魯 軍，劉 軍，王立冬，殷建玲，余偉濤

（軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

引 言

基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)的光纖陀螺通過多年的研究與發(fā)展，已成為目前國(guó)內(nèi)慣性儀表領(lǐng)域的主流陀螺之一。它具有無轉(zhuǎn)動(dòng)部件的全固態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、功耗低、抗沖擊振動(dòng)、啟動(dòng)過程短、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)［1，2］，精度可以覆蓋從戰(zhàn)術(shù)級(jí)到戰(zhàn)略級(jí)、從民用到軍用多種領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺檢測(cè)電路原理如圖1所示［3］。

光纖陀螺檢測(cè)電路包括信號(hào)檢測(cè)部分、數(shù)字信號(hào)處理部分和數(shù)字相位階梯波反饋三部分，主要完成信號(hào)解調(diào)、信號(hào)處理和信號(hào)反饋等功能。具體由前置放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序控制電路及以FPGA為核心的數(shù)字信號(hào)處理電路組成。檢測(cè)電路中的方波產(chǎn)生部分、D／A反饋部分和光源驅(qū)動(dòng)電路中的恒流源部分都需要可調(diào)的電壓基準(zhǔn)，原方案中采用電壓基準(zhǔn)再分壓得到，調(diào)試較麻煩。文中提出采用FPGA控制多路D／A的方法得到多路電壓基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)試的程序控制，給陀螺電路調(diào)試帶來極大方便。

圖1 閉環(huán)檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of closed circuit

1 DAC8412的特點(diǎn)

DAC8412是由ADI公司推出的4路、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器［4］。該轉(zhuǎn)換器是具有回讀能力的電壓輸出DAC，采用高壓BiCMOS工藝制造，這種單片集成電路DAC提供了非常高的封裝密度。輸出電壓擺幅則是由兩個(gè)參考輸入VREFH和VREFL共同決定。通過設(shè)置在VREFL輸入為0V和VREFH輸入為正電壓，則DAC提供單極性正輸出范圍。一個(gè)類似的配置與VREFH在0V和VREFL在一負(fù)電壓提供了一個(gè)單極性負(fù)輸出范圍。雙極性輸出的配置，連接在VREFH和VREFL為非零電壓。這種設(shè)定輸出電壓范圍的方法比較靈活。數(shù)字控制允許用戶載入或者回讀來自任何DAC的數(shù)據(jù)，載入任何一個(gè)DAC并在同一時(shí)間將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿械腄AC。RESET低電平有效時(shí)，對(duì)于DAC8412載入所有的DAC輸出寄存器到中間刻度。DAC8412可以采用28線陶瓷DIP封裝。電源電壓是±15V，參考電壓±10V。功耗小于330mW。DAC8412主要應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，數(shù)字控制校準(zhǔn)，伺服系統(tǒng)控制，過程控制設(shè)備。

2 電路設(shè)計(jì)

DAC把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為隨輸入變化的模擬量。檢測(cè)電路中的方波產(chǎn)生部分、D／A反饋部分和光源驅(qū)動(dòng)電路中的恒流源部分都需要可調(diào)的電壓基準(zhǔn)，也就是說需要三路可變的電壓信號(hào)。DAC8412輸出四路模擬量，因此滿足轉(zhuǎn)換通道數(shù)要求。多路DAC8412轉(zhuǎn)換電路包括FPGA電路、D／A轉(zhuǎn)換電路兩部分，硬件框圖如圖2所示。

2.1 FPGA電路

FPGA在光纖陀螺檢測(cè)電路中作為整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的核心，要完成的任務(wù)包括數(shù)字解調(diào)、時(shí)序控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等幾部分功能。FPGA在多路DAC8412轉(zhuǎn)換電路中負(fù)責(zé)向DAC8412提供輸入數(shù)字量和時(shí)序邏輯控制。電路原理框圖如圖3所示。

