[优秀毕业论文]基于FPGA的光纤陀螺四状态调试设计

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1、本科生毕业论文学 号 密 级 本科生毕业论文基于FPGA的光纤陀螺四状态调试设计院 （系）名 称： 自动化学院专 业 名 称： 电气工程及其自动化学 生 姓 名： 指 导 教 师： 讲师2011年6月摘 要近年来惯性级光纤陀螺仪的出现以及其所拥有的众多优点，使其成为舰船控制与导航系统的一个新的选择。高精度光纤陀螺仪的调制方案首选数字闭环控制方案，该方案中的铌酸锂集成光学相位调制器（Y波导）作为闭环执行部件，集光纤耦合器、光起偏器和电光相位调制器为一体，是数字闭环光纤陀螺的核心器件，其调制相位漂移将导致由转速引起的Sagnac相移中包含附加相移，另外相位漂移还会产生复位误差，这将直接影响标度因数

2、的线性度。原有的相位漂移采用带第2反馈回路的方波偏置调制方法，但该方法在低转速下补偿效率很低，为了解决这一问题，文中采用了一种新的基于四状态的双闭环检测补偿方法。相位调制器相位漂移的补偿是通过在单闭环系统中加入第2反馈回路调控反馈通道增益来实现的。通常的方法是在方波偏置调制情况下，将阶梯波复位前后的解调信号的差值信号作为第2反馈回路信号经其判断半波电压是否波动，然后再反馈到反馈放大器的增益。关键词：光纤陀螺；四状态阶梯波；闭环控制ABSTRACTIn recent years the inertial level fiber-optic gyro has appeared and owned

3、numerous advantages, making it become numerous advantages of ship control and navigation system of a new choice. High precision fiber-optic gyro modulation scheme preferred digital closed-loop control scheme, the scheme of niobium acid lithium integrated optical phase modulator (Y waveguide) closed-

4、loop actuating parts as light, set up wide optical coupler, devices and lightning phase is a digital for modulator closed-loop fiber-optic gyroscope core device, its modulation phase-shift caused by speed leads to Sagnac phase shift contains additional phase shift, another phase drift still can prod

5、uce reset error, which will directly influence scale factor linearity. The original phase-shift feedback loop 2 belt adopts the square-wave bias modulation method, but the method in low speed compensation is very inefficient and in order to solve this problem, this paper proposes a new kind of the d

6、ouble loop based on four state detection method to compensate. Phase modulator phase-shift compensation in single closed-loop system is through adding 2 feedback loop control feedback channel gain to fulfill. The common method is in the case of square-wave bias modulation, puting the ladder wave res

7、et and demodulation signal sent of signal as the first 2 feedback loop signal, after its judging half wave whether fluctuating, then voltage feedback to feedback amplifiers gain.Key words：fiber optic gyroscope;Four state ladder wave feedback; closed-loop control目 录第1章绪论11.1 课题背景及意义11.2 光纤陀螺的简介21.2.1

8、 光纤陀螺的数字闭环信号调制原理21.2.2 国内研究情况及应用31.2.3 光纤陀螺的发展趋势41.3 课题研究的主要内容5第2章 干涉式光纤陀螺的工作原理62.1 萨格奈克效应62.1.1 真空中的萨格奈克效应62.1.2 介质中的萨格奈克效应82.2 光纤陀螺的噪声分析112.2.1 光纤陀螺的光路噪声122.2.2 光纤陀螺的电路噪声132.3 闭环光纤陀螺信号调制132.3.1 四状态方波调制原理132.3.2 阶梯波调制原理182.4 本章小结22第3章数字部分的电路设计（FPGA技术）233.1 FPGA简介233.1.1 FPGA芯片结构233.1.2 FPGA的基本特点283

9、.2 硬件描述语言VHDL293.2.1 VHDL简介293.2.2 VHDL的主要优点303.3 仿真软件QuartusII313.3.1 QuartusII软件概述313.3.2 QuartusII软硬件操作流程333.4 本章小结34第4章 基于FPGA的光纤陀螺四状态的设计与仿真354.1 系统总体设计方案354.2 主要模块设计374.2.1 数据接收模块374.2.2 数据解调模块384.2.3 四状态方波调制模块394.2.4 调制信号模块404.2.5 加法模块424.2.6 时钟模块424.2.7 第二闭环的数字部分模块454.3 本章小结46结论47参考文献48致谢50附录

