CN1851403A - 谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置 - Google Patents

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CN1851403A CN 200610081173 CN200610081173A CN1851403A CN 1851403 A CN1851403 A CN 1851403A CN 200610081173 CN200610081173 CN 200610081173 CN 200610081173 A CN200610081173 A CN 200610081173A CN 1851403 A CN1851403 A CN 1851403A
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冯丽爽
张春熹
马迎建
刘惠兰
林恒
杨德伟
刘恒
贺斌
许光磊
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Abstract

本发明公开了一种谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置，该闭环光频检测装置由中心处理器、信号采集单元A、信号采集单元B、控制信号发生单元组成，控制信号发生单元包括用于控制第一相位移频器、第二相位移频器的阶梯波发生电路，以及用于控制光源的电压转换电路，信号采集单元A、信号采集单元B分别将采集得到的由探测器输出的光强电压信号经放大、滤波处理后输出给FPGA处理器；中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出频率补偿电压信号控制光源的波长信号，使顺时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出两路信号，一路信号对第一相位移频器进行频率调整，使逆时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；另一路输出固定阶梯波信号给第二相位移频器。

Description

谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置
技术领域
本发明涉及一种对角速度传感器输出信号进行处理的检测装置，具体地说，是指一种适用于谐振式微光机电陀螺输出信号的检测装置。该谐振式微光机电陀螺利用载体角速度产生的SAGNAC效应，使顺时针传输光和逆时针传输光的频差发生变化，通过测量该频差可以间接的测量出载体的角速度。
背景技术
光学陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应，在惯性空间通常萨格奈克效应可以描述为：“在同一闭合回路中，沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的两束光，围绕垂直于回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光回路旋转速率成比例关系”。
由于SAGNAC效应很小，常见的一种方法是利用一个循环的环形谐振腔使光在腔内循环许多次再干涉，来增强旋转引起的SAGNAC效应，这种光学陀螺叫做谐振式光学陀螺。谐振式光学陀螺的原理图如图2所示，图中，谐振腔由二个准全反射微镜(微镜A、微镜B)和一个透射率很小的输入输出镜组成。两束反向传播光波通过输出镜入射进腔内。静止时，因为沿两个方向的腔长都相等，两束光的发射频率是相等的。当腔旋转时，由于SAGNAC效应，两束传播方向相反波的腔长存在一个很小的差，从而使两个输出光束之间产生一个频差： Δf R = 4 A λB · Ω . 式中A为环形腔的闭合面积，B为周长，λ为静止时入射光的波长。通过测量该频差ΔfR可以计算出腔旋转的角速度Ω。
谐振式光学陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与干涉式光学陀螺相比，达到同样的灵敏度，谐振式光学陀螺需要的波导长度要短得多，且易于实现单片集成，具有重量轻、寿命长、成本低的优势。