圖2 多路D／A轉(zhuǎn)換電路框圖Fig.2 Circuit diagram of multichannel D／A

圖3 FPGA原理框圖Fig.3 Principle diagram of FPGA

FPGA采用Altera公司的ACEX lK系列EP1K50TC144－3，EP1K50TC144－3器件是Altera公司2000年推出的高性能、低價(jià)格SRAM工藝PLD，具有50 000個(gè)可用門［5］。在外圍電路中，EPC2是存儲(chǔ)器件配置數(shù)據(jù)的串行PROM，下載插座JTAG提供在線可編程的接口。TPS767D325是基準(zhǔn)電源，為EP1K50TC144－3提供3.3VI／O引腳電壓和2.5V核電壓。圖3中、A0、A1、、和是FPGA輸出的DAC8412控制信號(hào)線，DB［0..11］是FPGA輸出的DAC8412數(shù)據(jù)信號(hào)線。

2.2 D／A轉(zhuǎn)換電路

圖4 D／A轉(zhuǎn)換電路Fig.4 D／A convert circuit

AD584為DAC8412提供電壓基準(zhǔn)。它是一款精密基準(zhǔn)電壓源，提供引腳可編程的四種常用輸出電壓選擇：10.000V、7.500V、5.000V和2.500V。高于、低于或介于四種標(biāo)準(zhǔn)輸出之間的其它輸出電壓，可以通過增加外部電阻來獲得。輸入電壓范圍為4.5～30V。該器件采用激光晶圓調(diào)整技術(shù)來調(diào)整引腳可編程的輸出電平和溫度系數(shù)，從而獲得最為靈活的單芯片、高精度基準(zhǔn)電壓源。AD584推薦用作需要外部精密基準(zhǔn)電壓源的8位、10位或12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源。該器件也非常適合最高14位精度的所有類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，無論是逐次逼近型還是集成式設(shè)計(jì)，而且其性能通常優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立式基準(zhǔn)電壓源。

如圖4接法AD584為DAC8412提供2.500V電壓基準(zhǔn)，即DAC8412的參考輸入VREFH接2.5V電壓，VREFL接地，則DAC8412通道輸出電壓在0～2.5V之間，D／A轉(zhuǎn)換精度為：

3 FPGA程序設(shè)計(jì)

采用硬件描述語言Verilog HDL進(jìn)行FPGA編程［6］，以VOUTA通道控制為例說明程序設(shè)計(jì)。

各點(diǎn)仿真波形如圖5所示。

圖5 仿真波形Fig.5 Emulation waveform

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)電壓基準(zhǔn)來說，D／A的穩(wěn)定性比較重要，線性不重要。對(duì)DAC8412的VOUTA通道進(jìn)行測(cè)試，F(xiàn)PGA向DAC8412輸入數(shù)字量，由高精度電壓表觀察輸出情況。圖6為常溫下輸入為7FFH時(shí)電壓測(cè)試曲線，去掉了極點(diǎn)，輸出估算值為1 250.0mV。

圖6中電壓最大值為1 249.9mV，最小值為1 247.2mV，變化量為2.7mV，平均值為1 249.0mV，標(biāo)準(zhǔn)方差為6.81×10－4。

圖6 DAC8412輸出曲線Fig.6 The stability of DAC8412output

5 結(jié) 論

把FPGA控制多路D／A的電路接入光纖陀螺檢測(cè)電路，陀螺零漂測(cè)試精度跟采用電壓基準(zhǔn)再分壓的方法一樣，說明該電路設(shè)計(jì)合理，能夠滿足整個(gè)陀螺系統(tǒng)對(duì)電壓基準(zhǔn)調(diào)整穩(wěn)定性的要求。值得指出的是：這種方法提高了陀螺調(diào)試的程序控制化水平，但理論上認(rèn)為采用電壓基準(zhǔn)再分壓的方法得到電壓基準(zhǔn)更為穩(wěn)定，因?yàn)镈／A輸出有LSB漂移［7］；可以把12位并行輸入的DAC8412換成串行輸入的多路D／A，這樣可以減少FPGA管腳使用數(shù)。

［1］ 張桂才.光纖陀螺原理與技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：1－3.

［2］ 王 研.數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺環(huán)路控制特性研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2004：1－2.

［3］ 張 唏.光纖陀螺閉環(huán)檢測(cè)與控制［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2001：19－21.

［4］ 何希才.常用集成電路簡(jiǎn)明速查手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：246－247.

［5］ 褚振勇，翁木云.FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：43－45.

［6］ 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：167－168.

［7］ 宋凝芳，崔未東，潘 雄.D／A量化對(duì)數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺測(cè)量精度的影響分析［J］.光學(xué)儀器，2010，32（3）：1－4.