一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，用于实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。该方案是在传统的锯齿波相位调制方法基础上进行改进设计，可以解决锯齿波在复位时刻电压闪回所带来的问题。改进设计思路为：利用DAC和驱动电路的差分特性和对称性，使DAC及其驱动电路产生两路差分且关于0V对称的三角波；通过控制两路模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波；该方案产生的锯齿波作用于Y波导的两个电极，其效果等效于传统方案直接输出的锯齿波，叠加偏置调制后可以实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。

A fiber optic gyroscope closed loop feedback control triangular phase modulation wave driver

The invention discloses a fiber optic gyroscope closed loop feedback control triangle phase modulation wave drive device, which is used to realize closed loop feedback control of fiber optic gyroscope. This scheme is an improved design based on traditional serrodyne phase modulation method, can solve the sawtooth voltage in the reset time of flashback. Improved design idea: using DAC and driving circuit of differential characteristics and symmetry, the DAC and its driving circuit generates two differential triangular wave and a 0V symmetry; by controlling the two analog switch, the switch between the two channel signal in the triangle vertex, two differential triangular wave divided for two differential splicing sawtooth points; sawtooth wave effect of the program of the two electrode in the Y waveguide, the equivalent effect of sawtooth wave from the traditional scheme of direct output, superposition bias modulation can realize the closed-loop feedback control of fiber optic gyro.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置
本专利技术涉及一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，属于光纤陀螺

