CN205317211U - 一种基于dsp的激光陀螺稳频控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于DSP的激光陀螺稳频控制电路。它包括光电信号转换与前置放大器、A/D转换器、D/A转换器、功率放大电路、压电陶瓷、环形谐振腔和DSP芯片；光电信号转换与前置放大器的输出端与A/D转换器的输入端电连接，A/D转换器的输出端与DSP芯片的数据输入端口连接，DSP芯片的数据输出端口与所述的D/A转换器输入端口电连接，D/A转换器输出通过功率放大电路与压电陶瓷电连接，压电陶瓷粘接在激光陀螺环形谐振腔体内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，激光陀螺的光电信号转换与前置放大器将光强信号检测出来，整个***形成一个闭环***。DSP芯片通过插值法与查表法产生调制信号，来实现陀螺输出的光强信号的调制与相敏解调。

Description

一种基于DSP的激光陀螺稳频控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种激光陀螺的稳频控制电路，该电路能够实现激光陀螺的稳频控制。

背景技术

在激光陀螺的环形谐振腔内，激光的振荡频率v为环形谐振腔的纵模频率，即v＝qc/nL。

式中：L为环形谐振腔的长度，以下简称腔长；c为光速；n为折射率；q为正整数，称为一个模式；

许多因素会引起腔长L及折射率n的变化，二者又会引起纵模频率v的变化，其变化量△v可表示为：

$\mathrm{\Δ}v=v(\frac{\mathrm{\Δ}n}{n}+\frac{\mathrm{\Δ}L}{L})$

当腔长发生变化时纵模频率v将在增益轮廓内漂移，引起激光陀螺标度因数的变化以及零位漂移，导致激光陀螺的测量误差。

激光陀螺的环形谐振腔是激光运行的载体。环境温度的起伏、激光管的发热等原因都会引起环形谐振腔几何尺寸发生变化；激光反射镜槽片具有较大的温度线性膨胀率，工作过程中也会发生一定的形变；另外，压电陶瓷通过环氧树脂胶固联在环形谐振腔体内，高温条件下环氧树脂胶的蠕变特性也会使环形谐振腔几何尺寸发生较大的变化。

当腔长变化使得纵模频率漂移出阈值轮廓之外而相邻的纵模频率又未能进入增益轮廓之内的时候，就会没有激光输出。当纵模频率偏离增益轮廓中心区域较大，但又未跑出增益轮廓时，相邻的纵模频率有可能进入增益轮廓而与原纵模频率同时振荡在环形谐振腔内，这将使激光信号难以检测。当新进入增益轮廓的纵模频率获得的增益大于原有纵模频率的增益时，激光器将发生纵模跳变，从而引起激光陀螺输出光强信号的跳变。

由上述原因引起的腔长的漂移严重影响激光陀螺的精度。因此，必须采取腔长控制来补偿腔长的变化，从而达到稳频的目的，提高激光的精度和稳定性。

传统的稳频控制电路由调制信号发生器、光电信号转换与前置放大、带通滤波、相敏解调、校正控制器、功率放大等电路组成。

光电信号转换与前置放大将陀螺输出的光强信号转换为电压信号并将其放大滤波。

光强信号是被调制信号调制的，光强信号中含有调制信号频率的多次谐波成分，而且激光陀螺机抖引入的干扰尖峰脉冲频谱分布较宽，因此需要用带通滤波器将以上干扰衰减，以改善光强信号的信噪比。

被调制信号调制的光强信号，需要解调出一次谐波的幅度作为腔长的误差信号，这由相敏解调完成。

校正控制器可以改善稳频控制电路的动态性能，如减小稳态误差，提高控制精度等。

校正控制器输出的稳频控制信号经功率放大后驱动压电陶瓷使腔长变长或变小。

最后，整个稳频控制电路形成一个闭环***。

原技术采用的是模拟器件，涉及器件种类、数量都比较多，体积大，并且模拟器件受环境温度影响大，易老化，调试不方便，可靠性不高。这些缺点导致激光陀螺零偏漂移较大，降低了陀螺精度。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本实用新型提供一种基于DSP的激光陀螺稳频控制电路。它采用数字解决方案，克服了模拟电路易受温度影响、调试复杂、体积大等缺陷，提高了高低温环境下激光陀螺的环境适应性，以及陀螺精度。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：它包括光电信号转换与前置放大器、A/D转换器、D/A转换器、功率放大电路、压电陶瓷、环形谐振腔和DSP芯片，所述的DSP芯片包括调制信号发生器、带通滤波器、相敏解调器和校正控制器。光电信号转换与前置放大器的输出端与A/D转换器的输入端电连接，A/D转换器的输出端与DSP芯片的数据输入端口连接，DSP芯片的数据输出端口与所述的D/A转换器输入端口电连接，D/A转换器输出通过功率放大电路与压电陶瓷电连接，压电陶瓷粘接在激光陀螺环形谐振腔体内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，激光陀螺的光电信号转换与前置放大器将光强信号检测出来，整个***形成一个闭环***。

本实用新型具有下列优点：1)DSP数字电路灵活性很大，能够实现各种控制逻辑，在线设计调试；2)可以实现模拟电路难以实现的控制算法；3)可以针对性地对每个陀螺个体进行温度补偿，提高了陀螺的环境适应性；4)同时提高了激光陀螺生产效率和可维护性。