10、A：部分模块完整程序和设计原理图51附录B：本设计原理图及其仿真波形59第1章绪论惯性系统是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术，其完全自主、不受干扰、输出信息量大、实时性强等优点使其在军用飞行器载体和民用相关领域获得了广泛的应用。1.1 课题背景及意义以往的导航系统，如舰船用陀螺罗经、方位水平仪、平台罗经等，都采用机械式平台的结构，具有结构复杂、体积大、重量重、价格高，可靠性难以进一步提高的问题。惯性测量组合是现在所有火箭、飞机、导弹、船舶和地面车辆的惯性导航、制导和控制系统的核心。一般来说，惯性测量组合主要由以下几个部分组成1：(1)陀螺传感器，用于敏感角度和角速度；(2)加速度传

11、感器，用于敏感比力，从而获得速度、位置的变化量；(3)数据处理部件，用于处理陀螺和加速度传感器数据，形成系统状态信息。随着以计算机为“数字平台”的捷联技术的发展，捷联式惯性测量单元构成的系统在某些应用中正在逐步取代传统的框架式系统，这对惯性器件（陀螺仪和加速度计）也提出了更高的要求，而传统的机电陀螺很难满足这方面的要求。光纤陀螺作为一种新型的固态陀螺系统，应用于惯性测量组合中，具有令人称道的特性。与机电陀螺相比，光纤陀螺具有以下优点2：(1)没有机械运动部件，对机电陀螺的许多误差源不敏感，如重力加速度效应等，同时比机电陀螺更能承受环境的振动和冲击；(2)测量范围很大，可以从0.01/h以下到4

12、00/s以上，而机电陀螺中高转速测量需要对力矩器输入大电流，但制造大电流的力矩器不是一件容易的事；(3)可靠性高，平均无故障时间已达2500小时以上；(4)结构简单而且坚固，容易加工，成本低；(5)能直接数字输出。光纤陀螺以其特有的优点受到广泛的重视，在航空、航天、航海、兵器的导航系统、姿态控制系统中以及其它一些领域中，有十分广阔的应用前景3。作为惯性测量组合的基础测量单元，光纤陀螺的精度将决定惯性导航系统的精度，因而提高光纤陀螺精度的研究具有重要意义。1.2 光纤陀螺的简介1.2.1 光纤陀螺的数字闭环信号调制原理在光纤陀螺中，旋转引起的萨格奈克相移与角速率成正比，而探测器的输出响应是萨格奈

13、克相移的余弦函数，因而相对角的速率是非线性和周期性的，需要加入偏置调制或反馈控制等信号处理技术以实现所需的灵敏度和动态范围。对所有的光学干涉仪这是一个共性问题，因为只有光强才能被现有的平方律光探测器直接测量，即如果现有的光探测器能够直接监测光信号的相位，就不存在非线性响应问题。采用闭环信号处理方法可以把光纤陀螺的非线性响应转化为线性响应4。对光波进行幅值为的方波调制时，陀螺输出也是与调制方波同频率的方波信号。同采用PZT调制的全光纤陀螺的解调原理一样，其开环输出与旋转角速率的正弦函数成正比，因此很难实现大的动态范围。而闭环处理技术是解决输出非线性问题的关键。闭环光纤陀螺又分为模拟和数字两种方案

14、，模拟闭环光纤陀螺采用锯齿波反馈实现相位补偿，它要求锯齿波的回扫时间极短，但在具体实现的过程中，由于模拟器件系统性能所限，回扫时间，锯齿形斜波非线性和复位都很难精确控制其精度，导致光纤陀螺的标度因数性能受到影响。因而，国外大多采用阶梯波反馈的数字闭环方案。目前应用中的闭环光纤陀螺通常采用方波调制与数字相位斜波反馈控制相结合的方式完成对陀螺工作点的锁定，使其精确的工作在闭环状态 。然而光纤陀螺的调制方式有多种变化（其中包括目前常用的直接由方波调制方式演变的四态波调制方式），这些变化完全能通过改变施加在相位调制器件的调制波形和时序得以实现不同的调制方式可能会对陀螺某些方面性能有直接影响，此次实验的

15、目的就是希望通过简单的调制方式改变，实现光纤陀螺某些性能上的改善。1.2.2 国内研究情况及应用我国在光纤陀螺方面的研究起步比较晚，从上世纪 80 年代末才真正投入这一研究领域。经过近二十年的发展，目前也取得了一定的进展，上海航天局803 所、浙江大学光学仪器重点实验室、北京航空航天大学以及航天工业总公司第三研究院等几家研究单位均取得了一些成果。国内光纤陀螺的研究大致可以分为三个阶段：在研究初期的十多年里，由于受器件水平的制约，主要进行开环光纤陀螺的研究；90年代中期开始进行光纤陀螺闭环控制方案的研究；90年代末期以后进行中低精度光纤陀螺的工程化和产品的开发研究。目前国内低精度( )光纤陀螺主

