基于谐振式光纤陀螺差频检测的高精度频率计设计.pdf

摘 要 光纤陀螺作为一种基于 Sagnac 效应的惯性传感器在国防建设、民用导航等领域发挥 着不可替代的作用。相同的测量精度下谐振式光纤陀螺的光纤长度远小于干涉式光纤陀 螺，是未来陀螺小型化、高精度的发展趋势。但由于 Sagnac 效应十分微弱，陀螺信号受 到各类噪声影响难以检测，传统调制解调的信号检测方式较为复杂，且在抑制噪声提高 精度等方面尚未表现出理想效果，故需设计一种全新的信号检测系统。 本论文根据谐振式光纤陀螺相关理论模型，提出了一种基于拍频检测的谐振式光纤 陀螺信号检测的方案，并结合 TDC 时间测量技术，设计了一种基于陀螺信号检测的高精 度频率计。系统结合 “直接法+ 内插法”原理和 TDC 芯片的工作原理，提出一种新的测量 方案，提高了测量精度并有效地解决了 TDC 芯片普遍存在的“死区” 问题。系统以FPGA 作为系统控制中心，结合 TDC 芯片对待测信号进行测量，然后把测量结果进行数据处理 后输出，实现了频率信号的测量。另外，在信号测量系统前端设计了信号调理电路，对 待测信号进行预处理，便于系统对待测信号频率的检测。 本文设计的频率计有效抑制了陀螺光学噪声，简化了信号检测系统设计，并能在较 宽的测量范围内保证较高的测量精度，满足陀螺信号检测的系统要求。 关键词：谐振式光纤陀螺，拍频检测，TDC ，频率计 I Abstract II 目 录 1 绪 论1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 谐振式光纤陀螺信号检测的研究现状 2 1.3 论文主要内容及章节安排 4 2 基于拍频检测的谐振式光纤陀螺系统6 2.1 谐振式光纤陀螺的基本原理 6 2.1.1 Sagnac 效应 6 2.1.2 谐振腔的谐振特性 7 2.1.3 传统谐振式光纤陀螺基本结构 8 2.2 基于拍频检测的谐振式光纤陀螺方案设计 8 2.2.1 自注入原理8 2.2.2 拍频检测原理 9 2.2.3 陀螺系统结构 10 2.3 陀螺系统对信号检测系统的要求11 2.4 本章小结 12 3 高精度频率检测系统方案设计13 3.1 常用频率检测方法 13 3.1.1 直接测频法 13 3.1.2 同步测频法 14 3.1.3 游标法 15 3.1.4 延迟链法 16 3.1.5 差拍法 16 3.2 高精度频率检测方案设计 17 3.2.1 信号处理方案 17 3.2.1 频率测量方案 18 3.3 检测系统整体结构 21 III 3.4 本章小结 21 4 高精度频率检测系统硬件设计22 4.1 硬件电路整体方案 22 4.2 微处理器 23 4.2.1 FPGA 芯片 23 4.2.2 复位电路 23 4.2.3 下载调试及配置电路 24 4.2.4 晶振电路 25 4.3 时间数字转换器 25 4.3.1 TDC-GP22 测量芯片简介 25 4.3.2 TDC-GP22 电路设计27