一種光纖陀螺用檢測電路板噪聲特性測試方法與流程
本發明涉及光纖陀螺技術領域，具體涉及一種光纖陀螺用檢測電路板噪聲特性測試方法。
背景技術：
光纖陀螺作為角速度敏感元件，具有體積小，重量輕、精度高等特點，已經廣泛應用于慣性測量技術領域。目前，成熟的干涉型光纖陀螺采用閉環反饋與信號調制解調相結合的檢測電路方案。檢測電路板是干涉式光纖陀螺儀的信號處理核心組件，一般包括前置放大濾波模塊、a/d轉換模塊、數字信號處理模塊、d/a轉換模塊、d/a輸出驅動模塊和數字通信模塊。在理想狀態下，對于經過設計驗證的檢測電路板，工作性能由設計保證，噪聲特性滿足設計指標要求。然而，實際生產過程中，對于同一檢測電路板設計方案，由于器件、生產工藝和管理控制等多方面因素，不同批次或者同一批次電路板之間的性能也會存在差異性。在批量生產的條件下，總會出現噪聲特性指標不合格的產品。如果在電路板調試階段，僅通過簡單的阻抗測試和基本功能測試來判別電路板生產是否合格，無法排除因生產過程導致檢測電路板噪聲特性指標下降引起的不合格品，因此，沒有有效的測試手段對檢測電路板噪聲特性進行測試，不合格的電路板就會流入光纖陀螺儀中，影響光纖陀螺儀產品的成品率，導致不必要的返修工作。
目前，光纖陀螺用檢測電路板的調試內容主要包括電路板的絕緣性、電源阻抗和通信等基本功能測試，而沒有針對檢測電路板檢測噪聲特性的測試方案，只能將檢測電路板裝配到光纖陀螺儀整機上，進行整機的性能測試，才能確定檢測電路板是否滿足設計要求。不能測試光纖陀螺用檢測電路板噪聲特性，也對檢測電路板的設計方案驗證和生產工藝改進沒有明確的指導作用。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是：如何解決光纖陀螺用檢測電路調試過程中，為了提高調試階段的有效性，需要對檢測電路板噪聲特性進行測試的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種光纖陀螺用檢測電路板噪聲特性測試方法，包括以下步驟：
第1步：搭建檢測電路板測試系統
該系統包括：直流穩壓電源1、待測檢測電路板2、測試設備3和測試計算機4，該系統中，在直流穩壓電源1供電的條件下，待測檢測電路板2將空載時內部前置放大濾波模塊的噪聲信號通過內部a/d轉換模塊轉換為數字噪聲信號，然后經內部數字信號處理模塊解調出噪聲數據，最后通過內部數字通信模塊發送給測試設備3，測試設備3將噪聲數據轉發到測試計算機4，測試計算機4接收測試得到的解調數據；
第2步：設定噪聲解調周期t
待測檢測電路板2的噪聲解調周期與光纖陀螺的解調周期相同，設光纖陀螺使用的光纖環長度為l，光纖陀螺的解調周期為其光纖環渡越時間τ的2倍，光纖環的渡越時間由公式(1)表示，待測檢測電路板2噪聲解調周期t也為光纖陀螺的光纖環渡越時間的2倍，由公式(2)計算得到；
其中，n代表光纖的折射率為1.54，l代表光纖陀螺光纖環長度，c代表真空中的光速，τ表示光纖陀螺用光纖環的渡越時間；
第3步：利用待測檢測電路板2的數字信號處理模塊實現噪聲數據的差分解調，得到噪聲原始數據；
具體方法如下：
數字信號處理模塊產生a/d轉換模塊需要的采樣時鐘，周期為tad，tad＝t/2n，n為大于1的正整數，對檢測電路板的前置濾波放大模塊空載信號數據進行采樣，將噪聲解調周期平分為2個半周期，其中第一個半周期為正半周期、另一個半周期為負半周期，在正半周期共采樣n次，選取其中的k個數據進行累加，0<k<n，采用公式(3)得到d+；同樣，負半周期選取同樣位置的k個采樣數據，累加得到d_，按照公式(4)計算得到一個噪聲解調周期內的噪聲數據δd；
