角速度傳感測試系統中鎖頻模塊的應用研究*

張蔚云， 閆樹斌， 薛晨陽， 甄國涌

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

鎖頻技術在現代科技應用中有著重要的應用，尤其在高選擇性、大動態范圍系統中作用明顯。在衛星導航接收機[1]中能將載波偏差牽引到鎖相環能夠捕獲的范圍, 使得鎖相環可以實現相干解調得到導航電文；在調頻時間處于同等數量級的頻率合成器[2]中，利用鎖頻環路可以大大降低儀器的成本和復雜度，并提供更好的噪聲和雜散性能，大大降低數字通信系統的誤碼率。本文中的角速度傳感測試系統采用單路閉環檢測方案，鎖頻模塊的PI控制電路利用鑒頻曲線，通過調節比例—積分參數實現對激光器的反饋控制和對諧振點的跟蹤鎖定，能夠確保在旋轉測試中更清晰地觀察諧振點的變化情況，進而對旋轉角速度進行分析。

1 系統原理

圖1(a)為環形腔角速度傳感測試系統圖，該系統采用單路閉環檢測方案。由激光器產生的波長為1 550 nm的光波，經過相位調制器調相后，進入光纖環形諧振腔中形成一個諧振光束，如圖1(b)中曲線1。光電探測器檢測到該光束并將其轉換為電信號輸出。鎖相放大器對光電探測器測得的信號進行解調，同時信號發生器輸出一個頻率為4 MHz，峰峰值為4 V的正弦波，作為解調時的掃頻信號輸入到鎖相放大器的外部參考端。解調后的信號如圖1(b)中曲線2，輸入到鎖頻電路中，與其中自動產生的三角波信號疊加，經高壓放大器后反饋到激光器的頻率控制端，對壓電陶瓷進行控制，進而改變激光器輸出光的中心頻率，使激光器頻率始終跟蹤微腔光束的諧振頻率變化。只要鎖相放大器輸出存在解調信號，反饋伺服將一直進行[3]，直至激光器中心頻率鎖定在光電探測器輸出光束的諧振頻率上達到環路的平衡態，對應鎖相放大器輸出為0。由圖1(c)可以看出，在頻率鎖定的瞬間，透射峰被拉至最低點，鎖頻后曲線的上下波動幅度表征了透射譜移頻后的頻差，幅度越小，頻差越小，精細度越高。

圖1 光纖環形腔角速度傳感測試系統圖

2 鎖頻電路模塊

本電路共三路輸入，一路輸出。其中，三角波信號作為激光器的掃頻信號，通過開關控制[4]，輸入到加法器中；誤差信號經過同相、反相開關之后，進入PI控制器進行比例積分運算[5]，再通過開關控制，輸入到加法器中；誤差偏置信號同樣通過開關控制，輸入到加法器中；加法器經過加法運算后，輸出一個電平信號作為對激光器頻率進行調節的反饋信號。

3 關鍵技術

3.1 三角波發生與放大電路

圖2中，U1A和U1B構成的正反饋運放系統，能夠產生頻率為20 Hz、峰峰值為2 V的三角波信號。調節滑動變阻器RW1能夠改變頻率和峰峰值，經過U1C后發生反相放大，再經過U1D反相。本部分電路替代了外部的一個信號發生器，對激光器進行掃頻。

圖2 三角波發生與放大電路圖

設RW1與R2相連部分的電阻為R′，那么,U1B的7引腳輸出的三角波的電壓值為U1，三角波頻率為f

3.2 PI控制電路

圖3所示PI控制電路是鎖頻電路的核心。通過調節滑動變阻器RW1，能使U1A輸出一個偏置電壓U2作為U2D加法器的反相輸入，同時鑒頻信號作為同相輸入，輸出Verr0

Verr0=Verr-U2.

