光纤陀螺输出信号模拟及计数卡的设计研究

曾凡钱

摘 要：光纤陀螺属于一种新型传感器，具有相对于惯性空间角运动、敏感性高的特点。本文首先介绍了光纤陀螺输出信号模拟的电路设计，然后分析了计数卡的设计以及软件的实际编程方法。经过实际测试，发现光纤陀螺输出信号的波形能够被设计的模拟电路精确地模拟出来，从而能够提供精准的输入测试信号给计数卡，设计的计数卡具有精度高、电路简单的优点，证明此设计是正确的、可靠的。

关键词：光纤陀螺；输出信号；模拟；计数卡

1 光纤陀螺概述

1.1 光纤陀螺简介

光纤陀螺属于角速度传感器的一种，所应用的技术是光纤技术，目前光纤陀螺已经在导弹、车辆、卫星、潜艇、飞行器的姿态控制与导航制导中得到了广泛的应用，并且在矿井测斜、定位定向等领域也发挥着非常重要的作用。作为一种全新的惯性器件，光纤陀螺除了电路部分外，只需要五个光路器件，利用光纤环中的光在传输的时候所出现的Sagnac相位差能敏感的捕捉到载体转动的角速度，其中光纤陀螺全部为固态结构，没有转动部件，具有动态范围大、抗冲击、启动快、耐振动、寿命长、高可靠性的特点，与其他角速度传感器相比，具有成本低、重量轻、体积小的优点，因此在国内外的惯性技术界得到了前所未有的重视，很快成为既机械陀螺、激光陀螺之后的能够广泛应用的第三代陀螺。

光纤陀螺目前尚属于一种新型陀螺，对惯性空间的角运动非常敏感，其输出形式通常为模拟电压、脉冲量或对应角速度值的数字量等。下面将要分析的是计数式光纤陀螺，转动的角速度值主要由脉冲数目量来表示，经由两条线对正反转输出，其中一条线输出负转速，另外一条线输出正转速。经由计算机处理的脉冲量，必须具有较高的采集精度、较大的采集范围，并且必须具备正反转计数的功能。计数式光纤陀螺的输出信号波形由信号模拟电路进行精准的模拟，信号的采集工作主要由计数卡来进行。

1.2 光纤陀螺的优良特性

和传统的激光陀螺、机电陀螺相比，光纤陀螺具备以下8点优良特性：

第一，具有的零部件不多，仪器稳定性好，牢固性强，具备很好的抗加速运动与抗冲击的性能；第二，由于具备较长的绕制光纤，因此与激光陀螺相比，其分辨率、检测灵敏度提升了几个数量级；第三，由于不包含机械传动部件，因此在使用过程中不会出现磨损的问题，使用寿命比较长；第四，对于集成光路技术的采用比较容易，拥有稳定信号，能够直接用数字输出，能够直接连接计算机接口；第五，通过对光在线圈中的循环传播次数的改变以及对光纤长度的改变，能够实现不一致的精度，而且动态范围比较宽；第六，由于相干光束的传播时间不长，因此不用预热就可在瞬间启动；第七，能够和激光陀螺联合使用，形成不同种类惯导系统的传感器，特别是能够形成捷联式惯导系统的传感器，具有广泛的用途；第八，光纤陀螺具有较轻的重量、较小的体积、较低的价格、较简单的结构，因此便于大量推广使用。

1.3 光纤陀螺存在的技术问题

虽然光纤陀螺有众多优点，也在国内外的众多行业有了广泛的应用，但是其仍然存在很多技术问题，不仅限制了其稳定性与精准性，还限制了其在各行各业的应用。光纤陀螺存在的技术问题主要有：一是其测量精度易受振动的影响，因此要想避免出现共振的情况，保障线圈良好的坚固性，就必须对线圈进行适当的封装，合理地设计陀螺的内部机械；二是易受温度瞬态的影响，环形干涉仪的两个反向传播光路在理论上是等长的，但是严格的成立条件是系统不随着时间而变化，实验证明，旋转速率测量值以及相位误差的漂移和温度的时间导数成正比，这在光纤的预热期间是非常有害的；三是偏振的影响，双偏振模式的光纤是目前应用较多的单模光纤，由于光纤的双折射能够引起寄生相位差，所以需要用偏振对波进行过滤，虽然消偏光纤能够有效抑制偏振，但是会大大地增加成本。