16、要采用开环方案，技术已经成熟，正在向产品转化。中精度( )光纤陀螺的研究也有很大的进展，己经有多种方案的实验室样机，目前全保偏数字闭环光纤陀螺精度可达。高精度( )光纤陀螺也正在研究之中。经过20多年的努力，国内光纤陀螺的研究工作取得了很大的成就，在元器件方面，光源、光电探测器、耦合器、集成光学调制器、光纤环等都达到了国产化，技术指标基本满足陀螺性能要求；在陀螺控制方案上进行了多种探索，技术上渐趋成熟，积累了很多经验。但与国外相比还有很大的差距，主要集中在器件性能不稳定，生产工艺滞后。国内光纤陀螺的当务之急是中低精度光纤陀螺的工程化和产品化，以满足国防部门和民用领域的需求。温度特性、振动特性、

17、可靠性、小型化和高性价比成了研究的重点，尤其是温度特性是重中之重，是首要必需解决的问题。克服温度的影响，改善器件性能、在结构、工艺上的研究和从电路上进行补偿修正是努力方向5-9。1.2.3 光纤陀螺的发展趋势从近期看改进的光纤陀螺将取代许多系统中使用的激光陀螺和机械陀螺，精度最高将会达到，应用主要集中在0.00015/h15/h范围内。光纤陀螺精度和成本由于受到光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技术发展的限制，主要应用在战术级和速率级。当基本需求极大时，光纤陀螺系统成本降到1500020000美元之间。光纤陀螺上的物理技术突破将可以满足未来任何小型化的战略系统的要求。从长远看，随着光纤通信技

18、术、集成光学技术和光纤传感技术的发展，更多先进的成果将应用在光纤陀螺中，使得光纤陀螺的性能得以整体提高，应用范围更加广泛。干涉型光纤陀螺的应用领域将集中在惯导级上，精度范围为0.0015/h0.00015/h，有望取代静电悬浮陀螺10。光纤陀螺发展的方向：一是向更高精度、更高可靠性的方向发展，为航天、航空、航海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的超小型化方向发展，为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器；三是朝多轴化方向发展11。30年来，人们在光纤陀螺理论方案的设计、器件的研制以及实现工艺等方面取得了明显进展，尤其在干涉光纤陀螺研制方面进展顺利，技术日趋成熟，形

19、成诸多规格产品和高性能光纤陀螺样机。但就技术而言，在光纤陀螺光路形成、信号检测和处理等方面形成了一种趋势，主要表现在以下两方面12：(1) 采用闭环检测方案光纤陀螺是利用光纤Sagnac效应来敏感转动角速度，通过直接测量干涉仪的输出光电流就可以确定转动角速度。然而由于此干涉仪输出表现为余弦函数，故而输出特性仅在小角速度范围内为线性，动态范围有限，如何扩大动态范围，可采用模拟相位跟踪法和组合波反馈调制法（倍频调制和双频调制）实现检测电路的闭环；也可采用移频器的方法实现光路上的闭环。采用闭环检测方案，成为当前提高光纤陀螺标度因数和扩大动态范围最主要的技术。(2) 信号处理趋于全数字化 众所周知，干

20、涉型光纤陀螺的输出是余弦响应，为了获得高灵敏度，必须采取调制/解调技术来实现偏置。然而，用常规的模拟解调技术存在严重的偏置漂移，全数字处理技术为解决偏置提供了一条理想的途径。数字电路不存在电流电压波动和温度变化引起的偏置漂移，而且易于实现电路的小型化和集成化。该数字解调器由混频器、采样保持放大器、模/数转换器以及数字信号处理器等组成。由陀螺光学部分到达探测器的输出信号先进入混频器，在保持振幅和相位信息的状态下，其频率被降值转换。混频器的输出信号通过采样保持放大器和模/数转换器作为 AC 信号转换成数字信号进入数字信号处理器。数字信号处理器将采样信号与参考信号相乘积分获得解调信号。1.3 课题研

21、究的主要内容光纤陀螺的信号处理以FPGA为核心，来实现闭环电路的时序控制、数字解调、数字滤波波形合成与阶梯波反馈，不仅非常适合高速数据处理系统，而且FPGA为核心，使体积尺寸、功耗都比分立元件系统降低很多，使FOG的性能指标有很大的改进，提高了系统的可靠性；另一方面，采用数字方案可以有效避免模拟解调电路存在的器件漂移问题，通过正负半周相减解调出来的信号不再存在由于电路本身造成的偏置漂移分量。数字电路部分包括：数据接收、相关解调、滤波、波形发生器、串行通信模块。FPGA接收模数转换器送来的数字信号，进行数字解调、积分、滤波等一系列处理过程，并把处理后的结果累加形成四状态阶梯波，然后反馈回调制器产