附图说明

图1为本实用新型稳频控制电路方框图；

图2为本实用新型调制信号发生器方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括光电信号转换与前置放大器、A/D转换器、D/A转换器、功率放大电路、压电陶瓷、环形谐振腔和DSP芯片；所述的DSP芯片实现的功能包括调制信号发生器、带通滤波器、相敏解调器和校正控制器。光电信号转换与前置放大器的输出端与A/D转换器的输入端电连接，A/D转换器的输出端与DSP芯片的数据输入端口连接，DSP芯片的数据输出端口与所述的D/A转换器输入端口电连接，D/A转换器输出通过功率放大电路与压电陶瓷电连接，压电陶瓷粘接在激光陀螺环形谐振腔体内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，激光陀螺的光电信号转换与前置放大器将光强信号检测出来，整个***形成一个闭环***。

DSP芯片将数字化的光强信号进行带通滤波、相敏解调、校正控制，形成腔长控制信号，最后通过DSP芯片的数据输出端口输出。为了实现光强信号调制与相敏解调，DSP芯片通过插值法与查表法产生调制信号，即调制信号发生器。调制信号与腔长控制信号叠加在一起输出到D/A转换器。并经过功率放大器驱动压电陶瓷控制激光陀螺的腔长，对陀螺输出的光强信号进行调制。

光电信号转换与前置放大器将激光陀螺输出的光强信号转换为电压信号并将其放大。A/D转换器将其转换成数字信号，并被DSP芯片采集。光电信号转换与前置放大器输出的电压信号存在噪声信号，需要DSP芯片中的带通滤波器将噪声信号衰减，改善数字信号的信噪比，相敏解调器将被调制的数字信号解调，然后经过校正控制器校正、调整，形成腔长控制信号。

DSP芯片通过插值法和查表法产生调制信号，对光强信号进行调制，并产生与被调制光强信号同频同相的相敏解调参考信号，实现光强信号的相敏解调。

最后，调制信号与腔长控制信号叠加在一起，由DSP芯片输出给D/A转换器，再经功率放大电路后驱动压电陶瓷使腔长变长或变小。其中，带通滤波器、相敏解调器、校正控制器、调制信号发生器、均由DSP芯片来完成。

本实用新型实现稳频控制的具体过程如下：

DSP的调制信号发生器用于产生调制信号及相敏解调参考信号，其中调制信号为正弦信号，采用查表法产生，相敏解调参考信号为与陀螺输出的光强信号同频同相的方波。调制信号发生器的方框图如图2所示。

正弦信号产生的方法是通过仿真得到调制周期T内正弦信号各采样点n(n＝0，1，2，…，N)幅值对应的量化数据，将其导入DSP芯片内部ROM或外部ROM中。利用计数器依次产生地址值，并依次从ROM中把不同地址对应的量化数据读出，再通过线性插值法计算出相邻采样点(n与n+1)之间的幅值量化数据，各个采样点和采样点之间的幅值量化数据组合在一起形成正弦信号，并经过D/A转换器转换为模拟量输出，从而输出近似的正弦波形。调制周期T内采样点数N越多，产生的正弦信号越平滑、越接近于理想曲线。

产生相敏解调参考信号的方法是在计数器计数到i/T时(i在0～N范围可调整)，DSP芯片的I/O口输出相敏解调参考信号，此时相敏解调参考信号相位延时为2πi/T，通过调整i使相敏解调参考信号与陀螺输出的光强信号相位相同。

光电信号转换与前置放大器将激光陀螺输出的光强信号I转换为电压信号U并将其放大。A/D转换器将其转换为数字信号U_D，并由DSP芯片采集。

DSP芯片中的数字带通滤波器将采集到的数字信号U_D中的噪声信号衰减，以提高数字信号U_D的信噪比。数字带通滤波器的中心频率为调制信号的频率，通带增益为1。该数字带通滤波器由无限冲击响应滤波器实现。

DSP芯片中的相敏解调部分将采集到的数字信号U_D的进行解调。相敏解调参考信号由调制信号发生器产生，当相敏解调参考信号为高电平时，数字信号保持不变，即U_S＝U_D。反之为低电平时，数字信号反向，即U_S＝-U_D。再经过数字低通滤波器滤波，得到光强信号的相敏解调输出。数字低通滤波器由无限冲击响应滤波器实现。

相敏解调输出信号U_S为稳频控制的误差信号，将U_S送入控制器中。DSP芯片可根据激光陀螺的具体要求的不同而采用不同的控制算法来构造控制器，如PID、超前滞后校正、模糊控制等控制算法。并且算法实现与调整非常方便。

控制器输出的腔长控制信号，即稳频控制信号经D/A转换与功率放大后驱动压电陶瓷使腔长变长或变小,最终实现激光陀螺的稳频控制。

Claims (1)

1.一种基于DSP的激光陀螺稳频控制电路，其特征在于：包括光电信号转换与前置放大器、A/D转换器、D/A转换器、功率放大电路、压电陶瓷、环形谐振腔和DSP芯片，所述的DSP芯片包括调制信号发生器、带通滤波器、相敏解调器和校正控制器；光电信号转换与前置放大器的输出端与A/D转换器的输入端电连接，A/D转换器的输出端与DSP芯片的数据输入端口连接，DSP芯片的数据输出端口与所述的D/A转换器输入端口电连接，D/A转换器输出通过功率放大电路与压电陶瓷电连接，压电陶瓷粘接在激光陀螺环形谐振腔体内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，激光陀螺的光电信号转换与前置放大器将光强信号检测出来，整个***形成一个闭环***。