PCI-9846在光学陀螺频率锁定跟踪研究中的应用(2)

信号送入凌华PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道1进行同步数字采样，数字信号通过PCI总线与陀螺测试软件进行数据链接，经过陀螺谐振点自锁定算法运算后将待锁定误差反馈给DA运算单元，软件将当前反馈控制数字信号经过PCI总线送入凌华PCI-6208 16-bits数字模拟输出板卡，PCI-6208输出3路模拟反馈输出信号，分别控制PZT(压电陶瓷晶体)的基准偏置电压和AOFS1，AOFS2的光频移频控制电压。

系统自控算法根据控制因子参数进行自锁定，当待锁定范围比较大时进行PZT光源调整，当待锁范围处于声光移频器的锁定误差范围时，系统进行声光细锁操作。当系统锁定到谐振点静态误差允许范围内时，系统逆时针分路锁定完成,检测软件自动计算出谐振频率 并暂存记为 。

逆时针分路进行谐振点自锁的同时，另一路光路通过AOFS2(声光移频器2)由C3耦合器进入谐振腔沿顺时针光路进行传输通过C4耦合到C2通过PD2进行光电探测输出，PD2(光电探测器2)经过LIA2(锁相放大器2)进行相关检测输出，此路输出信号用于陀螺开环模拟输出，与此同时，该模拟信号通过凌华PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道2进行同步数字采样，软件反馈计算与逆时针分路操作类似。

当顺时针子系统锁定到谐振点静态误差允许范围内时，系统顺时针分路锁定完成,检测软件自动计算出谐振频率 并暂存记为 。

在上述情况下，通过谐振点锁定算法得到逆时针和顺时针光波的谐振频率 和 ，当陀螺静止时， ，当陀螺旋转运动时，顺逆时针光路会产生一个谐振频差，有：

⑺

另外说明：当对于 匝的光纤谐振腔，周长 变为 ，面积 变为 ， 变为 ，然而 。从上式可以看出，对于多圈谐振腔与仅有一匝光纤的谐振腔公式相同，对于谐振式光纤陀螺，增加匝数即增加光纤长度，其自由谱范围 减小，相应地降低了精细度，因此不能增大萨格奈克效应。只有精细度一定，才能通过增加光纤匝数提高谐振式光纤陀螺的检测灵敏度。

3 电控检测系统设计

电控检测系统分为前级信号调理(光电转换电路设计、相关检测部分)、多通道同步AD转换部分、多通道DA转换部分、声光驱动部分、PZT驱动部分。系统原理图如图4所示

3.1 前级信号调理部分

光纤陀螺850nm波长一般选用Si-PIN光电探测器，1310nm和1550nm波长选用InGaAs-PIN光电探测器，与普通探测器相比具有：1、暗电流较小;2、灵敏度高;3、复合噪声较小;4、结电容较小，改善频率响应;5、响应波长范围较宽。为了使PIN光电探测器达到最佳属性，采用PIN-FET组和电路设计，PIN管反偏高输出阻抗，与FET的高输入阻抗相匹配，同时减小了外部干扰和杂散电容，大大降低了热噪声，这对低噪声器件应用设计大有益处。

对于探测器组件，主要技术指标是其增益、带宽以及噪声水平。探测器组件的增益上限为最大光功率入射情况下使其输出不饱和的最大值。通常，探测器组件的带宽是光纤陀螺本征频率的10倍以上，在本设计应用中，探测器的带宽选在4MHz以上，从而避免调制失真现象发生。前置放大器之后连接隔直电路，滤掉探测器输出信号的直流分量，为后续AD转换器的采样电压提供良好的工作范围。

光电探测器前置放大器的连接方式主要有3种：低阻抗、高阻抗和跨阻抗电路。低阻抗电路具有带宽宽、噪声低的特点，但整个电路的信噪比受放大器低输入阻抗的影响;高输入阻抗电路信噪比灵敏度高，动态范围及带宽较低。跨阻抗连接具有灵敏度高、信噪比高、带宽宽、动态范围适中等特点，本设计采用跨阻抗电路设计[4]。

前放的性能主要体现探测器组件的频率、阻容、噪声以及放大倍数等性能。图5为探测电路的电路原理图。

第一级为场效应管(FET)共源极放大器，FET具有输入阻抗高，热噪声低的特点，共源极接法有较高增益，输入为电压变量，输出为电流变量，在放大区小信号工作时，可看作系数为G的线性跨导放大器。

第二级为PNP晶体管共基极放大器，R3,R4构成直流偏置，C2为交流旁路，使基极与地交流短路，成为公共参考点，发射极输入，集电极输出。放大器的特点是频率特性好、电压增益高、无电流增益、输入阻抗低、输出阻抗高，正好与前后级匹配。

第三级为NPN晶体管共集电极放大器，此电路以集电极通过电源回路成为公共参考点，基极输入，发射极输出，又称射极跟随器。其特点是频率特性好、电压无增益、输出跟随基极电压、输入阻抗高、输出阻抗低、驱动能力强。