22、生补偿相移和经过平均滤波作为以数字形式的输出。第2章 干涉式光纤陀螺的工作原理2.1 萨格奈克效应Sagnac效应是干涉型光纤陀螺的工作基础，它揭示了在同一环形光路中两对向传播光相位差与光路相对于惯性空间的旋转角速度之间的解析关系。由狭义相对论的相对性原理和真空中光速不变原理可知，光在真空中和介质中传播时，Sagnac效应数值关系的推导是不同的，因而下面将分别对这两个方面进行讨论13。2.1.1 真空中的萨格奈克效应光在真空中传播时不存在媒质的折射率，这时我们假设一个简单的“理想”圆形光路的情形如图 2.1 所示14，它是无穷多边形的极限情况。系统静止时，进入该系统的光被分成两束反向传播广波，

23、在同一光路中沿相反方向传播后，同相返回，如图 2.1(a)所示。当干涉仪旋转时，一个在惯性参照系中静止的观察者，看到光从M点进入干涉仪，如图 2.1(b)所示，并以相同的真空中的光速c沿两个相反的方向传播；但是，经过了光纤环的传输时间后，分束器已移到了 ，这时可以发现，旋转同相的光波比旋转反向的光波所经历的路程要长。这个路程差，这个路程差可以通过干涉法测量得到。(a) 静止系统 (b) 系统旋转图2.1 真空情况圆形光路的 Sagnac 效应下面，我们对真空中的萨格奈克效应进行数学推导15-16。假设圆形光路的半经为R ，它正以角速度 垂直于圆形光路轴心顺时针方向旋转。可以证明，两束沿圆周对向

24、传播光的光程差可以用式(2.1)表示： (2.1)式中 A圆形光路的面积；c光在真空中的传播速度。假设圆周上有一定点(如图 2.1b)中的 M 点)，两束光以此点开始分别按顺时针和逆时针方向沿圆周传播。当圆形光路静止，即 =0时，两束光将以同样的光速c传播，并从起始点经同一距离，同时回到起始点，所经时间为，这种情况下，两对向光不产生光程差。当圆形光路以角速度顺时针方向旋转时，逆时针(CCW)方向传播的光在经过的光程后将到达位于圆形光路中位置 M 的起始点，由于其传播方向与圆形光路旋转方向相反，所以逆时针方向传播光的光程圆形光路周长,并且可以表示为： (2.2)式中圆形光路旋转时圆周上的切线速度

25、； 逆时针传播光通过光程所用时间。此外，也可用逆时针方向上的等效光速与的乘积来表示。同理，沿顺时针(CW)方向传播的光，由于传播方向与圆形光路旋转方向相同，使其经历的圆周光程()变长。即： (2.3)对于真空中传播的光而言，由上面两式解出和，两者之差为：一般，上式可简化为： (2.4) (2.5)这说明圆形光路旋转产生的光程差与其角速度成正比，且同圆形光路面积成正比。圆形光路面积越大单位旋转角速度所产生的光程差就越大，相应产生的相位差也越大，则光学传感器的灵敏度就越高。2.1.2 介质中的萨格奈克效应光在介质中传播时，可以证实萨格奈克相位差仍保持不变。光在折射率为n 的介质中传播时，其传播速度

26、必须考虑介质中的光速 c/n与介质的切线速度R之间的相对论问题。光在介质中传播时，对于顺时针方向传播的光，其光速为15-16： (2.6)由于，因而。所以在允许精度范围内，上式可简化为： (2.7)同理，对于逆时针方向传播的光，其光速为： (2.8)简化为： (2.9)由式(2-7)和式(2-9)可以导出： (2.10)其中，所以由上式可得： (2.11)可见，两束光在折射率为n的介质中传播与真空中传播时产生的萨格奈克效应是一样的。这说明萨格奈克效应与光的传播介质无关，其灵敏度仅取决于光路的有效面积 A。为了提高萨格奈克效应的灵敏度，用 N匝光纤线圈代替圆周传播光路，使光路的有效面积增加 N

27、倍，则为： (2.12)两对向传播光的传播时间差对应的相位移为： (2.13)式中 光在折射率为 n的光纤介质中的波长；C 光在折射率为 n的光纤介质中的光速。两束光的光程差为： (2.14)由光纤构成的萨格奈克效应干涉仪如图 2.2，光源发出的入射光经光束分离器分为两束，分别沿顺时针和逆时针方向在光纤环中传播，最后在光束分离器会合发生干涉，干涉信号再进入光电检测器中进行光电检测。围绕垂直于环面的轴的转动将引起两束光之间的相位差的改变，从而改变输出干涉图样。图2.2 由光纤构成的萨格奈克干涉仪若用为光纤总长，为光纤环直径，则相移可表示成： (2.15)可见由多匝光纤绕制而成的光路所产生的萨格奈

