驅(qū)動電路一致性對光纖陀螺用SLD光源特性的影響

殷建玲，魯 軍，陳玉丹，毛少娟，劉 軍

（軍械工程學院 電子與光學工程系，石家莊 050003）

驅(qū)動電路一致性對光纖陀螺用SLD光源特性的影響

殷建玲，魯 軍，陳玉丹，毛少娟，劉 軍

（軍械工程學院 電子與光學工程系，石家莊 050003）

針對目前同批次驅(qū)動電路對同一光源控制效果存在差異的問題，開展器件一致性對光纖陀螺用SLD光源特性影響的研究，找到影響驅(qū)動電路一致性的關鍵部位，并提出解決方案，從而規(guī)范驅(qū)動電路制作過程。理論分析結果表明：造成溫控電路差異的因素由大到小依次是惠斯通橋兩臂電阻偏差、熱敏電阻與同臂電阻偏差、正/負電源精度、運算放大器輸入失調(diào)電壓，以及積分電路的運放精度；造成恒流源電路差異的因素主要是指示器誤差、驅(qū)動電流漂移誤差和恒流源器件選配誤差；通過采取元器件配對、調(diào)試、更換高精度器件等措施，可消除或大幅降低上述電路差異。試驗結果證明，按照理論規(guī)范生產(chǎn)的驅(qū)動電路板一致性顯著提高，可達到同類進口驅(qū)動電路的水平。

電路一致性；SLD光源；光纖陀螺；驅(qū)動電路

超輻射發(fā)光二極管（SLD）作為干涉型光纖陀螺的一種常用光源，在光纖陀螺中得到廣泛應用[1-6]。SLD光源具有輸出功率高、光譜寬度寬、相干長度短等特點，可有效降低陀螺噪聲。該類光源溫度依賴性較強，其穩(wěn)定工作需要與之匹配的高精度溫度控制電路[7-9]。目前，關于 SLD光源恒流源和溫控技術的原理、設計、實驗研究已有諸多研究[10-12]。但是，在工程化生產(chǎn)過程中，按照相同流程制作的驅(qū)動電路對同一光源控制效果存在差異，最直接的表現(xiàn)是輸出功率上的差異。為了提高驅(qū)動電路工程化指標，需找到并克服這種電路上的差異。然而，目前國內(nèi)尚未有相關研究報道。本文從實際電路出發(fā)，在理論上逐步分析并找到影響驅(qū)動電路一致性的關鍵部位，并提出相應解決方法，最后通過實驗對上述分析結果進行驗證。

1 理想情況下，溫控電路與恒流源電路輸出

圖1 溫度控制電路簡圖Fig.1 Basic diagram of temperature control circuit

由直流電橋和運放電路的基本知識，可得一級運放輸出Vout1：

通常，光源組件中熱敏電阻的阻值在常溫(25℃)下為10kΩ，溫度系數(shù)為–500 Ω/℃。假設管芯調(diào)節(jié)溫度為25℃，則由公式(3)得：

當Vout1＞0時，表示光源管芯溫度低于 25℃；反之，管芯溫度高于25℃。

理想情況下，SLD光源的恒流源輸出應為100.00 mA。

2 溫控電路引起的誤差

2.1 電阻R2≠R3引起的誤差

令Vout1=0，由公式(5)得：

解公式(6)，得：

由式(7)(8)可以看出，只有當電阻R2和R3的阻值嚴格相等時，即熱敏電阻變化為零（ΔRt＝0）時，對應溫度控制點的偏差ΔT才為零。實際情況與此偏差較大。例如，當根據(jù)式(8)(4)，若想溫度工作點的偏差在 0.01℃以內(nèi)，R2和R3的偏差要小于5?，即兩者誤差k2＜5?，即使是精密電阻也很難做到。實際計算發(fā)現(xiàn)，如果那么即使R3和R2同時與理想值Rt0偏差 5‰（R3=R2=10kΩ± 50Ω），溫度控制點的偏差ΔT也小于0.0005℃。上述分析結果說明，對于同臂電阻R2和R3無需達到 5?的精度，僅需要對普通精密電阻嚴格配對，讓即可消除此誤差。