2 光纤陀螺输出信号模拟电路的设计

对光纤陀螺输出信号进行正确的、精准的模拟，不仅可以很好地了解光纤陀螺的工作原理，还能把模拟的输出信号作为计数卡的测试数据，从而能够检验计数卡设计的合理与否、工作状态可靠与否以及计数精度的高低。本节详细介绍了模拟电路的设计图以及工作原理。

2.1 设计电路

来回转动、反转、正转是计数式光纤陀螺传动的3种情况，与此对应，所设计的输出信号模拟电路必须能够输出正反脉冲序列、反转脉冲序列、正转脉冲序列这3种状态，这样才能对陀螺输出的脉冲信号的波形有精确的模拟。光纤陀螺输出信号的模拟电路主要由开关选择电路、脉冲产生电路及晶振电路所组成，所设计的电路图见图1。

由图1可以看出，或门74L32（1）、与非门74LS00（1）、计数器74L393（2）与计数器74L393（1）共同组成了脉冲产生电路，由晶振电路产生方波，其中振荡频率为10MHz。

2.2 光纤陀螺输出信号模拟电路的工作原理

电路的工作原理是脉冲由晶振电路产生之后经过74LS393（1）被分频送到74LS00（1），之后74LS00（1）输出的信号经由计数器74L393（2）被分频送到或门74L32（1）的输入端，最后生成的脉冲由74L32（1）-P端输出。由74L32（1）-P端输出的光纤陀螺脉冲信号，通过对74L32（1）输入状态的改变，能够对不同的陀螺脉冲信号进行模拟。

开关选择电路的工作原理：J-K触发器72LS107A在按下启动开关之后，其输出是高电平，清除端是低电平，并且74LS00（1）允许通过74LS393（1）输出脉冲。74LS00（1）输出的另外一路脉冲通过256×256×256分频之后能够被72LS107A的时钟端所接收，当下降沿出现的时候，74LS00（1）将禁止通过74LS393（1）输出脉冲，并且72LS107A的输出会反转成低电平。在选择开关接通地的时候，对应反转，则74LS00的负脉冲端输出由74LS32（1）-P端產生的脉冲；在将+5V的电压接通选择开关的时候，对应正转，则74LS00的正脉冲端输出由74LS32（1）-P端产生的脉冲；在把74LS32接通选择开关的时候，对应来回转动，此时主要有以下3种输出状况：（1）输出的正负脉冲数相同；（2）输出的正脉冲数是负脉冲的三分之一；（3）输出的负脉冲数是正脉冲的三分之一。

在单稳态触发器74LS221被下降沿所触发的时候，将会输出一个脉冲作为控制信号，这个脉冲的宽度是0.7×104。只有发出256次控制信号，才会从74LS00（1）允许通过74LS393（1）输出脉冲的状态转变至74LS00（1）禁止通过74LS393（1）输出脉冲的状态。

3 光纤陀螺输出信号计数卡的设计

在设计计数卡的时候以ISA总线设计为基础，利用16位的I/O，达到输入脉冲加减计数的功能，计数卡的主要组成部分包括地址译码电路、输入接口电路、计数器三个部分。

3.1 地址译码电路的设计

选取的是开关式可选译码，因此接口卡的地址可以与不同的地址分配场合相适应。电阻排是RP，DIP开关是SW。一片比较器74LS688被应用其中，在设置端Q0-Q7的状态和输入端P0-P7的地址相同的时候，输出P=Q为低。值得注意的是，74LS138要想实现译码的有效性，电路必须满足的条件是AEN=0，A9=1。中断方式是地址译码电路的数据输入方式，使用的是IRQ3。

4 结语

本文设计的光陀螺输出信号模拟电路能够对光陀螺输出信号的波形进行精确的模拟，从而为计数卡提供较好的输入测试信号。本文设计的计数卡具有较高的精度，并且电路比较简单，利用此计数卡来测试实际陀螺可以发现此计数卡的工作状态是正确可靠的。同等条件下，ISA总线中的16位I/O操作能够有比8位I/O操作快2倍的传送速度。

参考文献：

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[2] 王妍，刘军，张春熹等.数字闭环光纤陀螺输出滤波器设计[J].光电工程，2006， 33（8）：127-131.

[3] 卢霄.双路闭环谐振式光纤陀螺数字信号检测系统的设计与实现[D].浙江大学，2014.