δd＝d+-d_(4)
其中，k為周期選取的采樣數據個數，di為第i個采樣數據，d+是解調正半周期k個數據累積和，d_為解調負半周期k個數據累積和，δd是一個噪聲解調周期內的噪聲數據；
設檢測電路板的數字通信模塊的通信周期為n’，將通信周期內的m個噪聲解調周期的噪聲數據δd1、δd2、δd3、﹒﹒﹒、δdm進行累積，用公式(5)得到累積的噪聲原始數據δdc，通過數字通信模塊發送到測試計算機，m＝n’/t；
其中，δdi是一個通信周期內，第i個噪聲解調周期的噪聲數據，δdc是一個通信周期累積到的噪聲原始數據；
第4步：分析所述噪聲原始數據，評價前置濾波放大模塊的輸出特性；
設測試時間為t，1秒內共采集到噪聲原始數據個數為m，組成的數據集合為{δdci，i＝1，2，3，…，m}，求第i秒的m個數據的均值為δdci，按照公式(6)計算t秒測試時間內的測試數據均值
其中，t是測試時間(單位s)，δdci是1秒內噪聲原始數據的均值，
用
第5步：設置方波信號，測試待測檢測電路板2的綜合噪聲特性
把待測檢測電路板2內部的d/a驅動輸出模塊與前置濾波放大模塊的輸入端連接，通過待測檢測電路板2的數字信號處理模塊，產生周期為t的方波信號，將該方波信號疊加到d/a輸出驅動模塊的噪聲一起輸入到前置放大濾波模塊；
重復第3步，按照第4步中公式(7)計算噪聲解調數據的標準差，然后設置標準差δdcm的參考值范圍，對待測檢測電路板2的噪聲特性是否滿足要求進行評價。
優選地，第4步中，若需要考核解調數據10秒噪聲特性，則按照公式(8)、(9)分別計算10秒解調數據的均值和標準差，用與1s數據處理相同的方法進行評價；
其中，t是測試時間，δdcti是10秒內噪聲原始數據的均值，
優選地，第5步中，還按照第4步中的公式(9)計算噪聲解調數據的標準差，然后根據具體光纖陀螺對檢測電路板綜合噪聲的要求，設置標準差δdcm的參考值范圍，對電路板噪聲特性是否滿足要求進行評價。
(三)有益效果
本發明的光纖陀螺用檢測電路噪聲特性測試方法，解決了光纖陀螺用檢測電路調試過程中，為了提高調試階段的有效性，需要對檢測電路板噪聲特性進行測試的問題。該方法利用檢測電路板的a/d轉換模塊和數字信號處理模塊等內部硬件資源，利用光纖陀螺類似的差分信號解調方案，對前置放大濾波模塊和d/a輸出驅動模塊的噪聲特性進行測試，通過測試結果來評價檢測電路板的噪聲性能，提高了檢測電路板調試有效性，避免了性能不合格電路板流入光纖陀螺整機裝配生產中，保證了成品率。另外，該方法也可用于光纖陀螺用檢測電路的設計驗證，指導光纖陀螺用檢測電路設計方案的優化改進。
附圖說明
圖1為光纖陀螺用檢測電路板功能框圖；
圖2為本發明的檢測電路板前置濾波放大電路噪聲評估測試系統示意圖；
圖3為本發明的檢測電路板前置濾波放大模塊噪聲解調原理圖；
圖4為本發明的檢測電路板綜合噪聲性能評估測試系統示意圖；
圖5為本發明的檢測電路板綜合噪聲性能解調原理圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