2.2 電阻引起的誤差

由式(9)可以看出，當Vout1=0時，無論k1取何值，都有：

由熱敏電阻的溫度系數(shù)–500 Ω/℃，很容易求出溫度控制點的偏離度為顯然，要想將溫度工作點的偏差控制在 0.01℃以內(nèi)，R1與25℃下熱敏電阻阻值Rt0的偏差需要小于5 Ω。

2.3 電源電壓 VDD≠-VCC 引起的誤差

如果RF=R=10kΩ，則：

顯然，若正/負電源電壓VDD與-VCC偏差（電源精度）5‰，則工作溫度點偏差在±0.0067℃以內(nèi)。

2.4 運算放大器輸入失調(diào)電壓引起的誤差

對于理想運放，當輸入信號電壓為零時，輸出電壓也為零。而實際運放當輸入信號電壓為零時，輸出電壓不為零。為了使實際運放無信號輸入時，輸出電壓為零，可假設在輸入端人為加了一個補償電壓，該補償電壓即為輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓實際上是無輸入信號時，輸出電壓折合到輸入端電壓的負值，表示為Voffset。

顯然，如果Vout1=0，則ΔRt=0。但是，對于常用的四運放 LM124，對應的則輸入失調(diào)電壓引起熱敏電阻與理想值的偏差為：

對應的工作溫度點偏差ΔT=?0.0044℃。另外，輸入失調(diào)電壓還會隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，總溫度點精度約為?0.005℃。

2.5 積分電路引起的誤差

理論上，積分項可將誤差放大電壓控制在0 mV附近。測試結果表明，PID控制電路選用LM124芯片時，單通道光源驅(qū)動電路板的誤差放大電壓約為20±3 mV，其中±3 mV是不同驅(qū)動電路板之間的差異。由于整個控制電路為閉環(huán)控制，其它部分的誤差（包括線性電路部分）都將被積分電路歸零，因此，積分電路中的運放是形成上述偏離電壓的原因。該電壓對應的熱敏電阻與理想值的偏差為：

這將引起各儀器的控溫點偏離 25℃約 0.02℃(RF=40kΩ)，不同驅(qū)動電路板之間偏差 0～0.003℃。但是，如果用高精度運放芯片OPA4277代替LM124，誤差放大電壓將在1.5～3.0 mV范圍內(nèi)變化，對應的工作溫度點偏差小于±0.003℃。

2.6 總溫控誤差

式(18)說明：第一項為零是因為惠斯通橋兩個臂的電阻R2和R3偏差可以通過電阻配對加以消除。顯然，對工作點偏差的影響大小依次是熱敏電阻與電阻的偏差、正/負電源精度，運算放大器輸入失調(diào)電壓、積分電路。對于光源11281，溫度每變化0.1℃，功率變化約 3.4 μW（表 1)。上述系統(tǒng)工作溫度點誤差±0.025℃將造成光源11281功率差異約ΔP≈±0.85μW。

表1 光源功率與溫控點變化之間關系Tab.1 Relation between power of light source and working point of temperature control

3 驅(qū)動電路的誤差來源

3.1 指示誤差

受測量儀表和輸出檢測電阻的影響，不同電路板驅(qū)動電流的差異可達±0.5 mA以上。利用精密10 ?檢測電阻和六位半電壓表，可將該誤差校正至±0.05 mA以內(nèi)。

3.2 驅(qū)動電流漂移誤差

受可調(diào)電位計旋鈕位置偏離和溫控電路干擾的影響，不同驅(qū)動電路板驅(qū)動電流的長期穩(wěn)定性和全溫變化略有差異。不同電路板驅(qū)動電流漂移量差異在±0.1 mA。例如，驅(qū)動電路板1的驅(qū)動電流全溫變化范圍為100.00～100.05 mA，驅(qū)動電路板2的驅(qū)動電流全溫變化范圍為100.00～100.15 mA。

在當前電路下，該誤差無法消除。要消除該誤差的影響，可改用數(shù)字電位計，并將溫控電路與驅(qū)動電路完全隔離。

3.3 元件選配誤差

目前，恒流源主要采用圖2所示驅(qū)動電路[4-5]。圖中Vconst和V1輸入運算放大器單元進行求和運算，然后，進入電流放大單元進行電流放大，經(jīng)電流放大后的電壓保持不變，即：