目前，对谐振式微光机电陀螺，大多采用开环式检测方案，其检测灵敏度低，陀螺精度受光源输出波长稳定性和光功率稳定性的影响，动态测试范围小，标度因数线性度差。而采用闭环检测方案具有大动态范围，精度高，不易受环境噪声影响等优点，具有良好的实用化前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置。该陀螺建立在光学SAGNAC效应基础上，利用微机电技术和集成光学技术进行加工，利用谐振技术和数字闭环技术实现测量。光在空间光路传输，闭环检测装置使陀螺始终工作在谐振点。采用本发明光路结构，光路噪声小，极限灵敏度高。采用本发明的闭环检测模式，闭环系统的输出与光源强度无关，与电路检测系统的增益无关，因此陀螺检测精度高，动态测量范围大，标度因数线性度好。
本发明是一种谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置，由中心处理器、信号采集单元A、信号采集单元B、控制信号发生单元组成，所述中心处理器包括FPGA处理器和DSP处理器，所述信号采集单元A和所述信号采集单元B的电路结构相同，所述控制信号发生单元包括用于控制第一相位移频器的阶梯波发生电路，用于控制第二相位移频器的阶梯波发生电路，以及用于控制光源的电压转换电路，第一相位移频器的阶梯波发生电路与第二相位移频器的阶梯波发生电路结构相同；
信号采集单元A将采集得到的由第一探测器输出的光强电压信号经第一前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号给FPGA处理器接收；信号采集单元B将采集得到的由第二探测器输出的光强电压信号经第二前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号由FPGA处理器接收；
中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出频率补偿电压信号给控制信号发生单元的光源电压转换电路的D/A转换器、电压变换电路，从而输出控制光源的波长信号，使顺时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；
中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出两路信号，一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器A，经模拟放大器A放大处理后输出阶梯波信号给第一相位移频器进行频率调整，使逆时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；另一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器B，经模拟放大器B放大处理后输出固定阶梯波信号给第二相位移频器。
本发明谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置的优点：(1)检测精度高，不受电磁干扰；(2)测量范围大；(3)标度因数线性度好。
附图说明
图1是本发明闭环光频检测装置的信号处理结构框图。
图2是谐振式光学陀螺的原理图。
图3A是信号放大及滤波电路原理图。
图3B是A/D转换电路原理图。
图3C是FPGA处理电路原理图。
图3D是DSP处理电路原理图。
图3E是D/A转换及信号放大处理电路原理图。
图3F是D/A及电压信号转换电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置，该闭环光频检测装置(参见图1所示)由中心处理器(FPGA+DSP)、信号采集单元A、信号采集单元B、控制信号发生单元组成，
所述信号采集单元A和信号采集单元B的电路结构相同，
所述控制信号发生单元包括用于控制第一相位移频器的阶梯波发生电路，用于控制第二相位移频器的阶梯波发生电路，以及用于控制光源的电压转换电路，用于控制第一相位移频器的阶梯波发生电路与第二相位移频器的阶梯波发生电路结构相同。
信号采集单元A将采集得到的由第一探测器输出的光强电压信号经第一前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号给FPGA处理器接收；信号采集单元B将采集得到的由第二探测器输出的光强电压信号经第二前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号由FPGA处理器接收；
FPGA和DSP(中心处理器)对接收的两路数字信号经处理后输出频率补偿电压信号给控制信号发生单元的光源电压转换电路的D/A转换器、电压变换电路，从而输出控制光源的波长信号，使顺时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；