光纖陀螺用檢測電路板功能框圖所圖1所示，包括前置放大濾波模塊、a/d轉換模塊、數字信號處理模塊、d/a轉換模塊、d/a輸出驅動模塊和數字通信模塊共6個模塊。在光纖陀螺工作中，光纖陀螺光路產生的敏感信號經檢測電路板的前置放大濾波模塊進行放大濾波處理，傳遞給a/d轉換模塊，該a/d轉換模塊將輸入的模擬敏感信號轉換為數字信號，送到數字信號處理模塊(例如fpga)；數字信號處理模塊按照光纖陀螺差分解調算法對輸入的a/d轉換信號進行解調，解調的數據通過數字通信模塊發送到用戶接口，同時該數字信號處理模塊產生調制反饋數字信號，經過d/a轉換模塊轉換為模擬反饋信號，最后經過d/a輸出驅動模塊進行放大濾波處理，產生調試反饋信號，對光纖陀螺光路進行調制反饋，完成光纖陀螺的調制解調。
由于設計和生產過程的缺陷，檢測電路板不同模塊之間會產生信號串擾等，信號處理過程會引入附加噪聲。對于光纖陀螺，檢測電路板的前置放大濾波模塊和d/a輸出驅動模塊的附加差分噪聲對光纖陀螺精度指標影響顯著。通常，檢測電路板調試環節，沒有針對該兩個模塊的噪聲測試手段，無法對檢測電路板的噪聲特性進行評價。
本發明提出了一種基于檢測電路板內部硬件資源和差分解調算法的光纖陀螺用檢測電路板的測試方法。如圖2所示，該方法通過內部a/d轉換模塊將空載(無信號輸入)情況下前置放大濾波模塊的輸出信號轉換為數字信號，然后利用與差分解調類似的算法對該數字信號進行處理，并通過數字通信模塊和測試設備傳輸到計算機。計算機對解調的數字噪聲特性進行評價，進而評估檢測電路板中前置放大濾波電路的噪聲特性。
另外，利用檢測電路板的數字信號處理模塊產生與光纖陀螺調制周期相近的方波信號，通過d/a轉換模塊轉換為模擬信號并經過d/a輸出驅動模塊輸出，附加外部線纜與夾具，將該d/a輸出驅動模塊輸出的信號引入到前置濾波放大模塊的輸入端，可以通過上述方法對前置濾波放大電路和d/a輸出驅動電路的綜合噪聲特性進行評價。
本發明的實現步驟具體如下：
第1步：搭建電路板測試系統
按照如附圖2所示，搭建光纖陀螺用檢測電路板測試系統。該系統包括：直流穩壓電源1、待測檢測電路板2、測試設備3(為外部檢測電路通用測試設備，也就是一個數據轉發設備，可以是一塊板卡)和測試計算機4。該系統能夠實現如下功能：在直流穩壓電源1供電的條件下，待測檢測電路板2將空載(無輸入)時內部前置放大濾波模塊的噪聲信號通過內部a/d轉換模塊轉換為數字噪聲信號，然后經過內部數字信號處理模塊解調出噪聲數據，最后通過內部數字通信模塊發送給測試設備3，測試設備3將噪聲數據轉發到測試計算機4，測試計算機4將測試得到的解調數據并進行處理、顯示和保存等操作。
第2步：設定噪聲解調周期t
由于與光纖陀螺工作周期同步的噪聲對光纖陀螺的零偏等性能影響最大。因此，檢測電路板噪聲解調噪聲周期應與光纖陀螺的解調周期相同。光纖陀螺的解調周期與其本身的渡越時間有關。設光纖陀螺使用的光纖環長度為l，光纖陀螺的解調周期為其光纖環渡越時間τ的2倍，光纖環的渡越時間由公式(1)表示，檢測電路板噪聲解調周期t也為光纖陀螺的光纖環渡越時間的2倍，可以由公式(2)計算得到。
其中，n代表光纖的折射率為1.54，l代表光纖陀螺光纖環長度，c代表真空中的光速，τ表示光纖陀螺用光纖環的渡越時間。
第3步：采用差分解調算法解調噪聲數據
利用待測檢測電路板2的數字信號處理模塊實現噪聲數據的的差分解調，具體方法如下：
數字信號處理模塊產生a/d轉換模塊需要的采樣時鐘(周期為tad，tad＝t/2n，n為大于1的正整數)，對待測檢測電路板2的前置濾波放大模塊(無信號輸入)空載信號數據進行采樣。如圖3所示，將噪聲解調周期平分為2個半周期，其中第一個半周期為正半周期、另一個半周期為負半周期。在正半周期共采樣n次，選取其中的k(0<k<n)個數據進行累加，如公式(3)所示，得到d+；同樣，負半周期選取同樣位置的k個采樣數據，累加得到d_。按照公式(4)計算得到一個噪聲解調周期內的噪聲數據δd。