圖2 恒流源電路原理圖Fig.2 Basic diagram of constant-current source circuit

其中，Vconst為恒壓源的電壓；V1為管芯 SLD負端電壓；V2為電流放大后電壓。

由于在實際電路中：

圖中I1和I2分別為兩個支路電流，則流過光源管芯SLD的電流ISLD為：

式中，R為取樣電阻。可以看出，光源管芯SLD的注入電流ISLD只與輸入電壓Vconst和取樣電阻R有關。只要Vconst是高精密恒壓源，R為低溫度系數(shù)的精密電阻，該橫流源提供的注入電流ISLD就能達到非常高的精度。

在實際電路中，每塊驅(qū)動電路板的R不可能完全一樣，集成運放也非理想運放。這些都將造成SLD驅(qū)動電流ISLD的差異。因此，要保證恒流精度，須保證各塊電路板的取樣電阻R相等，以及高精度的集成運放。通過前期篩選，該誤差可忽略。

綜上，不同驅(qū)動板驅(qū)動電流總誤差在–0.15～0.15 mA。根據(jù)測量光源光功率與驅(qū)動電流之間的關系可知（表2），對應某光源的功率誤差約–1.05～1.05 μW。

表2 光源功率與驅(qū)動電流變化之間關系Tab.2 Relation between light-source power and driving current

4 總誤差及改進措施

結合溫控電路的誤差，優(yōu)化后驅(qū)動電路不一致性所引起的總功率差異約為–1.90～1.90 μW。

根據(jù)前面的理論分析，可總結光源器件篩選規(guī)范如表3所示。

按照上述器件篩選規(guī)范，生產(chǎn)了5塊光源驅(qū)動電路板，并利用精密10 Ω檢測電阻和六位半電壓表，將顯示誤差校正至±0.05 mA以內(nèi)。表4給出了按新規(guī)范生產(chǎn)調(diào)試的5塊電路板，以及進口驅(qū)動儀對光源11281的控制效果。

測試結果表明：1）5塊電路板對前面試驗光源11281的最大功率誤差是1.1 μW，符合理論分析結果（–1.90～1.90 μW）；2）優(yōu)化后生產(chǎn)的驅(qū)動電路板與進口驅(qū)動儀的驅(qū)動效果非常接近，進一步證實了上述理論分析結果。

表3 驅(qū)動電路板元器件要求Tab.3 Requirements of components in drive circuit board

表4 驅(qū)動電路板一致性試驗結果Tab.4 Test results for consistency of drive circuit board

5 結 論

針對目前工程化生產(chǎn)過程中，按照相同流程制作的驅(qū)動電路對同一光源控制效果存在差異的問題，開展了器件一致性對光纖陀螺用 SLD光源特性影響的研究。理論分析和試驗結果表明：惠斯通橋兩臂電阻偏差、熱敏電阻與同臂電阻偏差、正/負電源精度，運算放大器輸入失調(diào)電壓、積分電路的運放是造成溫控電路差異的五大因素；指示器誤差、驅(qū)動電流漂移誤差和恒流源器件選配誤差是造成恒流源電路差異的主要因素；通過恰當?shù)脑骷鋵?、調(diào)試、更換高精度器件等措施，可大大提高電路一致性，達到同類進口驅(qū)動電路的水平。

（References）：

[1]Burns W K, Chen C L, Moeller R P. Fiber-optic gyroscopes with broad-band sources[J]. Journal of Lightwave Technology, 1983, LT-1(1): 98-105.

[2]Lloyd S W, Fan S H. Experimental observation of low noise and low drift in a laser-driven fiber optic gyroscope[J]. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(13):2079-2085.

[3]Peesapati R, Sabat S L, Karthik K P, et al. Efficient hybrid Kalman filter for denoising fiber optic gyroscope signal[J]. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2013, 124(20): 4549-4556.