28、克效应与光纤芯的性质无关。增加光纤匝数N可有效的提高灵敏度，并且不会增加光纤体积，从而使得小体积高灵敏度的旋转传感器成为可能。 令 (2.16) 则 (2.17)其中，称为光纤陀螺的萨格奈克标度因子。在实际中，标度因子是陀螺仪输出量与输入角速度的比值，它用某一特定的斜率来表示。光纤陀螺系统的标度因子有三项重要指标：稳定性、线性度、可重复性，这三项指标的高低对于光纤陀螺最终输出的精度有很大影响。2.2 光纤陀螺的噪声分析在光纤陀螺输出的数字信号中，除了包括光纤陀螺敏感的角速度信息之外，还包含各种干扰噪声信号。例如光纤的后向瑞利散射效应、双折射效应、克尔应、法拉第效应和温度效应等引起了光纤环的噪声

29、，同时还有光源噪声、探测器噪声和光路器件噪声等噪声，这些噪声影响着光纤陀螺的性能。除此之外，背景噪声、热噪声、振荡复合噪声、线路噪声、暗电流噪声、电子噪声、环境噪声、声频扰动、机械振动及任何其它大规模扰动等（如地球磁场变化等）也都是影响光纤陀螺性能的噪声源。为此，在光纤陀螺的使用中，对其输出的信号进行滤波处理是十分有必要的。通过分析光纤陀螺的结构及其原理，我们可以把干涉式光纤陀螺分成两大块，即所谓的光路和电路。图 2.3 是干涉式光纤陀螺系统中噪声分布示意图22。图 2.3 干涉式光纤陀螺噪声分布示意图2.2.1 光纤陀螺的光路噪声光路部分的主要噪声：光源产生的光源噪声，整个光路回路的偏振噪声

30、，光纤由于反向瑞利散射、法拉第效应、科尔效应以及温度变化而产生的噪声。光源是光纤陀螺的关键组件，光源的波长变化，频谱分布变化，输出光功率的波动以及光源中的固有散粒噪声(Shot Noise)和强度噪声都将直接或间接地影响陀螺。光纤陀螺光路的误差源主要包括：光纤中不同偏振态的交叉耦合、瑞利反向散射、非线性光学Kerr效应、地球磁场的存在通过Faradny效应对光纤材料的影响和由时间变化产生的热梯度，以及进入光纤的机械应力的影响等。要提高光纤陀螺的精度，必须解决好这些误差源。表 2.1 列出了针对噪声产生原因采取了不同的消除方法20。表2.1 光纤陀螺误差源及其消除方法误差产生原因有效解决途径温度

31、变化采用温度系数小的光纤和被覆材料，光纤环绕呈中心对称偏振变化采用保偏光纤、偏振器及消偏器反响瑞利散射采用超发光二极管、光纤光源等低相干光源或对后向散射提供频差，对光源进行脉冲调制光纤端面的菲涅尔散射采用消除瑞利散射的办法或采用折射率匹配的方案光接收器的散射噪声采用高量子效率光检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源法拉第效应进行电磁屏蔽和使用保偏光纤，以消除环路中每隔一圈为周期的扭曲失真误差克尔效应采用相关光源2.2.2 光纤陀螺的电路噪声由于光纤陀螺的动态范围比较大，所以当陀螺转速很低时，光电检测器的输出信号非常微弱（50mv左右），很容易被电路中的白噪声所淹没。同时，电路板的工艺、放大器以

32、及A/D、D/A等器件的选择对光纤陀螺的精度都有很大的影响。每一个环节都是少不了的，但是由于电子器件本身是有噪声的，进来的光信号是有噪声的，现在又来新的噪声。基于上述情况，在软件设计中我们采用了互相关、FIR等滤波算法，有效地提取了被噪声掩没的微弱信号并实现了光纤陀螺的进一步实用化。电路部分的主要噪声包括：探测器散粒噪声，信号调理电路和相位调制信号发生器电路元器件产生散粒噪声、分配噪声、1/f噪声、尖峰噪声等等26-29。2.3 闭环光纤陀螺信号调制近年来惯性级光纤陀螺仪的出现以及其所拥有的众多优点，使其成为舰船控制与导航系统的一个新的选择。高精度光纤陀螺仪的调制方案首选数字闭环控制方案，该方

