角速度传感测试系统中锁频模块的应用研究*

张蔚云， 闫树斌， 薛晨阳， 甄国涌

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

锁频技术在现代科技应用中有着重要的应用，尤其在高选择性、大动态范围系统中作用明显。在卫星导航接收机[1]中能将载波偏差牵引到锁相环能够捕获的范围, 使得锁相环可以实现相干解调得到导航电文；在调频时间处于同等数量级的频率合成器[2]中，利用锁频环路可以大大降低仪器的成本和复杂度，并提供更好的噪声和杂散性能，大大降低数字通信系统的误码率。本文中的角速度传感测试系统采用单路闭环检测方案，锁频模块的PI控制电路利用鉴频曲线，通过调节比例—积分参数实现对激光器的反馈控制和对谐振点的跟踪锁定，能够确保在旋转测试中更清晰地观察谐振点的变化情况，进而对旋转角速度进行分析。

1 系统原理

图1(a)为环形腔角速度传感测试系统图，该系统采用单路闭环检测方案。由激光器产生的波长为1 550 nm的光波，经过相位调制器调相后，进入光纤环形谐振腔中形成一个谐振光束，如图1(b)中曲线1。光电探测器检测到该光束并将其转换为电信号输出。锁相放大器对光电探测器测得的信号进行解调，同时信号发生器输出一个频率为4 MHz，峰峰值为4 V的正弦波，作为解调时的扫频信号输入到锁相放大器的外部参考端。解调后的信号如图1(b)中曲线2，输入到锁频电路中，与其中自动产生的三角波信号叠加，经高压放大器后反馈到激光器的频率控制端，对压电陶瓷进行控制，进而改变激光器输出光的中心频率，使激光器频率始终跟踪微腔光束的谐振频率变化。只要锁相放大器输出存在解调信号，反馈伺服将一直进行[3]，直至激光器中心频率锁定在光电探测器输出光束的谐振频率上达到环路的平衡态，对应锁相放大器输出为0。由图1(c)可以看出，在频率锁定的瞬间，透射峰被拉至最低点，锁频后曲线的上下波动幅度表征了透射谱移频后的频差，幅度越小，频差越小，精细度越高。

图1 光纤环形腔角速度传感测试系统图

2 锁频电路模块

本电路共三路输入，一路输出。其中，三角波信号作为激光器的扫频信号，通过开关控制[4]，输入到加法器中；误差信号经过同相、反相开关之后，进入PI控制器进行比例积分运算[5]，再通过开关控制，输入到加法器中；误差偏置信号同样通过开关控制，输入到加法器中；加法器经过加法运算后，输出一个电平信号作为对激光器频率进行调节的反馈信号。

3 关键技术

3.1 三角波发生与放大电路

图2中，U1A和U1B构成的正反馈运放系统，能够产生频率为20 Hz、峰峰值为2 V的三角波信号。调节滑动变阻器RW1能够改变频率和峰峰值，经过U1C后发生反相放大，再经过U1D反相。本部分电路替代了外部的一个信号发生器，对激光器进行扫频。

图2 三角波发生与放大电路图

设RW1与R2相连部分的电阻为R′，那么,U1B的7引脚输出的三角波的电压值为U1，三角波频率为f

3.2 PI控制电路

图3所示PI控制电路是锁频电路的核心。通过调节滑动变阻器RW1，能使U1A输出一个偏置电压U2作为U2D加法器的反相输入，同时鉴频信号作为同相输入，输出Verr0

Verr0=Verr-U2.

此处开关的控制信号与3.4节中最终加法器部分中三角波输入的控制信号是相同的，均为switch1。只要有三角波输入到加法器中，即switch1高电平，C5,C6被短路。

图3 PI控制电路图

3.3 透射峰产生控制信号

图4所示为透射峰产生控制信号电路，其核心为滞回电压比较电路，由正反馈电路构成。U4B的反相输入端输入微腔透射峰信号，同相输入端输入阈值电压。根据滞回比较电路的电压传输特性可知，当透射峰信号的电压值高于阈值电压时，U4B输出低电平，三极管Q1截止，Lock-CTRL输出高电平。同时Q2部分通过LED的亮灭来指示透射峰是否通过。当U4B输出低电平，R48分压，Q2导通，LED点亮；否则，熄灭,即当透射峰到来时，LED灯熄灭。滑动变阻器RW4用来调节阈值电压，一般调节为透射峰的半高全宽值。

图4 透射峰产生控制信号电路图

3.4 逻辑开关控制加法器的输入

输入加法器进行加法运算的3个信号分别为三角波信号、PI输出信号、偏置信号，通过逻辑开关控制加法器的输入。锁频电路有3个控制档位，分别为扫描、手动、锁频。在断开三角波和PI输出的情况下，手动调节偏置，避免通电情况下调节偏置时可能对PI控制器中电容产生的冲击。

4 实验测试

4.1 频率锁定

图5为锁频时刻的曲线图，其中虚线是鉴频曲线，实线是透射峰曲线。当锁频开关打开时，透射曲线被瞬间拉低到最低点，即谐振频率处，并始终保持在最低点基本不变。实验证明:该锁频模块实现了对激光器中心频率的锁定。

图5 频率锁定时刻曲线图

4.2 锁频稳定性

实验过程中，将环形腔和相关器件固定在转台上，先打开锁频开关，将激光器中心频率锁定在谐振频率处；然后通过上位机软件设置转速、时间等参数，控制转台进行旋转，并在示波器上观察波形。

图6为频率锁定状态下，转速1 r/s、转动不同圈数时，相同时间内锁频曲线波形的对比图。实验证明:转动圈数越多即时间越长，锁频曲线的波动频率越大。

图6 频率锁定状态下，转速1 r/s、转动不同圈数，10 s内锁频曲线波形对比图

图7为频率锁定状态下，不同转速时，相同时间30 s内锁频曲线波形的对比。实验证明:在相同应力和环境因素影响下，转速越大，锁频曲线的波动越大。多次实验的经验值，转台转速小于1 r/s，震荡幅值小，频差小，精细度[6]高；大于1 r/s后震荡幅值变大。

图7 频率锁定状态下,不同转速，30 s内锁频曲线波形对比图

5 结束语

本文介绍了一种微腔角速度传感测试系统中的锁频电路模块,概述了整个系统的功能，并对电路中的几个重要部分进行了分析介绍。实验结果证明:该电路模块能将激光器中心频率始终锁定在谐振点处，一定时间内转台转速小于1 r/s时，锁频曲线震荡幅值小，透射峰相移小，精细度高。

参考文献:

[1] 张 星,张 昆,毕彦博,等.卫星导航接收机中多波束干扰技术[J].全球定位系统,2012,37(5):46-51.

[2] 陈敏华,李江夏,时 翔,等.基于锁定时间分析的锁相环频率合成器[J].微波学报,2012,28(1):57-61.

[3] 杨雪锋，郑阳明，马慧莲，等.谐振式光纤陀螺环路锁频技术研究[J].传感技术学报，2007,20(5):990-993.

[4] 孙明玮，焦纲领，杨瑞光，等.PI控制下开环不稳定对象可行稳定裕度范围的研究[J].自动化学报，2011,37(3):385-388.

[5] 苑丹丹，胡姝玲，刘宏海，等.激光器稳频技术研究[J].激光与光电子学进展，2011,48(8):1-7.

[6] 鲍慧强，毛 慧，马慧莲，等.谐振式微型光学陀螺锁频精度分析[J].浙江大学学报：工学版，2010,44(1):94-135.