δd＝d+-d_(4)
其中，k為周期選取的采樣數據個數，di為第i個采樣數據，d+是解調正半周期k個數據累積和，d_為解調負半周期k個數據累積和，δd是一個噪聲解調周期內的噪聲數據。
設待測檢測電路板2的數字通信模塊的通信周期為n’，將通信周期內的m(m＝n’/t)個噪聲解調周期的噪聲數據δd1、δd2、δd3、﹒﹒﹒、δdm進行累積，如公式(5)所示，得到累積的噪聲原始數據δdc，通過數字通信模塊發送到測試計算機4。
其中，δdi是一個通信周期內，第i個噪聲解調周期的噪聲數據，δdc是一個通信周期累積到的噪聲原始數據。
第4步：分析所述噪聲原始數據，評價前置濾波放大模塊的輸出特性
設測試時間為t(單位是秒)，1秒內共采集到噪聲原始數據個數為m，組成的數據集合為{δdci，i＝1，2，3，…，m}，求第i秒的m個數據的均值為δdci，按照公式(6)計算t秒測試時間內的測試數據均值
其中，t是測試時間(單位s)，δdci是1秒內噪聲原始數據的均值，
如果需要考核解調數據10秒(1σ(方差))噪聲特性，按照公式(8)、(9)分別計算10秒解調數據的均值和標準差，用與1s數據處理相同的方法進行評價。
其中，t是測試時間，δdcti是10s內噪聲原始數據的均值，
第5步：設置方波信號，測試待測檢測電路板2的綜合噪聲特性
假設前置放大電路噪聲與d/a輸出驅動模塊噪聲是加性噪聲，按照如圖4所示對“第1步”的測試系統進行改進，即把待測檢測電路板2內部的d/a驅動輸出模塊與前置濾波放大模塊的輸入端連接。通過待測檢測電路板2的數字信號處理模塊，產生周期為t(噪聲解調周期)、占空比為1：1、幅值為v(50mv～100mv)的方波信號。該方波信號將疊加d/a輸出驅動模塊的噪聲一起輸入到前置放大濾波模塊。
重復第3步，按照第4步中公式(7)和公式(9)計算噪聲解調數據的標準差，然后根據具體光纖陀螺對待測檢測電路板2的綜合噪聲的要求，設置標準差δdcm的參考值范圍，即可對待測檢測電路板2的噪聲特性是否滿足要求進行評價。
可以看出，與傳統的光纖陀螺用檢測電路板調試方法相比較，本發明采用差分解調算法，對檢測電路的噪聲性能進行測試，可有效篩出噪聲性能不合格的電路板，提高了光纖陀螺用檢測電路板調試的針對性和有效性。本發明既可以在電路板無輸入狀態下，完成前置濾波放大模塊噪聲特性單獨測試，也可以通過檢測電路板內部軟硬件資源產生測試用方波信號，由d/a輸出驅動模塊輸出，并輸入到前置濾波放大模塊，完成電路板綜合噪聲性能測試，滿足電路板噪聲問題分類排查的需要，更有針對性的指導電路板的優化設計。本發明采用的噪聲解調周期與光纖陀螺的解調周期一致，可以檢測出對光纖陀螺性能影響較大的陀螺同頻噪聲，測試針對性更強。本發明的光纖陀螺用檢測電路板的測試方法可以用于測試不同溫度等條件下檢測電路的噪聲特性，對檢測電路板的噪聲特性的溫度相關性等進行測試。本發明采用噪聲數據采集和處理方法可以通過測試計算機軟件自動完成，使用簡單，并且可以通過增加測試時間，減小測量誤差。
綜上，本發明利用光纖陀螺用檢測電路板的內部硬件資源、附加外部檢測電路通用測試設備，即可完成影響檢測電路板主要性能的前置濾波放大模塊和d/a輸出驅動模塊噪聲性能測試，具有方法簡單、針對性強、成本低的特點。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
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