FPGA和DSP(中心处理器)对接收的两路数字信号经处理后输出两路信号，一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器A，经模拟放大器A放大处理后输出阶梯波信号给第一相位移频器进行频率调整，使逆时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；另一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器B，经模拟放大器B放大处理后输出固定阶梯波信号给第二相位移频器。
本设计采用闭环检测控制方式。由于垂直于空间谐振腔中的角速率导致空间谐振腔中相向传输的两束光产生频率差ΔfR，从而导致输出光强信号相应变化，该光强信号被探测器转换为电压信号，电压信号经前放电路放大处理后输出给A/D转换器转换成数字信号给FPGA+DSP，FPGA+DSP对接收的数字信号进行处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器，经D/A转换器转换的模拟信号输出给相位移频器驱动电路，相位移频器驱动电路输出电压信号控制相位移频器进行频率调整，使得干涉光强保持恒定。
信号采集单元
信号采集单元包括两路信号的输入，一路是由第一探测器输入的，另一路是由第二探测器输入的，两路信号的处理过程在本发明中相同。每一路的信号采集单元包括前置放大电路、隔直滤波和A/D转换电路。由于信号一般比较复杂，所以采用简单的前放电路，避免信号发生过大失真，同时，使用阻容耦合的方法，使前级输出信号的直流分量不至于耦合到下一级。前置放大器主要功能是将光电转换后的电流信号变换为电压信号并进行低噪声放大，以满足A/D转换的要求。前放设计中，探测器输出信号特点、放大器的增益和带宽是主要考虑的因素。各端子连接如图3所示，第一探测器的电压输出端通过电阻R201与运算放大器U9的输入端2相连接，运算放大器U9的输入端3与电阻R212的一端相连接，电阻R212的另一端接地，运算放大器U9的输入端2通过电阻R200与运算放大器U9的输出端6相连接，运算放大器U9的输出端6与滤波电路的电容C202的一端相连接，电容C202的另一端与电阻R206的一端相连，电阻R206的另一端与A/D转换器U8的输入端25相连，同时与电容C200相连，且电容C200另一端接地，A/D转换器U8的输出端22通过电阻R203后与A/D转换器U8的输入端25相连，A/D转换器U8的输出端20通过电阻R205后与A/D转换器U8的输入端25相连，A/D转换器U8的输出端22与输出端20经电阻R202、电阻R204串联，且电阻R202和电阻R204的连接端与A/D转换器U8的输入端23相连，同时与电容C201相连，电容C201另一端接地；AD转换器U8的12位数据线与FPGA处理器U1的12位数据线相连，AD转换器U8的时钟信号端14与FPGA处理器U1的时钟信号端7相连。在本发明中，第二探测器输出的信号处理与第一探测器输出的信号处理过程相同，且电路也相同，故各端子的连接关系不再作说明了。
在本发明中，FPGA处理电路和DSP处理电路构成一个中心数据处理器，其中，
FPGA处理电路
本发明采用闭环检测方式，对第一相位移频器和第二相位移频器采用阶梯波调制，其时序控制与经A/D转换器采集和解调数字阶梯波的时序控制同步。所以在设计时需要考虑各控制通道包括光路部分的时延。以D/A转换器的时钟信号为基准，分频产生了A/D转换器采样电路时钟，同时控制解调过程的进行。采用晶振时钟通过FPGA处理器内部时钟管理系统DCM产生基准时钟D/A转换器时钟，再由D/A转换器的时钟产生A/D转换器的时钟信号以及内部解调部分的时钟信号。
DSP处理电路
本发明属于微弱信号检测范畴，采用相关检测技术将微弱信号提取出来，DSP电路由微弱信号解算出对阶梯波修正的反馈值。FPGA由输入电压信号提取出所需信号幅值后将数据保存在寄存器中，同时向DSP发送中断请求信号，DSP接收到中断请求信号后进入中断服务程序读取寄存器的值。中断程序解算出反馈值并将数据放入寄存器，同时发送写信号给FPGA，中断程序结束进入下一个工作循环。
各端子的连接如图3所示，在本发明中，FPGA处理器U1与DSP处理器U2的大部分端子为常规连接。对于FPGA处理器与DSP处理器各自的附属电路的连接以及选取的芯片也为常规模式，故在本文中未作详细的介绍。FPGA处理器U1的24位双向数据线与DSP处理器U2的24位数据总线相连，FPGA处理器U1的8位地址线与DSP处理器U2的8位地址线相连，FPGA处理器U1的片选、读写控制端与DSP处理器U2的片选、读写控制端相连。