33、案中的铌酸锂集成光学相位调制器(Y波导)作为闭环执行部件，集光纤耦合器、光起偏器和电光相位调制器为一体,是数字闭环光纤陀螺的核心器件，其调制相位漂移将导致由转速引起的Sagnac相移中包含附加相移，另外相位漂移还会产生复位误差，这将直接影响标度因数的线性度。原有的相位漂移采用带第2反馈回路的方波偏置调制方法，但该方法在低转速下补偿效率很低，为了解决这一问题，文中提出了一种新的基于四状态的双闭环检测补偿方法17。2.3.1 四状态方波调制原理数字相位斜波技术采用数字逻辑和D/A转化器，通过转换器的自动溢出，很容易实现复位控制技术。但是，由于功率放大器的电子温漂、Y分支半波电压的变化以及各参数随温

34、度的漂移等，会引起相位调制通道的增益发生变化，从而影响复位精度，因此，除了闭环反馈回路外，还需要建立第二反馈回路，通过控制相位通道的增益实现精确的复位。在理想的相位阶梯波中，所产生的相位差恰好补偿旋转引起的相位变化，即。在复位期间，工作点精确移动，使干涉信号的值保持在相同的水平上，两个误差信号都为零。假定在M个时钟周期，陀螺工作在偏置相移附近。M个时钟周期归一化信号为： (2.18)在复位期间的1个时钟信号内，有： (2.19)当解调器的模拟电压增益出现误差时，相位阶梯和复位都发生变化：相位阶梯变为，复位变为。对于相同的数字相位台阶值，此时归一化输出信号变为： (2.20)由于，所以有： (2

35、.21)在复位期间，信号变为： (2.22)比较式（2.20）和式（2.21）可以看出，在复位期间的一个时钟周期内，调制增益不匹配引起的复位误差等效于在方波偏置调制的峰值相位上引进一个的相位增量，其结果必然使输出波形在复位期间发生漂移。可以设想，如果电路系统给静止的陀螺人为产生一个阶梯高，则相当于陀螺获得一个的旋转偏置。如果复位理想，那么陀螺模拟输出是一个幅值为（）的方波信号；如果复位不理想，陀螺输出波形在复位期间发生漂移，漂移量为，同时方波幅值也有变化，造成光纤陀螺的输出误差。时，整个阶梯波周期（个时钟）内陀螺输出的平均误差正比于。图2.4是给定台阶高度，用方波调制的峰值相位模拟复位误差得到

36、的输出波形18。图2.4 非理想2复位时的陀螺输出响应由于反映了相位调制通道的增益变化，在通常的基于方波调制的闭环陀螺中，控制复位调制通道增益的方法是比较复位前后信号来确定误差量，因而存在着一个缺陷，即在低速时会因复位次数少而无效。鉴于此，采用一种 “四态”方波方波偏置调制技术，利用该技术可以实现通道增益控制，同时避免了上面提到的缺陷。“四态”方波调制的工作原理如图2.5所示，调制信号采用的是线圈的本征频率（即），在每一个周期内，调制波形可表示为 (2.23)式中。陀螺静止时，输出是一条直线(通常含有频率为的误差脉冲)，平均偏置功率为；而当陀螺旋转时，工作点发生移动，输出变成一个与调制方波通频

37、率的方波信号2.6(a)。调制通道的增益变化时，产生一个2倍于本征频率的误差信号2.6(b)，因此，陀螺在工作状态时的输出信号通常是上述两种情况的叠加2.6(c)。这种“四态”方波调制技术使控制调制通道的增益成为可能，从而实现复位控制。根据以上分析，设计出采用双重反馈的光纤陀螺全数字闭环处理电路：第1个反馈回路在每个周期内产生适当的相位阶梯，用来补偿光纤环旋转引起的萨格奈克相位差；第2个反馈回路产生一个数字补偿信号控制调制增益，保证阶梯波复位。由于采样是在方波信号的每个1/4周期内进行，第1个1/4周期和第4个1/4周期的两个采样值之和减去第2个1/4周期和第3个1/4周期的两个采样值之和给出

38、陀螺的开环数字量，相隔半周期的两个采样值相减给出陀螺的增益误差量，两个反馈回路根据数字量产生合适的相位阶梯和增益补偿，避免了铌酸锂器件的温度稳定性问题和模拟解调中电子线路引起的漂移19-21。图2.5 “四态”方波调制的工作原理 (a) 陀螺旋转时的输出信号(b) 增益有变化时的输出信号 (c) 陀螺旋转且增益有变化时的输出信号。图2.6 “四态”方波调制光纤陀螺的输出信号考虑到萨格奈克干涉仪的有限相干性及低的驱动电压，“四态”方波调制的两个重要参数、应满足条件： (2.24)由式（2-23）知： (2.25)由前面的测试结果可以看出，方波调制的最佳工作点，由此得到。采用增益控制后，光纤陀螺的

