張蔚云， 閆樹斌， 薛晨陽， 甄國涌

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

鎖頻技術(shù)在現(xiàn)代科技應(yīng)用中有著重要的應(yīng)用，尤其在高選擇性、大動態(tài)范圍系統(tǒng)中作用明顯。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)[1]中能將載波偏差牽引到鎖相環(huán)能夠捕獲的范圍, 使得鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)得到導(dǎo)航電文；在調(diào)頻時間處于同等數(shù)量級的頻率合成器[2]中，利用鎖頻環(huán)路可以大大降低儀器的成本和復(fù)雜度，并提供更好的噪聲和雜散性能，大大降低數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率。本文中的角速度傳感測試系統(tǒng)采用單路閉環(huán)檢測方案，鎖頻模塊的PI控制電路利用鑒頻曲線，通過調(diào)節(jié)比例—積分參數(shù)實(shí)現(xiàn)對激光器的反饋控制和對諧振點(diǎn)的跟蹤鎖定，能夠確保在旋轉(zhuǎn)測試中更清晰地觀察諧振點(diǎn)的變化情況，進(jìn)而對旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)原理

圖1(a)為環(huán)形腔角速度傳感測試系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)采用單路閉環(huán)檢測方案。由激光器產(chǎn)生的波長為1 550 nm的光波，經(jīng)過相位調(diào)制器調(diào)相后，進(jìn)入光纖環(huán)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(zhuǎn)換為電信號輸出。鎖相放大器對光電探測器測得的信號進(jìn)行解調(diào)，同時信號發(fā)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(diào)時的掃頻信號輸入到鎖相放大器的外部參考端。解調(diào)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(chǎn)生的三角波信號疊加，經(jīng)高壓放大器后反饋到激光器的頻率控制端，對壓電陶瓷進(jìn)行控制，進(jìn)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(diào)信號，反饋伺服將一直進(jìn)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(dá)到環(huán)路的平衡態(tài)，對應(yīng)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(diǎn)，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(xì)度越高。

圖1 光纖環(huán)形腔角速度傳感測試系統(tǒng)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(guān)控制[4]，輸入到加法器中；誤差信號經(jīng)過同相、反相開關(guān)之后，進(jìn)入PI控制器進(jìn)行比例積分運(yùn)算[5]，再通過開關(guān)控制，輸入到加法器中；誤差偏置信號同樣通過開關(guān)控制，輸入到加法器中；加法器經(jīng)過加法運(yùn)算后，輸出一個電平信號作為對激光器頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的反饋信號。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三角波發(fā)生與放大電路

圖2中，U1A和U1B構(gòu)成的正反饋運(yùn)放系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生頻率為20 Hz、峰峰值為2 V的三角波信號。調(diào)節(jié)滑動變阻器RW1能夠改變頻率和峰峰值，經(jīng)過U1C后發(fā)生反相放大，再經(jīng)過U1D反相。本部分電路替代了外部的一個信號發(fā)生器，對激光器進(jìn)行掃頻。

圖2 三角波發(fā)生與放大電路圖

設(shè)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(diào)節(jié)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(guān)的控制信號與3.4節(jié)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(chǎn)生控制信號

圖4所示為透射峰產(chǎn)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(gòu)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(jù)滯回比較電路的電壓傳輸特性可知，當(dāng)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(dāng)U4B輸出低電平，R48分壓，Q2導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮；否則，熄滅,即當(dāng)透射峰到來時，LED燈熄滅。滑動變阻器RW4用來調(diào)節(jié)閾值電壓，一般調(diào)節(jié)為透射峰的半高全寬值。

圖4 透射峰產(chǎn)生控制信號電路圖

3.4 邏輯開關(guān)控制加法器的輸入

輸入加法器進(jìn)行加法運(yùn)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(guān)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(diào)節(jié)偏置，避免通電情況下調(diào)節(jié)偏置時可能對PI控制器中電容產(chǎn)生的沖擊。

4 實(shí)驗(yàn)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(shí)線是透射峰曲線。當(dāng)鎖頻開關(guān)打開時，透射曲線被瞬間拉低到最低點(diǎn)，即諧振頻率處，并始終保持在最低點(diǎn)基本不變。實(shí)驗(yàn)證明:該鎖頻模塊實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)過程中，將環(huán)形腔和相關(guān)器件固定在轉(zhuǎn)臺上，先打開鎖頻開關(guān)，將激光器中心頻率鎖定在諧振頻率處；然后通過上位機(jī)軟件設(shè)置轉(zhuǎn)速、時間等參數(shù)，控制轉(zhuǎn)臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在示波器上觀察波形。

圖6為頻率鎖定狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速1 r/s、轉(zhuǎn)動不同圈數(shù)時，相同時間內(nèi)鎖頻曲線波形的對比圖。實(shí)驗(yàn)證明:轉(zhuǎn)動圈數(shù)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(tài)下，轉(zhuǎn)速1 r/s、轉(zhuǎn)動不同圈數(shù)，10 s內(nèi)鎖頻曲線波形對比圖

圖7為頻率鎖定狀態(tài)下，不同轉(zhuǎn)速時，相同時間30 s內(nèi)鎖頻曲線波形的對比。實(shí)驗(yàn)證明:在相同應(yīng)力和環(huán)境因素影響下，轉(zhuǎn)速越大，鎖頻曲線的波動越大。多次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速小于1 r/s，震蕩幅值小，頻差小，精細(xì)度[6]高；大于1 r/s后震蕩幅值變大。

圖7 頻率鎖定狀態(tài)下,不同轉(zhuǎn)速，30 s內(nèi)鎖頻曲線波形對比圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種微腔角速度傳感測試系統(tǒng)中的鎖頻電路模塊,概述了整個系統(tǒng)的功能，并對電路中的幾個重要部分進(jìn)行了分析介紹。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)處，一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速小于1 r/s時，鎖頻曲線震蕩幅值小，透射峰相移小，精細(xì)度高。

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