此處開關的控制信號與3.4節中最終加法器部分中三角波輸入的控制信號是相同的，均為switch1。只要有三角波輸入到加法器中，即switch1高電平，C5,C6被短路。

圖3 PI控制電路圖

3.3 透射峰產生控制信號

圖4所示為透射峰產生控制信號電路，其核心為滯回電壓比較電路，由正反饋電路構成。U4B的反相輸入端輸入微腔透射峰信號，同相輸入端輸入閾值電壓。根據滯回比較電路的電壓傳輸特性可知，當透射峰信號的電壓值高于閾值電壓時，U4B輸出低電平，三極管Q1截止，Lock-CTRL輸出高電平。同時Q2部分通過LED的亮滅來指示透射峰是否通過。當U4B輸出低電平，R48分壓，Q2導通，LED點亮；否則，熄滅,即當透射峰到來時，LED燈熄滅。滑動變阻器RW4用來調節閾值電壓，一般調節為透射峰的半高全寬值。

圖4 透射峰產生控制信號電路圖

3.4 邏輯開關控制加法器的輸入

輸入加法器進行加法運算的3個信號分別為三角波信號、PI輸出信號、偏置信號，通過邏輯開關控制加法器的輸入。鎖頻電路有3個控制檔位，分別為掃描、手動、鎖頻。在斷開三角波和PI輸出的情況下，手動調節偏置，避免通電情況下調節偏置時可能對PI控制器中電容產生的沖擊。

4 實驗測試

4.1 頻率鎖定

圖5為鎖頻時刻的曲線圖，其中虛線是鑒頻曲線，實線是透射峰曲線。當鎖頻開關打開時，透射曲線被瞬間拉低到最低點，即諧振頻率處，并始終保持在最低點基本不變。實驗證明:該鎖頻模塊實現了對激光器中心頻率的鎖定。

圖5 頻率鎖定時刻曲線圖

4.2 鎖頻穩定性

實驗過程中，將環形腔和相關器件固定在轉臺上，先打開鎖頻開關，將激光器中心頻率鎖定在諧振頻率處；然后通過上位機軟件設置轉速、時間等參數，控制轉臺進行旋轉，并在示波器上觀察波形。

圖6為頻率鎖定狀態下，轉速1 r/s、轉動不同圈數時，相同時間內鎖頻曲線波形的對比圖。實驗證明:轉動圈數越多即時間越長，鎖頻曲線的波動頻率越大。

圖6 頻率鎖定狀態下，轉速1 r/s、轉動不同圈數，10 s內鎖頻曲線波形對比圖

圖7為頻率鎖定狀態下，不同轉速時，相同時間30 s內鎖頻曲線波形的對比。實驗證明:在相同應力和環境因素影響下，轉速越大，鎖頻曲線的波動越大。多次實驗的經驗值，轉臺轉速小于1 r/s，震蕩幅值小，頻差小，精細度[6]高；大于1 r/s后震蕩幅值變大。

圖7 頻率鎖定狀態下,不同轉速，30 s內鎖頻曲線波形對比圖

5 結束語

本文介紹了一種微腔角速度傳感測試系統中的鎖頻電路模塊,概述了整個系統的功能，并對電路中的幾個重要部分進行了分析介紹。實驗結果證明:該電路模塊能將激光器中心頻率始終鎖定在諧振點處，一定時間內轉臺轉速小于1 r/s時，鎖頻曲線震蕩幅值小，透射峰相移小，精細度高。

參考文獻:

[1] 張 星,張 昆,畢彥博,等.衛星導航接收機中多波束干擾技術[J].全球定位系統,2012,37(5):46-51.

[2] 陳敏華,李江夏,時 翔,等.基于鎖定時間分析的鎖相環頻率合成器[J].微波學報,2012,28(1):57-61.

[3] 楊雪鋒，鄭陽明，馬慧蓮，等.諧振式光纖陀螺環路鎖頻技術研究[J].傳感技術學報，2007,20(5):990-993.

[4] 孫明瑋，焦綱領，楊瑞光，等.PI控制下開環不穩定對象可行穩定裕度范圍的研究[J].自動化學報，2011,37(3):385-388.

[5] 苑丹丹，胡姝玲，劉宏海，等.激光器穩頻技術研究[J].激光與光電子學進展，2011,48(8):1-7.

[6] 鮑慧強，毛 慧，馬慧蓮，等.諧振式微型光學陀螺鎖頻精度分析[J].浙江大學學報：工學版，2010,44(1):94-135.