别与电源模块电性连接；所述电源模块为±5V电源；

所述I-V转换电路，包括电阻R5，电阻R5一端分别连接光电探测器的端口、+5V电源，电阻R5另一端分别连接电容C4一端、电阻R7一端，电容C4另一端分别连接电阻R3一端、电容C3一端、运算放大器U1的4脚，电阻R1一端与运算放大器U1的5脚连接，电阻R3一端、电容C3一端与运算放大器U1的4脚连接，电阻R1另一端连接+5V电源，电阻R3、电容C3另一端均与运算放大器U1的1脚连接，运算放大器U1的3脚分别连接电阻R8一端、电容C6一端，运算放大器U1的2脚分别连接电阻R9一端、电容C7一端，电阻R9另一端连接-5V电源，运算放大器U1的1脚连接电阻R6一端，电阻R6另一端分别连接电阻R4一端、运算放大器U4的2脚，电容C2一端、电阻R2一端与运算放大器U4的8脚连接，电阻R4一端还与运算放大器U4的2脚连接，电阻R2另一端连接+5V电源，电阻R4另一端与运算放大器U4的1脚连接，运算放大器U4的3脚连接电阻R10一端，运算放大器U4的4脚分别连接电阻R12一端、电容C8一端，电阻R12另一端连接-5V电源，运算放大器U4的1脚连接电容C5一端；电阻R7、电容C1、电阻R8、电容C6、电容C7、电容C2、电阻R10、电容C8、电容C5另一端均接地，所述运算放大器U1的型号为OPA656N；

所述放大电路，包括电阻R26，光电探测器的端口还连接电阻R26一端，电阻R26一端还连接+5V电源，电阻R26另一端分别连接电容C16一端、电阻R28一端，电容C16另一端分别连接电阻R21一端、电容C15一端、运算放大器U2的4脚，电容C11一端、电阻R19一端还与运算放大器U2的5脚相连，电阻R21一端、电容C15一端与运算放大器U2的4脚相连，电阻R19另一端连接+5V电源，电阻R21另一端、电容C15另一端均分别与运算放大器U2的1脚连接，运算放大器U2的3脚分别连接电阻R29一端、电容C18一端，运算放大器U2的2脚分别连接电阻R30一端、电容C19一端，电阻R30另一端连接-5V电源，运算放大器U2的1脚连接电阻R27一端，电阻R27另一端分别连接电阻R24一端、运算放大器U4的6脚，运算放大器U4的5脚连接电阻R31一端，运算放大器U4的7脚连接电阻R24另一端；电阻R28、电容C11、电阻R29、电容C18、电容C19、电阻R31另一端均接地；所述运算放大器U2的型号为OPA656N；

所述比较器电路，包括比较器U3，比较器U3的2脚、3脚分别和运算放大器U4的1脚和7脚连接，比较器U3的1脚分别与电阻R13一端、电阻R14一端、R11一端连接，电阻R14另一端连接VREF，电阻R11另一端分别连接比较器U3的8脚、电阻R16一端，电阻R16另一端通过端口SIN连接输出端子P2的2脚，比较器U3的4脚分别连接电阻R22一端、电阻R23一端、电阻R25一端，电阻R23另一端连接VREF，电阻R25另一端分别连接U3的7脚、电阻R17一端，电阻R17另一端通过端口COS连接输出端子P2的1脚，比较器U3的5脚分别连接电容C13一端、电容C14一端、电阻R18一端，电阻R18另一端连接-5V电源，比较器U3的9脚和10脚均分别连接电容C10一端、电容C9一端、电阻R15一端，电阻R15另一端连接+5V电源；电阻R13另一端、电阻R22另一端、电容C9另一端、电容C10另一端、电容C13另一端、电容C14另一端、比较器U3的6脚均接地。

2.根据权利要求1所述的一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，其特征在于，所述比较器U3的型号为LT1715IMS。

3.根据权利要求1所述的一种大带宽、小型化激光陀螺前置放大系统，其特征在于，所述运算放大器U4的型号为ADA4077-2ARMZ。

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