控制信号发生电路
控制信号发生电路包括两路阶梯波发生电路和一路光源稳频电路。阶梯波发生电路输入数字信号由FPGA产生，D/A输出电流信号经过跨阻放大器变为电压信号，用来调制Y波导。两路控制信号一路为固定的双频率信号，另一路为为了锁定频率斜率不断变化的阶梯波。光源稳频电路与阶梯波发生电路相同，输入信号为控制光源频率的数字信号，变为电压信号后用来稳定光源频率。各端子的连接如图5所示，
FPGA处理器U1的16位数据输出端与D/A转换器U12的16位数据输入端相连，D/A转换器U12的21端连接电容C439后接地，D/A转换器U12的22端连接电容C438后接地，D/A转换器U12的23端接-5V电压，且电容C420、电容C447并联在D/A转换器U12的23端和地之间，D/A转换器U12的25端接+5V电压，且电容C419、电容C446并联在D/A转换器U12的25端和地之间，D/A转换器U12的15端通过电阻R409后接2.5V电压，同时通过电容C427接地，D/A转换器U12的16端通过电阻R406后接2π电压，电容C452、电容C428并联在电阻R406的另一端上，电容C428、电容C452另一端接地，D/A转换器U12的时钟端26与FPGA处理器U1的时钟端172相连，D/A转换器U12的20端与电阻R413的一端相连，电阻R413的另一端与运算放大器N400B的输入端6相连，电容C429、电阻R414并联在运算放大器N400B的输入端6和输出端7上，运算放大器N400B的输入端5接地，运算放大器N400B的输出端7与光源连接。
FPGA处理器U1的16位数据输出端与D/A转换器U11的16位数据输入端相连，D/A转换器U11的21端连接电容C440后接地，D/A转换器U12的22端连接电容C437后接地，D/A转换器U11的23端接-5V电压，D/A转换器U11的25端接+5V电压，D/A转换器U12的15端通过电阻R408后接2.5V电压，同时通过电容C423接地，D/A转换器U11的16端通过电阻R405后接2π电压，D/A转换器U11的时钟端26与FPGA处理器U1的时钟端74相连，D/A转换器U11的20端与电阻R411的一端相连，电阻R411的另一端与运算放大器N400A的输入端2相连，电容C426、电阻R412并联在运算放大器N400A的输入端2和输出端1上，运算放大器N400A的输入端3接地，运算放大器N400A的输出端1与第一相位移频器连接。运算放大器N400A的电源输入端4与-5V电压相连，且电容C451、电容C425并联在运算放大器N400A的电源输入端4与地之间；运算放大器N400A的电源输入端8与+5V电压相连，且电容C445、电容C418并联在运算放大器N400A的电源输入端8与地之间。在本发明中，由FPGA处理器U1输出给第二相位移频器的控制信号处理过程相同，且电路也相同，故各端子的连接关系不再作说明了。
本发明的信号处理单元中各模块选取芯片为：FPGA选取EP1K50-208芯片，DSP选取TMS320VC33芯片，前放电路由选取OPA627AU芯片，A/D转换电路选取ADS804E，D/A选取LTC1668芯片，跨阻放大器芯片选取LT1807芯片。

Claims (5)

1、一种谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置，其特征在于：由中心处理器、信号采集单元A、信号采集单元B、控制信号发生单元组成，所述中心处理器包括FPGA处理器和DSP处理器，所述信号采集单元A和所述信号采集单元B的电路结构相同，所述控制信号发生单元包括用于控制第一相位移频器的阶梯波发生电路，用于控制第二相位移频器的阶梯波发生电路，以及用于控制光源的电压转换电路，第一相位移频器的阶梯波发生电路与第二相位移频器的阶梯波发生电路结构相同；
信号采集单元A将采集得到的由第一探测器输出的光强电压信号经第一前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号给FPGA处理器接收；信号采集单元B将采集得到的由第二探测器输出的光强电压信号经第二前置放大电路放大、滤波器滤波后，经A/D转换器转换输出的数字信号由FPGA处理器接收；
中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出频率补偿电压信号给控制信号发生单元的光源电压转换电路的D/A转换器、电压变换电路，从而输出控制光源的波长信号，使顺时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；
