光纖陀螺輸出信號模擬及計數卡的設計研究

曾凡錢

摘 要：光纖陀螺屬于一種新型傳感器，具有相對于慣性空間角運動、敏感性高的特點。本文首先介紹了光纖陀螺輸出信號模擬的電路設計，然后分析了計數卡的設計以及軟件的實際編程方法。經過實際測試，發現光纖陀螺輸出信號的波形能夠被設計的模擬電路精確地模擬出來，從而能夠提供精準的輸入測試信號給計數卡，設計的計數卡具有精度高、電路簡單的優點，證明此設計是正確的、可靠的。

關鍵詞：光纖陀螺；輸出信號；模擬；計數卡

1 光纖陀螺概述

1.1 光纖陀螺簡介

光纖陀螺屬于角速度傳感器的一種，所應用的技術是光纖技術，目前光纖陀螺已經在導彈、車輛、衛星、潛艇、飛行器的姿態控制與導航制導中得到了廣泛的應用，并且在礦井測斜、定位定向等領域也發揮著非常重要的作用。作為一種全新的慣性器件，光纖陀螺除了電路部分外，只需要五個光路器件，利用光纖環中的光在傳輸的時候所出現的Sagnac相位差能敏感的捕捉到載體轉動的角速度，其中光纖陀螺全部為固態結構，沒有轉動部件，具有動態范圍大、抗沖擊、啟動快、耐振動、壽命長、高可靠性的特點，與其他角速度傳感器相比，具有成本低、重量輕、體積小的優點，因此在國內外的慣性技術界得到了前所未有的重視，很快成為既機械陀螺、激光陀螺之后的能夠廣泛應用的第三代陀螺。

光纖陀螺目前尚屬于一種新型陀螺，對慣性空間的角運動非常敏感，其輸出形式通常為模擬電壓、脈沖量或對應角速度值的數字量等。下面將要分析的是計數式光纖陀螺，轉動的角速度值主要由脈沖數目量來表示，經由兩條線對正反轉輸出，其中一條線輸出負轉速，另外一條線輸出正轉速。經由計算機處理的脈沖量，必須具有較高的采集精度、較大的采集范圍，并且必須具備正反轉計數的功能。計數式光纖陀螺的輸出信號波形由信號模擬電路進行精準的模擬，信號的采集工作主要由計數卡來進行。

1.2 光纖陀螺的優良特性

和傳統的激光陀螺、機電陀螺相比，光纖陀螺具備以下8點優良特性：

第一，具有的零部件不多，儀器穩定性好，牢固性強，具備很好的抗加速運動與抗沖擊的性能；第二，由于具備較長的繞制光纖，因此與激光陀螺相比，其分辨率、檢測靈敏度提升了幾個數量級；第三，由于不包含機械傳動部件，因此在使用過程中不會出現磨損的問題，使用壽命比較長；第四，對于集成光路技術的采用比較容易，擁有穩定信號，能夠直接用數字輸出，能夠直接連接計算機接口；第五，通過對光在線圈中的循環傳播次數的改變以及對光纖長度的改變，能夠實現不一致的精度，而且動態范圍比較寬；第六，由于相干光束的傳播時間不長，因此不用預熱就可在瞬間啟動；第七，能夠和激光陀螺聯合使用，形成不同種類慣導系統的傳感器，特別是能夠形成捷聯式慣導系統的傳感器，具有廣泛的用途；第八，光纖陀螺具有較輕的重量、較小的體積、較低的價格、較簡單的結構，因此便于大量推廣使用。

1.3 光纖陀螺存在的技術問題

雖然光纖陀螺有眾多優點，也在國內外的眾多行業有了廣泛的應用，但是其仍然存在很多技術問題，不僅限制了其穩定性與精準性，還限制了其在各行各業的應用。光纖陀螺存在的技術問題主要有：一是其測量精度易受振動的影響，因此要想避免出現共振的情況，保障線圈良好的堅固性，就必須對線圈進行適當的封裝，合理地設計陀螺的內部機械；二是易受溫度瞬態的影響，環形干涉儀的兩個反向傳播光路在理論上是等長的，但是嚴格的成立條件是系統不隨著時間而變化，實驗證明，旋轉速率測量值以及相位誤差的漂移和溫度的時間導數成正比，這在光纖的預熱期間是非常有害的；三是偏振的影響，雙偏振模式的光纖是目前應用較多的單模光纖，由于光纖的雙折射能夠引起寄生相位差，所以需要用偏振對波進行過濾，雖然消偏光纖能夠有效抑制偏振，但是會大大地增加成本。

