小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路

李 搏，李健壮，黄晓宗

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路

李 搏，李健壮，黄晓宗

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

数字闭环光纤陀螺信号处理电路通常由分立的器件构成，其体积较大，限制了光纤陀螺的体积。为了缩小光纤陀螺的体积。设计了一种通用型小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路，该电路采用一体化陶瓷外壳，不需要使用基板，通过系统级封装（SIP）的方式，把国产的前级放大器、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、后级放大器以及串口收发器的裸芯片封装在外壳里，电路体积仅为14.6mm×14.6 mm×2.5mm，与采用分立的器件相比，光纤陀螺体积缩小了四分之一。电路可以实现光纤陀螺信号的采集以及调制波形的输出，实验结果表明，电路可以实现0.01 (°)/h的光纤陀螺精度。

系统级封装；光纤陀螺；信号处理；一体化外壳

光纤陀螺（FOG）是一种利用萨格奈克效应测量角速率的新型全固态惯性仪表，与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有体积小、成本低、寿命长、动态范围大、启动时间短等优势，广泛应用于导弹、火箭、舰艇等军事武器装备以及飞机、汽车、机器人控制等民用行业[1-2]。光纤陀螺按照相位检测的方法可以分为开环型和闭环型两种，目前国内外一般都采用数字闭环方案。数字闭环光纤陀螺包括光学系统和闭环信号处理系统两大部分[3-4]，闭环信号处理系统对光纤陀螺性能至关重要。通常闭环信号处理系统由分立的器件组成，导致电路体积大，限制了光纤陀螺的体积[5]。为了缩小光纤陀螺的体积，本文设计了一种小尺寸的陀螺信号处理电路具有重要意义。本文将首先介绍数字闭环光纤陀螺系统的结构，然后介绍本文设计的通用小尺寸陀螺信号处理电路，最后给出测试和应用结果。

1 数字闭环光纤陀螺系统结构

如图1所示，数字闭环光纤陀螺系统由光路部分和信号处理部分组成。其中光路部分由光源、探测器、耦合器、Y波导、光纤环组成。当陀螺旋转时，光纤环内两束反向传播的光束之间产生相位差，通过该相位差可以得到一个正比旋转速度的信号[6]。

信号处理部分由前级放大器、AD转换器、FPGA、DA转换器和后级放大器组成，信号处理电路完成光干涉信号的检测、解调以及闭环反馈控制、角速度输出等功能[7-8]。数字闭环光纤陀螺均由光路部分和信号处理部分组成，本文设计了一种通用型小尺寸光纤陀螺信号处理模块电路，替代分立的放大器、ADC、DAC等器件，完成光纤陀螺信号的检测以及调制，可以使光纤陀螺的体积变得更小。

图1 数字闭环光纤陀螺系统框图Fig.1 Block chart of digital closed-loop FOG system

2 小尺寸光纤陀螺信号处理电路设计

2.1 电路原理

图2所示为本文设计的光纤陀螺信号处理电路原理框图，图中包含了一个高速差分运放、一个ADC、一个双路高速运放、一个DAC以及一个串口收发器。其中高速差分运放具有210 MHz的带宽，输出电压范围为±3.4 V。运放通过高速差分把探测器输入的单端信号转换为差分信号，并对信号幅度进行调整，使信号幅度与ADC的量程相符合，最终由ADC把模拟信号转换为数字信号。

图2 小尺寸光纤陀螺信号处理电路原理图Fig.2 Schematic of small-size FOG signal processing circuit

ADC的性能影响到光纤陀螺信号处理时间和输出信号的精度。对于一个光纤长度为300 m的光纤陀螺，其渡越时间为1 μs，对应未解调的信号频率为1 MHz，根据探测器输入信号特征，确定ADC的采样范围在输入信号中间偏后的四分之一周期，每个渡越时间内采样四个点的平均降噪，因此采样频率应大于16 MHz。光纤陀螺的光纤越长，所需的采样频率越低。本文选用的ADC最高采样频率为50 Msps，可以满足各种精度的光纤陀螺的要求。探测器的噪声典型值为一个LSB对应的电压值小于该噪声值，就能从转换后的数字信号中提取出有用信号，即，其中，VF为ADC的量程，N为ADC的分辨率。如果ADC的量程为2 V，可得所需的最小分辨率为11位。本文选取的ADC的分辨率为14位，满足分辨率的要求。此外该ADC具有65 dB的信噪比（SNR）和70 dB的无杂散动态范围（SFDR）。

