李 搏，李健壯，黃曉宗

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

小尺寸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號處理電路

李 搏，李健壯，黃曉宗

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號處理電路通常由分立的器件構(gòu)成，其體積較大，限制了光纖陀螺的體積。為了縮小光纖陀螺的體積。設(shè)計了一種通用型小尺寸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號處理電路，該電路采用一體化陶瓷外殼，不需要使用基板，通過系統(tǒng)級封裝（SIP）的方式，把國產(chǎn)的前級放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、后級放大器以及串口收發(fā)器的裸芯片封裝在外殼里，電路體積僅為14.6mm×14.6 mm×2.5mm，與采用分立的器件相比，光纖陀螺體積縮小了四分之一。電路可以實現(xiàn)光纖陀螺信號的采集以及調(diào)制波形的輸出，實驗結(jié)果表明，電路可以實現(xiàn)0.01 (°)/h的光纖陀螺精度。

系統(tǒng)級封裝；光纖陀螺；信號處理；一體化外殼

光纖陀螺（FOG）是一種利用薩格奈克效應(yīng)測量角速率的新型全固態(tài)慣性儀表，與傳統(tǒng)的機電陀螺相比，光纖陀螺具有體積小、成本低、壽命長、動態(tài)范圍大、啟動時間短等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭、艦艇等軍事武器裝備以及飛機、汽車、機器人控制等民用行業(yè)[1-2]。光纖陀螺按照相位檢測的方法可以分為開環(huán)型和閉環(huán)型兩種，目前國內(nèi)外一般都采用數(shù)字閉環(huán)方案。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺包括光學(xué)系統(tǒng)和閉環(huán)信號處理系統(tǒng)兩大部分[3-4]，閉環(huán)信號處理系統(tǒng)對光纖陀螺性能至關(guān)重要。通常閉環(huán)信號處理系統(tǒng)由分立的器件組成，導(dǎo)致電路體積大，限制了光纖陀螺的體積[5]。為了縮小光纖陀螺的體積，本文設(shè)計了一種小尺寸的陀螺信號處理電路具有重要意義。本文將首先介紹數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后介紹本文設(shè)計的通用小尺寸陀螺信號處理電路，最后給出測試和應(yīng)用結(jié)果。

1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)由光路部分和信號處理部分組成。其中光路部分由光源、探測器、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)組成。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時，光纖環(huán)內(nèi)兩束反向傳播的光束之間產(chǎn)生相位差，通過該相位差可以得到一個正比旋轉(zhuǎn)速度的信號[6]。

信號處理部分由前級放大器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、DA轉(zhuǎn)換器和后級放大器組成，信號處理電路完成光干涉信號的檢測、解調(diào)以及閉環(huán)反饋控制、角速度輸出等功能[7-8]。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺均由光路部分和信號處理部分組成，本文設(shè)計了一種通用型小尺寸光纖陀螺信號處理模塊電路，替代分立的放大器、ADC、DAC等器件，完成光纖陀螺信號的檢測以及調(diào)制，可以使光纖陀螺的體積變得更小。

圖1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)框圖Fig.1 Block chart of digital closed-loop FOG system

2 小尺寸光纖陀螺信號處理電路設(shè)計

2.1 電路原理

圖2所示為本文設(shè)計的光纖陀螺信號處理電路原理框圖，圖中包含了一個高速差分運放、一個ADC、一個雙路高速運放、一個DAC以及一個串口收發(fā)器。其中高速差分運放具有210 MHz的帶寬，輸出電壓范圍為±3.4 V。運放通過高速差分把探測器輸入的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，并對信號幅度進行調(diào)整，使信號幅度與ADC的量程相符合，最終由ADC把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖2 小尺寸光纖陀螺信號處理電路原理圖Fig.2 Schematic of small-size FOG signal processing circuit

ADC的性能影響到光纖陀螺信號處理時間和輸出信號的精度。對于一個光纖長度為300 m的光纖陀螺，其渡越時間為1 μs，對應(yīng)未解調(diào)的信號頻率為1 MHz，根據(jù)探測器輸入信號特征，確定ADC的采樣范圍在輸入信號中間偏后的四分之一周期，每個渡越時間內(nèi)采樣四個點的平均降噪，因此采樣頻率應(yīng)大于16 MHz。光纖陀螺的光纖越長，所需的采樣頻率越低。本文選用的ADC最高采樣頻率為50 Msps，可以滿足各種精度的光纖陀螺的要求。探測器的噪聲典型值為一個LSB對應(yīng)的電壓值小于該噪聲值，就能從轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號中提取出有用信號，即，其中，VF為ADC的量程，N為ADC的分辨率。如果ADC的量程為2 V，可得所需的最小分辨率為11位。本文選取的ADC的分辨率為14位，滿足分辨率的要求。此外該ADC具有65 dB的信噪比（SNR）和70 dB的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。