39、归一化输出信号为： (2.26) (2.27)由此计算出： (2.28)这表明，增益控制技术无法消除波长变化对闭环光纤陀螺标度因数的影响。2.3.2 阶梯波调制原理由于光纤陀螺的固有响应是余弦函数，因而输出与输入呈非线性关系。为了减小输出的非线性误差和增大动态范围，采用闭环反馈的方法在相向传输的两束光之间引入一个与萨格奈克相移大小相等、方向相反的补偿相移。一方面作为补偿相移用来抵消萨格奈克相移，使光纤陀螺始终工作在零相位差附近，因此测量灵敏度最高；另一方面作为输出信号，反映陀螺转动速度的大小和方向。因为在相对较小的时间范围内，转动方向不会改变，因此补偿相移的方向也不会改变，补偿相移随时间的增长

40、不断增大，因此不断增加的补偿相移在电路上表现为一个随时间增加的模拟斜坡电压。在实际电路中通过在相位调制器上加控制电压来产生补偿相移，根据相位调制原理，在光路中引入的相移与控制电压成正比关系，用公式来表示即21： (2.29)由于外加电压不可能无限度地增长和补偿相移的正弦函数是周期性的，可以通过周期性的复位来实现补偿相移连续增长的效果，只要复位是在模拟斜坡为2rad时完成，不会产生标度因数误差23。在全光纤数字闭环光纤陀螺方案中，采用数字相位阶梯波来替代模拟调制方案中的模拟锯齿波，成功地解决了模拟锯齿波相位调制技术中回扫时间不为零的问题。其调制过程为：给置于光纤环一端的电光调制器加一个数字阶梯波

41、电压调制信号，由于、两束光通过该调制器的时间不同，因而会产生一个阶梯波相位变，即数字相位阶梯波。数字阶梯波不是连续的斜坡，而是步长为、台阶高度为的阶梯波。因为光波通过光纤敏感线圈的延迟作用，从而在、光波中引入一个等效的相位差，反馈控制回路通过对误差信号的处理，控制数字相位阶梯波的台阶高度,使与旋转引入的萨格奈克相移大小相等、方向相反，使光纤陀螺工作在零相位差附近，即。图2.8 数字相位阶梯波调制数字相位阶梯波的优势在于运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值，都能通过D/A转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位，而不必增加复杂的电路或算法。数字相位阶梯波输出电压的波形如图2.8所示。阶梯

42、波的每个台阶宽度是与光纤敏感线圈的渡越时间严格相等的，台阶高度是数字相位阶梯波的峰峰值和输出控制数字信号的函数，其关系为24-25： (2.30)式中 阶梯波产生电路D/A转换器的位数；相位调制器的调制系数。定义 为数字相位阶梯波的斜率，则： (2.31)根据的大小和正负值便可以得到台阶高度的大小和方向。数字相位阶梯波通过D/A转换器和驱动电路产生输出信号反馈到相位调制器的输入端，用以产生抵消萨格奈克相移的反馈相移。由于相位调制器的响应只与调制电压差有关，所以可以得到引入的反馈相移与数字相位阶梯波发生电路的输出信号的关系为： (2.32)式中相位调制器的调制系数。从图2.7可以看出，任意两点和

43、之间电压差是与台阶高度相等的，即： (2.33)又因为有： (2.34)则有： (2.35)定义为反馈相移与光纤陀螺的输出信号的比值，即反馈系数。因此反馈系数为： (2.36)则有： (2.37)又因为： (2.38)根据上式可以得出：= (2.39)定义为萨格奈克效应系数，则，因此闭环光纤陀螺的输出信号为： (2.40)上式是闭环光纤陀螺中使用数字相位阶梯波技术的输出函数。则闭环光纤陀螺的标度因数为：= (2.41)该式表明：标度因数为萨格奈克响应系数与反馈系数的比率。并且由上面的式子还可以看出，数字闭环光纤陀螺标度因数取决于下面几个关键因数：光纤敏感线圈的长度、光纤环的直径、光源的光波长、

44、相位调制器的调制系数和数字相位阶梯波的峰峰电压值，而与数字相位阶梯波的台阶宽度、光纤敏感线圈的渡越时间无关。2.4 本章小结本章主要介绍了干涉型光纤陀螺的核心工作原理萨格奈克效应，并分为真空中的萨格奈克效应和介质中的萨格奈克效应进行了分析，虽然光在光纤介质中和真空中传播时的萨格奈克效应分析方法不同，但是结论却是相同的，这说明萨格奈克效应与光路中是否存在介质无关（折射率不变时）。对闭环光纤陀螺系统的光路噪声和电路噪声号进行了分析，为了补偿余弦敏感性和方向性问题，引入了“四态”方波调制和阶梯波调制的概念，指出了二者的优缺点，这些都为后面章节进行闭环光纤陀螺的研究奠定了基础。第3章数字部分的电路设计