2 光纖陀螺輸出信號模擬電路的設計

對光纖陀螺輸出信號進行正確的、精準的模擬，不僅可以很好地了解光纖陀螺的工作原理，還能把模擬的輸出信號作為計數卡的測試數據，從而能夠檢驗計數卡設計的合理與否、工作狀態可靠與否以及計數精度的高低。本節詳細介紹了模擬電路的設計圖以及工作原理。

2.1 設計電路

來回轉動、反轉、正轉是計數式光纖陀螺傳動的3種情況，與此對應，所設計的輸出信號模擬電路必須能夠輸出正反脈沖序列、反轉脈沖序列、正轉脈沖序列這3種狀態，這樣才能對陀螺輸出的脈沖信號的波形有精確的模擬。光纖陀螺輸出信號的模擬電路主要由開關選擇電路、脈沖產生電路及晶振電路所組成，所設計的電路圖見圖1。

由圖1可以看出，或門74L32（1）、與非門74LS00（1）、計數器74L393（2）與計數器74L393（1）共同組成了脈沖產生電路，由晶振電路產生方波，其中振蕩頻率為10MHz。

2.2 光纖陀螺輸出信號模擬電路的工作原理

電路的工作原理是脈沖由晶振電路產生之后經過74LS393（1）被分頻送到74LS00（1），之后74LS00（1）輸出的信號經由計數器74L393（2）被分頻送到或門74L32（1）的輸入端，最后生成的脈沖由74L32（1）-P端輸出。由74L32（1）-P端輸出的光纖陀螺脈沖信號，通過對74L32（1）輸入狀態的改變，能夠對不同的陀螺脈沖信號進行模擬。

開關選擇電路的工作原理：J-K觸發器72LS107A在按下啟動開關之后，其輸出是高電平，清除端是低電平，并且74LS00（1）允許通過74LS393（1）輸出脈沖。74LS00（1）輸出的另外一路脈沖通過256×256×256分頻之后能夠被72LS107A的時鐘端所接收，當下降沿出現的時候，74LS00（1）將禁止通過74LS393（1）輸出脈沖，并且72LS107A的輸出會反轉成低電平。在選擇開關接通地的時候，對應反轉，則74LS00的負脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產生的脈沖；在將+5V的電壓接通選擇開關的時候，對應正轉，則74LS00的正脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產生的脈沖；在把74LS32接通選擇開關的時候，對應來回轉動，此時主要有以下3種輸出狀況：（1）輸出的正負脈沖數相同；（2）輸出的正脈沖數是負脈沖的三分之一；（3）輸出的負脈沖數是正脈沖的三分之一。

在單穩態觸發器74LS221被下降沿所觸發的時候，將會輸出一個脈沖作為控制信號，這個脈沖的寬度是0.7×104。只有發出256次控制信號，才會從74LS00（1）允許通過74LS393（1）輸出脈沖的狀態轉變至74LS00（1）禁止通過74LS393（1）輸出脈沖的狀態。

3 光纖陀螺輸出信號計數卡的設計

在設計計數卡的時候以ISA總線設計為基礎，利用16位的I/O，達到輸入脈沖加減計數的功能，計數卡的主要組成部分包括地址譯碼電路、輸入接口電路、計數器三個部分。

3.1 地址譯碼電路的設計

選取的是開關式可選譯碼，因此接口卡的地址可以與不同的地址分配場合相適應。電阻排是RP，DIP開關是SW。一片比較器74LS688被應用其中，在設置端Q0-Q7的狀態和輸入端P0-P7的地址相同的時候，輸出P=Q為低。值得注意的是，74LS138要想實現譯碼的有效性，電路必須滿足的條件是AEN=0，A9=1。中斷方式是地址譯碼電路的數據輸入方式，使用的是IRQ3。

4 結語

本文設計的光陀螺輸出信號模擬電路能夠對光陀螺輸出信號的波形進行精確的模擬，從而為計數卡提供較好的輸入測試信號。本文設計的計數卡具有較高的精度，并且電路比較簡單，利用此計數卡來測試實際陀螺可以發現此計數卡的工作狀態是正確可靠的。同等條件下，ISA總線中的16位I/O操作能夠有比8位I/O操作快2倍的傳送速度。

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