DAC把數(shù)字階梯波調(diào)制信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，DAC的建立時間影響到輸出信號的邊沿，建立時間過長會使輸出信號的邊沿變壞。本文選用的DAC具有20 ns的建立時間。DAC的分辨率為16位，如果階梯波的高度為10 V，那么一個最小的階梯單元高度為0.15 mV，已經(jīng)遠小于探測器的典型噪聲。同時DAC具有78 dB的SFDR。DAC的輸出為電流信號，需要由雙路高速運放將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最終輸出到Y(jié)波導(dǎo)，輸出幅度為VPP8 V～VPP10 V。該雙路高速運放具有210 V/μs的壓擺率，建立時間為24 ns。通過串口收發(fā)器實現(xiàn)電路與上位機之間的通訊，通訊速率可達到10 MBPS。

2.2 電路實現(xiàn)

為了縮小電路體積，版圖設(shè)計十分關(guān)鍵，圖3所示為本文設(shè)計的小尺寸光纖陀螺信號處理電路的版圖，從圖中可以看出，版圖布局十分緊湊，盡可能地減小了版圖面積。，等效為1 mV的噪聲，只要ADC

圖3 小尺寸光纖陀螺信號處理電路版圖Fig.3 Layout of small-size FOG signal processing circuit

同時，本文設(shè)計了一種一體化陶瓷外殼，省去了基板所占的面積，以SIP[9]的形式，把芯片、電阻、電容等組裝在外殼的底部，電路的尺寸為14.6 mm×14.6 mm×2.5 mm。圖4所示為電路的照片。

圖4 小尺寸光纖陀螺信號處理電路照片F(xiàn)ig.4 Photo of small-size FOG signal processing circuit

3 試 驗

3.1 電參數(shù)測試

表1列舉了本文設(shè)計的小尺寸光纖陀螺信號處理電路在高溫、常溫和低溫下的測試結(jié)果，其中：ADC的測試條件為采樣率45Msps，輸入信號范圍±0.76V；DAC的測試條件為轉(zhuǎn)換速率為50Msps，輸入信號頻率為1MHz。

表1 小尺寸光纖陀螺信號處理電路參數(shù)Tab.1 Electrical parameter of small-size FOG signal processing circuit

3.2 應(yīng)用測試

圖5所示為本文設(shè)計的小尺寸光纖陀螺信號處理電路應(yīng)用框圖[10]，該電路位于光纖陀螺信號處理環(huán)路，主要完成三個功能：1）采集探測器的信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后發(fā)送給FPGA；2）把FPGA產(chǎn)生的數(shù)字階梯波轉(zhuǎn)換為模擬電壓并輸出到Y(jié)波導(dǎo)；3）與上位機通訊。

圖5 小尺寸光纖陀螺信號處理電路應(yīng)用框圖Fig.5 Application of small-size FOG signal processing circuit

將本文設(shè)計的小尺寸光纖陀螺信號處理電路應(yīng)用到光纖陀螺系統(tǒng)中，可以使光纖陀螺的體積縮小四分之一。將該電路分別應(yīng)用到高、低精度的光纖陀螺系統(tǒng)中，均滿足光纖陀螺精度的要求。應(yīng)用測試結(jié)果如表2所示。

表2 小尺寸光纖陀螺信號處理電路測試結(jié)果Tab.2 Test results of small-size FOG’s signal processing circuit

為了驗證本文電路的溫度特性[11]，對使用本文電路的低精度陀螺進行了-40℃ 到60℃的溫循實驗，實驗結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在-40℃ 到60℃范圍內(nèi)，光纖陀螺1 s平滑的零偏穩(wěn)定性最小為0.31 (°)/h，最大為0.49 (°)/h，波動范圍較小，具有較好的溫度特性。

圖6 溫循實驗結(jié)果Fig.6 Experimental result of temperature cycling

4 總 結(jié)

為了縮小光纖陀螺的體積，本文設(shè)計了一種通用的小尺寸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號處理電路，該電路采用了一體化陶瓷外殼，省去了基板所占的面積。以SIP的形式把芯片和無源器件封裝在外殼里面，體積僅為14.6 mm×14.6 mm×2.5 mm。與由分立器件構(gòu)成的光纖陀螺信號處理電路相比，該電路可以使光纖陀螺的體積減小四分之一。同時，實驗結(jié)果表明，使用本文電路的光纖陀螺可以達到0.01 (°)/h的零偏穩(wěn)定性，且具有較好的溫度性能。

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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

十三五裝備預(yù)研基金（Y131609）

李搏（1989—），男，工程師，從事SIP封裝混合集成電路研究。E-mail: ray_libo@163.com