技术介绍
光纤陀螺作为一种基于Sagnac效应的惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，广泛应用于惯性测量领域。光纤陀螺的信号检测方法可分为开环检测方法和闭环检测方法。开环光纤陀螺通过增加方波相位调制，得到稳定的π/2相位偏置，实现测量的最大灵敏度，但是开环陀螺的标度因数稳定性和非线性特别差。为了实现精确而稳定的线性标度因数，在开环光纤陀螺的基础上引入反馈控制回路，实现光纤陀螺闭环检测装置。具体的闭环反馈控制方法是将解调出的开环信号作为一个误差信号进行积分，然后通过相位调制器反馈回系统中，产生一个附加的反馈相位差与旋转引起的相位差大小相等、符号相反，使得总的相位差被伺服控制在零相位附近。闭环光纤陀螺的反馈相位是由开环信号不断积分得到的，由于不可能无限上升，需要进行2π复位，从而形成锯齿状相位调制波。总之，闭环光纤陀螺的相位调制驱动信号是方波偏置调制和锯齿波相位反馈调制的叠加。但是，在实际使用过程中，锯齿波相位反馈调制存在一些问题：(1)锯齿波复位时刻的电压闪回现象需要DAC(数模转换器)及其驱动电路(由运算放大器和阻容器件组成)具有很大的带宽和压摆率，而往往由于这些器件在带宽、建立时间和压摆率等性能上的限制，产生的调制波形在复位时刻具有较大的失真，在光纤陀螺的结算结果中引入误差；(2)锯齿波在复位时刻的电压闪回具有丰富的频谱分量，会引入更多的电磁干扰问题。若采用三角波代替锯齿波进行闭环反馈相位调制，可以解决电压快速复位带来的各种问题。1989年，R.A.Bergh提出了双斜波(Dual-ramp)相位技术，将光纤陀螺干涉信号的相位差控制在±π上，其调制信号波形为三角形，可通过计算三角形两条边的时间差获得角速率。但是这种调制方法需要引入非常大的相位幅度，对相位调制驱动电路和相位调制器的工作电压范围提出了很高的要求。此外，双斜波相位调制不适用于数字闭环方案，因为数字的量化效应使得时间差的测量存在较大误差，从而降低陀螺的检测精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服锯齿波相位调制和双斜波相位调制技术的不足，提供一种新型的三角波相位调制驱动装置，在不需要非常大的调制幅度的情况下，降低对驱动电路的带宽和压摆率等性能指标的要求，减小电磁干扰问题。同时，本专利技术适用于模拟和数字两种调制方式。本专利技术的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，电路结构由一个数字信号处理芯片、一个DAC芯片、DA驱动电路、两路模拟开关和一个Y波导构成，相较于传统的锯齿波相位调制方案，增加了两路模拟开关；设计软件程序，使数字信号处理芯片产生数字三角波；经过DAC及其驱动电路，产生两路差分且关于0V对称的三角波；通过控制两个模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波，锯齿波作用于Y波导的两个电极，其效果等效于传统方案直接输出的锯齿波，叠加偏置调制后可以实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。所述数字信号处理芯片可以是DSP(数字信号处理器)、FPGA(可编程逻辑门阵列)或ASIC(专用集成芯片)，是光纤陀螺实现数字闭环检测的核心器件，不仅控制着光纤陀螺的调制与解调，而且将解调出的开环信号作为误差信号进行积分，通过时序控制与数据处理最终输出数字量的三角波。所述DAC芯片是将数字信号处理芯片产生的数字量三角波转换成两路模拟电流信号IA和IB，且IA和IB具有差分特性，即IA+IB＝0。所述DA驱动电路是一个差分放大电路，将DAC产生的两路电流信号IA和IB转换成两路电压信号VA和VB，VA和VB即两路差分的模拟三角波，同样满足VA+VB＝0。所述模拟开关是一个双刀双掷(DPDT)型模拟开关，实现连接两路模拟三角波至两个Y波导电极的通道的相互切换，模拟开关的输入控制信号由数字信号处理芯片进行控制，在三角波的最高点和最低点时进行开关切换。所述Y波导也称为多功能集成光学芯片，是将电压信号转化为光学相位信号的相位调制器，Y波导的两个电极均与模拟开关的两路输出相连，经过模拟开关的切换，到达Y波导两个电极的电压信号变为两路差分的锯齿波。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供的三角形相位调制波驱动装置，通过数字信号处理芯片控制模拟开关进行切换，实现模拟三角波到锯齿波的转换，可以避免传统的直接使用锯齿波调制时由于快速复位引入的误差和电磁干扰问题，提高了测量精度；(2)本专利技术提供的三角形相位调制波驱动装置，可以降低对驱动电路和器件性能指标的要求，增加器件的选择范围，进而可降低设计成本。附图说明图1是为闭环光纤陀螺原理示意图；图2为本专利技术的总体装置示意图；图3为模拟三角波转锯齿波的信号转换过程；图4为非理想的锯齿波相位调制波形；图5为非理想的三角波相位调制波形；图6为相位反馈调制波与方波叠加后的波形。图中：1-FPGA2-DAC3-驱动电路4-模拟开关5-Y波导6-相位调制波7-相位调制波与方波叠加后的调制波具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，闭环光纤陀螺的原理示意图如图1所示，为了提高测量精度以及克服开环光纤陀螺输出易受干扰噪声影响的问题，引入反馈控制回路，实现光纤陀螺的闭环控制。本专利技术的三角相位反馈调制设计技术的总体装置示意图如图2所示，以数字调制装置为例，该装置的总体思路为：(1)首先实现锯齿波到数字三角波的转换。在FPGA-1程序中对相位调制波第2N(N为正整数)个复位周期内的数据进行补码操作，即对本该为锯齿波的调制信号的所有偶数边进行反转，变为数字三角波输出给DAC-2；(2)实现模拟三角波到锯齿波的转换。当DAC-2及其驱动电路-3输出两路差分的模拟三角波后，用FPGA-1内的程序控制模拟开关-4对三角波的第二个边进行切换，将一路模拟三角波的一边与差分电路中另一路的模拟三角波的另一条边拼接成锯齿波，之后再进行相位反馈调制。通过上述分析可知，调制信号共有两个转换过程：1，在FPGA-1中实现输出数字三角波至DAC-2；2，DAC-2输出的模拟三角波经模拟开关-4转换后拼接成锯齿波。详细的信号转换过程如图3所示。首先，在FPGA-1程序中控制输出至DAC-2的相位调制波为数字三角波，这个过程可以通过自动溢出和补码操作完成。实现过程举例如下：如当FPGA-1内的相位调制数据由FFFDh上升为10005h时，溢出变为0005h，补码操作变为10000h-0005h＝FFFBh；当相位调制数据由0001h下降2bit时，溢出变为FFFFh，补码操作变为10000h-FFFFh＝0001h。这个过程实现了三角形的两条边通过顶点处的过渡。此外通过对三角波的增益和偏移量控制，可使DAC-2及其驱动电路-3输出两路差分的模拟三角波且两路模拟三角波的幅值关于0V对称，如图3中(a)所示，两路差分信号的幅值相等且VP+VN＝0。当FPGA-1中相位调制数据发生溢出时，FPGA-1控制模拟开关-4切换的SW信号发生翻转，如图3中(b)所示。模拟开关-4在复位时刻，即三角波的顶点处，对两路差分信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，包括数字信号处理芯片、DAC芯片、DA驱动电路、两路模拟开关和Y波导；数字信号处理芯片产生数字三角波，经过DAC芯片，产生两路差分且关于0V对称的三角波，通过控制两个模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波，锯齿波作用于Y波导的两个电极，叠加偏置调制后，输出至光纤陀螺，实现闭环反馈控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，包括数字信号处理芯片、DAC芯片、DA驱动电路、两路模拟开关和Y波导；数字信号处理芯片产生数字三角波，经过DAC芯片，产生两路差分且关于0V对称的三角波，通过控制两个模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波，锯齿波作用于Y波导的两个电极，叠加偏置调制后，输出至光纤陀螺，实现闭环反馈控制。2.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述数字信号处理芯片为数字信号处理器、可编程逻辑门阵列或ASIC专用集成芯片。3.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述DAC芯片是将数字信号处理芯片产生的数字量三角波转换成两路模拟电流信号IA和IB，且IA和IB具有差分特性，即IA+IB＝0。4.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述DA驱动电路为差分放大电路，将DAC产生的两路电流信号IA和IB转换成两路电压信号VA和VB，VA和VB即两路差分的模拟三角波，同样满足VA+VB＝0。5.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述模拟开关为双刀双掷DPDT型模拟开关，实现连接两路模拟三角波至两个Y波导电极的通道的相互切换，模拟开关的输入控制信号由数字信号处理芯片进行控制，在三角波的最高点和最低点时进行开关切换。6.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述Y波导将电压信号转化为光学相位信号的相位调制器，Y波导的两个电极均与模拟开关的两路输出相连，经过模拟开关的切换，到达Y波导两个电极的电压信号变为两路差分的锯齿波。7.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述的三角波转换为锯齿波控制复位时刻的相位差为2π的方法，具体为：(1)锯齿波复位相位差控制条件获取锯齿波的幅值VPP+，VPP-和偏移量VB+，VB-：VPP+＝(VP+)-(VN+)＝KDA+NP(1)VPP-＝(VP-)-(VN-)＝KDA-NP(3)其中：VP+，VN+，VP-，VN-分别为两个差分锯齿波的上下顶点，KDA+和KDA-为两路差分信号由数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春熹，张少博，潘雄，宋舒雯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11