DAC把数字阶梯波调制信号转化为模拟信号，DAC的建立时间影响到输出信号的边沿，建立时间过长会使输出信号的边沿变坏。本文选用的DAC具有20 ns的建立时间。DAC的分辨率为16位，如果阶梯波的高度为10 V，那么一个最小的阶梯单元高度为0.15 mV，已经远小于探测器的典型噪声。同时DAC具有78 dB的SFDR。DAC的输出为电流信号，需要由双路高速运放将电流信号转换为电压信号，最终输出到Y波导，输出幅度为VPP8 V～VPP10 V。该双路高速运放具有210 V/μs的压摆率，建立时间为24 ns。通过串口收发器实现电路与上位机之间的通讯，通讯速率可达到10 MBPS。

2.2 电路实现

为了缩小电路体积，版图设计十分关键，图3所示为本文设计的小尺寸光纤陀螺信号处理电路的版图，从图中可以看出，版图布局十分紧凑，尽可能地减小了版图面积。，等效为1 mV的噪声，只要ADC

图3 小尺寸光纤陀螺信号处理电路版图Fig.3 Layout of small-size FOG signal processing circuit

同时，本文设计了一种一体化陶瓷外壳，省去了基板所占的面积，以SIP[9]的形式，把芯片、电阻、电容等组装在外壳的底部，电路的尺寸为14.6 mm×14.6 mm×2.5 mm。图4所示为电路的照片。

图4 小尺寸光纤陀螺信号处理电路照片Fig.4 Photo of small-size FOG signal processing circuit

3 试 验

3.1 电参数测试

表1列举了本文设计的小尺寸光纤陀螺信号处理电路在高温、常温和低温下的测试结果，其中：ADC的测试条件为采样率45Msps，输入信号范围±0.76V；DAC的测试条件为转换速率为50Msps，输入信号频率为1MHz。

表1 小尺寸光纤陀螺信号处理电路参数Tab.1 Electrical parameter of small-size FOG signal processing circuit

3.2 应用测试

图5所示为本文设计的小尺寸光纤陀螺信号处理电路应用框图[10]，该电路位于光纤陀螺信号处理环路，主要完成三个功能：1）采集探测器的信号并转换为数字信号，然后发送给FPGA；2）把FPGA产生的数字阶梯波转换为模拟电压并输出到Y波导；3）与上位机通讯。

图5 小尺寸光纤陀螺信号处理电路应用框图Fig.5 Application of small-size FOG signal processing circuit

将本文设计的小尺寸光纤陀螺信号处理电路应用到光纤陀螺系统中，可以使光纤陀螺的体积缩小四分之一。将该电路分别应用到高、低精度的光纤陀螺系统中，均满足光纤陀螺精度的要求。应用测试结果如表2所示。

表2 小尺寸光纤陀螺信号处理电路测试结果Tab.2 Test results of small-size FOG’s signal processing circuit

为了验证本文电路的温度特性[11]，对使用本文电路的低精度陀螺进行了-40℃ 到60℃的温循实验，实验结果如图6所示。

从图6中可以看出，在-40℃ 到60℃范围内，光纤陀螺1 s平滑的零偏稳定性最小为0.31 (°)/h，最大为0.49 (°)/h，波动范围较小，具有较好的温度特性。

图6 温循实验结果Fig.6 Experimental result of temperature cycling

4 总 结

为了缩小光纤陀螺的体积，本文设计了一种通用的小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路，该电路采用了一体化陶瓷外壳，省去了基板所占的面积。以SIP的形式把芯片和无源器件封装在外壳里面，体积仅为14.6 mm×14.6 mm×2.5 mm。与由分立器件构成的光纤陀螺信号处理电路相比，该电路可以使光纤陀螺的体积减小四分之一。同时，实验结果表明，使用本文电路的光纤陀螺可以达到0.01 (°)/h的零偏稳定性，且具有较好的温度性能。

（References）：

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Signal processing circuit of small-sized digital closed-loop FOG

LI Bo, LI Jian-zhuang, HUANG Xiao-zong
(Sichuan Institute of Solid-State Circuits, China Electronics Technology Group Corporation, Chongqing 400060, China)

The signal processing circuits of digital closed-loop fiber optic gyroscopes (FOG) usually consist of separated devices. The huge size of the separated devices limits the reduction of FOG size. In order to decrease the FOG size, a universal signal processing circuit for small-size digital closed-loop FOG is proposed. The circuit adopts integrated ceramic shell without substrate. By way of system-level packaging,the domestic chips of pre-amplifier, ADC, DAC, drive amplifier and serial transceiver are all put into the shell. The circuit size is only 14.6mm×14.6mm×2.5mm, which has been decreased by 1/4. This circuit can realize the collection of FOG signals and the output of the modulated signals. Experiment results show that the precision of the FOG with this circuit can achieve 0.01 (°)/h.

system in package; FOG; signal processing; integrated ceramic shell

TN46

：A

1005-6734(2017)03-0356-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.03.014

2017-02-04；

：2017-05-22

十三五装备预研基金（Y131609）

李搏（1989—），男，工程师，从事SIP封装混合集成电路研究。E-mail: ray_libo@163.com