45、（FPGA技术）FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。3.1 FPGA简介FPGA芯片主 要由7部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。FPGA简化的结构如图3.1所示19。图3.1 FPGA简化结构图3.1.1 FPGA芯片结构1可编程输入输出单元 (IOB)可

46、编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图3.2所示。 FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA 内部。当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时，其保持时间（Hold Time）

47、的要求可以降低，通常默认为0。为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA的IOB被划分为若干个组（bank），每个bank的接口标准由其接口电压VCCO决定，一个bank只能有 一种VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO电压相同是接口标准的基本条件。图3.2 典型的IOB内部结构示意图2可配置逻辑块 (CLB)CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、

48、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个）相同的Slice和附加逻辑构成，如图3.3所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。图3.3 典型的CLB结构示意图Slice是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图3.4所示，一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可以使一个Slice实现 2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的效率；进位逻辑由专用进位信号和函数复用器（

49、MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入，可以实现6输入LUT或 64比特移位寄存器）；进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高CLB模块的处理速度。图3.4 典型的4输入Slice结构示意图3数字时钟管理模块 (DCM)业内大多数FPGA均提供数字时钟管理（Xilinx的全部FPGA均具有这种特性）。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。4嵌入式块RAM (BRAM)

50、大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器 （CAM）以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入 CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将 FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。单片块RAM的容量为18k比特，即位宽为18比

51、特、深度为1024，可以根据需要改变其位宽和深度，但要满足两个原则：首先，修改后的容量（位宽深度）不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而不再受上面两条原则约束。5丰富的布线资源布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号

52、的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲，布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。6底层内嵌功能单元内嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等软处理核（SoftCore）。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC

53、平台过渡。DLL和PLL具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL的结构如图3.5所示。图3.5 典型的DLL模块示意图7内嵌专用硬核内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPG

54、A 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。Xilinx公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU，还内嵌了DSP Core模块，其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系统（System on Chip）的概念。通过PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平台，能够开发标准的DSP处理器及其相关应用，达到SOC的开发目的。3.1.2 FPGA的基本特点1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合

55、用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，

56、内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。3.2 硬件描述语言VHDL3.2.1 VHDL简介甚高速集成电路硬件描述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）于1983年由美国国防部（DOD）发起创建，由IEEE（The Institute of Electric

57、al and Electronics Engineers）进一步发展并在1987年作为“IEEE 标准1076”发布11。从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。自IEEE公布了VHDL的标准版本之后，各EDA公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具支持 VHDL。此后 VHDL在电子设计领域得到了广泛应用，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，简称93版。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬

58、件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新世纪中，VHDL语言会承担起大部分的数字系统设计任务。除了作为电子系统设计的主选硬件描述语言外，VHDL在EDA领域的仿真测试、程序模块的移植、ASIC设计源程序的交付、IP核（Intelligence Property core）的应用方面担任着不可或缺的角色，因此不可避免地成为必要的设计开发工具。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，

59、或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,即端口)和内部（或称不可视部分），即涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。3.2.2 VHDL的主要优点VHDL语言作为常用的硬件描述语言，有如下优点：（1）覆盖面广，有强大的系统硬件描述能力VHDL可以覆盖行为描述、RTL (寄存器传输)级描述、门描述、电路描述和物理参数描述（包括延时、功耗、频率、几何尺寸等）。VHDL还具有丰富的数据类型，既可以支持预定义的数据类型，也

60、可以自己定义数据类型。这样便给硬件描述带来了较大的自由度，使设计人员能够方便地使用VHDL创建高层次的系统模型。（2）可读性好、易于修改在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构模块化，所以易于修改设计。（3）独立于器件的设计，与工艺无关用VHDL进行硬件电路设计时，并不需要首先考虑选择完成设计的器件，也就是说，VHDL并没有嵌入具体的技术和工艺约定，设计人员可以集中精力进行设计的优化，不需要考虑其他问题。当一个设计描述完成以后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。（4）易于移植和设计资源共享由于VHDL是一种国际标准化的硬件描述语言，对于同一个设计描述，它可以移植到符合相同标准的任意系统或平台上运行。3.3 仿真软件QuartusIIQuartusII软件是MaxplusII软件的升级产品，其具有更加强大和完善的功能，为FPGA设计者提供了更为便利的设计开发环境。3.3.1 QuartusII软件概述QuartusII是Altera提供的FPGA/CP