中心处理器对接收的两路数字信号经处理后输出两路信号，一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器A，经模拟放大器A放大处理后输出阶梯波信号给第一相位移频器进行频率调整，使逆时针传输光的干涉光强恒定在谐振点；另一路信号经D/A转换器后输出电流信号给模拟放大器B，经模拟放大器B放大处理后输出固定阶梯波信号给第二相位移频器。
2、根据权利要求1所述的闭环光频检测装置，其特征在于：FPGA选取EP1K50-208芯片，DSP选取TMS320VC33芯片，前放电路选取OPA627AU芯片，A/D转换电路选取ADS804E，D/A转换电路选取LTC1668芯片，跨阻放大器芯片选取LT1807芯片。
3、根据权利要求1所述的闭环光频检测装置，其特征在于：信号采集单元A采集由第一探测器的电压输出端通过电阻R201与运算放大器U9的输入端2相连接，运算放大器U9的输入端3与电阻R212的一端相连接，电阻R212的另一端接地，运算放大器U9的输入端2通过电阻R200与运算放大器U9的输出端6相连接，运算放大器U9的输出端6与滤波电路的电容C202的一端相连接，电容C202的另一端与电阻R206的一端相连，电阻R206的另一端与A/D转换器U8的输入端25相连，同时与电容C200相连，且电容C200另一端接地，A/D转换器U8的输出端22通过电阻R203后与A/D转换器U8的输入端25相连，A/D转换器U8的输出端20通过电阻R205后与A/D转换器U8的输入端25相连，A/D转换器U8的输出端22与输出端20经电阻R202、电阻R204串联，且电阻R202和电阻R204的连接端与A/D转换器U8的输入端23相连，同时与电容C201相连，电容C201另一端接地；AD转换器U8的12位数据线与FPGA处理器U1的12位数据线相连，AD转换器U8的时钟信号端14与FPGA处理器U1的时钟信号端7相连。
4、根据权利要求1所述的闭环光频检测装置，其特征在于：控制信号发生电路的用于控制光源的电压转换电路中，FPGA处理器U1的16位数据输出端与D/A转换器U12的16位数据输入端相连，D/A转换器U12的21端连接电容C439后接地，D/A转换器U12的22端连接电容C438后接地，D/A转换器U12的23端接-5V电压，且电容C420、电容C447并联在D/A转换器U12的23端和地之间，D/A转换器U12的25端接+5V电压，且电容C419、电容C446并联在D/A转换器U12的25端和地之间，D/A转换器U12的15端通过电阻R409后接2.5V电压，同时通过电容C427接地，D/A转换器U12的16端通过电阻R406后接2π电压，电容C452、电容C428并联在电阻R406的另一端上，电容C428、电容C452另一端接地，D/A转换器U12的时钟端26与FPGA处理器U1的时钟端172相连，D/A转换器U12的20端与电阻R413的一端相连，电阻R413的另一端与运算放大器N400B的输入端6相连，电容C429、电阻R414并联在运算放大器N400B的输入端6和输出端7上，运算放大器N400B的输入端5接地，运算放大器N400B的输出端7与光源连接。
5、根据权利要求1所述的闭环光频检测装置，其特征在于：控制信号发生电路的用于控制第一相位移频器的阶梯波发生电路中，FPGA处理器U1的16位数据输出端与D/A转换器U11的16位数据输入端相连，D/A转换器U11的21端连接电容C440后接地，D/A转换器U12的22端连接电容C437后接地，D/A转换器U11的23端接-5V电压，D/A转换器U11的25端接+5V电压，D/A转换器U12的15端通过电阻R408后接2.5V电压，同时通过电容C423接地，D/A转换器U11的16端通过电阻R405后接2π电压，D/A转换器U11的时钟端26与FPGA处理器U1的时钟端74相连，D/A转换器U11的20端与电阻R411的一端相连，电阻R411的另一端与运算放大器N400A的输入端2相连，电容C426、电阻R412并联在运算放大器N400A的输入端2和输出端1上，运算放大器N400A的输入端3接地，运算放大器N400A的输出端1与第一相位移频器连接，运算放大器N400A的电源输入端4与-5V电压相连，且电容C451、电容C425并联在运算放大器N400A的电源输入端4与地之间；运算放大器N400A的电源输入端8与+5V电压相连，且电容C445、电容C418并联在运算放大器N400A的电源输入端8与地之间。
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