[4]Peesapati R, Sabat S L, Anumandla K K, et al. Design and implementation of a realtime co-processor for denoising Fiber Optic Gyroscope signal[J]. Digital Signal Processing, 2013, 23(5):1813-1825.

[5]Kownacki C. Optimization approach to adapt Kalman filters for the real-time application of accelerometer and gyroscope signals’ filtering[J]. Digital Signal Processing,2011, 21(1): 131-140.

[6]Xie Liang-ping, Li Rui, Zhang Bin, et al. Influence of single mode fiber bending on fiber optic gyroscope scale factor stability[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016,45(1): 0122001.

[7]Romain B, Khalid M, Vincent A, et al. Enhanced spectrum superluminescent diodes fabricated by infrared laser rapid thermal annealing[J]. Optics of Laser Technology, 2013, 54: 401-406.

[8]王夏霄, 張宇寧, 魏良勇, 等. 光纖陀螺光源SLD啟動時長的變化機理[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(12):12200031.Wang Xia-xiao, Zhang Yu-ning, Wei Liang-yong, et al.Wavelength change mechanism of light source SLD when starting up in fiber optic gyro[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12): 1220003.

[9]高洋洋, 周衛(wèi)寧, 雷莉莉, 等. 光纖陀螺用超輻射發(fā)光二極管啟動偏振特性及其影響研究[J]. 激光與光電子進展, 2015, 52(11): 211-216.Gao Yang-yang, Zhou Wei-ning, Lei Li-li, et al. Research on polarization characteristic of SLD start-up used in fiber optic gyroscope and its effect[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(11): 211-216.

[10]李清東, 劉軍, 余偉濤, 等. 基于 PWM 技術的光纖陀螺光源控制系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2012, 31(3):140-143.Li Qing-dong, Liu Jun, Yu Wei-tao, et al. Design of FOG light source control system based on PWM technique[J].Transducer and Microsystem Technologies, 2012, 31(3):140-143.

[11]殷建玲, 劉軍, 余偉濤, 等. 半導體制冷器對SLD光源溫控參數(shù)的影響[J]. 中國慣性技術學報, 2012, 20(1):109-112.Yin Jian-ling, Liu Jun, Yu Wei-tao, et al. Effect of thermoelectric coolers on temperature control of SLD[J].Journal of Chinese Inertial Technology, 2012, 20(1):109-112.

[12]楊明偉, 汪磊, 楊遠洪, 等. 變溫環(huán)境下SLD恒流源的驅(qū)動穩(wěn)定性研究[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(11):3024-3027.Yang Ming-wei, Wang Lei, Yang Yuan-hong, et al. Stability of constant current source for SLD in variable temperature environment[J]. Infrared and Laser Engineering,2013, 42(11): 3024-3027.

Influence of drive-circuit consistency on FOG SLD output

YIN Jian-ling, LU Jun, CHEN Yu-dan, MAO Shao-juan, LIU Jun
(Department of Electron and Optics Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

In view that the drive circuits from the same batch have discrepant control effects on the same light source, the influences of circuit consistency on the FOG SLD (super luminescent diodes) are studied. The critical points that affect the consistency of driving circuits are found, and the solution schemes are put forward,which standardize the production process of the drive circuits. Theory analysis results show that: the factors that cause the difference in temperature control circuits are the two-arm resistance deviation of Wheatstone Bridge,the resistance deviation between thermal resistor and the same-arm resistor, the asymmetry of +/- power supplies, the imbalance voltage inputted by the operational amplifier, and the errors caused by operational amplifier of integrating circuit; the factors that cause the difference of the constant current source circuits are indicator error, drive current wander error, and device selection error. A series of production specifications are proposed to eliminate or reduce the above differences, including matching, selecting, debugging, replacing, etc.Experiment results prove that the consistency of the drive circuit boards produced according to the proposed specifications is significantly increased, and can reach the level of the corresponding imported products.

circuits consistency; super luminescent diode(SLD); optical fiber gyroscope; drive circuit

1005-6734(2017)04-0518-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.04.017

U666.1

A

2017-04-12；

2017-07-26

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012AAG3025）

殷建玲（1979—），女，講師，從事光纖傳感技術研究。E-mail: yinjianling2002@163.com