本发明属于微弱信号检测和光纤陀螺惯性测量技术领域，特别是涉及一种基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路。
背景技术
光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的角速度传感器，广泛应用于惯性测量领域。其中含有角速度信息的干涉光通过pin光电二极管实现光电转换，pin光电二极管也称pin二极管，它是在两种半导体之间pn结的中间区域，即p区与n区之间生成i型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器，这种光检测器具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。实测光纤陀螺样机中pin二极管输出电流的典型值为几百微安，属于微弱信号的范畴，所以必须在pin二极管的输出级引入信号放大电路，目前国内光纤陀螺大多使用pin-fet组件，用于对干涉光信号进行光电转换及信号的初级放大。
图1是目前闭环光纤陀螺的结构示意图，其主要由光路与电路两部分组成，光路部分包括光源、耦合器、相位调制器及光纤环，其中光纤环做为敏感元件用于感知转速信号。电路部分则由光电探测器(pin-fet组件)、级联放大电路、模数转换器(d/a)、逻辑控制器、数模转换器(a/d)以及用于驱动相位调制器的放大器组成。光纤陀螺中的电路部分用来提供附加相移用以补偿由于转速而造成的光纤环中两束干涉光之间的相位偏移，附加相移的多少取决于转速的大小。具体的反馈过程为pin-fet组件将检测到的干涉光强转化为电压信号，电压信号经过级联放大电路滤波后通过模数转换器转化为数字信号交由逻辑处理器件进行运算处理，逻辑控制器再根据计算出的转速大小通过数模转换器及其后续放大器后输出调制方波到相位调制器上从而产生反馈相移，最终实现反馈控制。
光纤陀螺采用方波调制时，在输入一定转速下pin-fet组件的输出曲线如图2所示，该曲线间接表示了光纤环中反向的两束光在不同时刻的干涉光强度，波形中的尖峰是光纤环中的干涉光强等于干涉曲线峰值时造成的。我们用a与b来分别表示输出光强的大小，其中光强a与光强b的差值即包含了输入转速的大小信息，在图2中将其定义为derro，derro＝a-b。
作为衔接光纤陀螺光路与电路的重要部分，pin-fet组件是陀螺电路噪声的源头噪声，其噪声水平是影响光纤陀螺相关性能指标的重要参数。pin-fet组件主要由两部分组成，如图1所示，一部分是pin二极管1，另一部分是fet放大电路2。pin二极管1与fet放大电路2之间采用跨阻抗连接，这种连接方式具有灵敏度高、带宽高等优点。但同时选用这种方式的直观缺点是引入了跨阻的热噪声。其次由于输入信号微弱，跨阻一般需要选择较大的电阻来获得可观的增益，大电阻的存在使得放大器在放大微弱信号的同时对噪声和干扰也非常敏感。为此，目前光纤陀螺在pin-fet组件输出后的信号检测电路中仍需要采用多级放大与滤波的方式，用以在进一步放大有用信号的同时减小噪声与干扰。如图1所示，这种级联放大电路4无疑增加了电路复杂程度，同时也为降低陀螺功耗、实现陀螺小型化带来了困难。除此之外现有的信号放大电路在各器件参数选定后，增益也随之确定，不能动态调整增益为光纤陀螺的调试带来了一定的不便。
除上述信号放大电路本身的一些缺陷外，从光纤陀螺的信号检测方面来讲，目前的fet放大电路2也存在一些缺点，一方面，如前文所述，由于光纤陀螺的光路需要通过方波调制来使陀螺处于对转速最敏感的区域，这造成干涉光强在每个渡越时间τ内都会产生一个尖峰脉冲，从而使得pin二极管1在进行光电转换的时候也存在有周期性的尖峰电流。在实际应用中，尖峰峰值与实际的信号大小差了几个数量级之多。当对信号进行放大时，尖峰脉冲将限制前置放大器的增益，甚至使放大器饱和。经过fet放大电路2后，尖峰将变得更加宽，如果将尖峰的值误作为信号进行处理，则将对输出造成极大的影响。针对这一问题，目前的解决措施是采用时域梳状滤波器以滤除尖峰值，具体的解决方法就是在pin-fet组件的输出端加一个开关s0，如图1，在输出尖峰时使开关s0开路，而在非尖峰时的信号时间内使开关s0闭合，但这种方法需要在电路部分增加额外的模拟开关集成芯片，这无疑增加了电路尺寸。另一方面，pin-fet组件的输出信号经过多级级联放大电路3放大后，会进入模数转换器转换为数字信号交由逻辑处理器件进行调制信号的解调及后续的信号处理，其中为了获取解调值，需要模数转换器在光纤环的渡越时间τ内对信号进行多次采样，光纤环的渡越时间一般为几微秒，为了尽可能采样多组信号幅值，模数转换器的时钟频率一般都需要在几兆到几十兆之间，较高的时钟频率一定程度上会限制模数转换器的位数，使得采样精度受限，还会增加噪声通过耦合方式进入高增益及高带宽的pin-fet组件与前置放大器的可能性，最终影响光纤陀螺的相关性能。
技术实现要素：
为了解决现有闭环光纤陀螺结构中级联放大电路结构复杂，集成度低，难以实现低功耗与小型化的问题，本发明提出了一种基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路，替换现有闭环光纤陀螺结构中的fet放大电路和级联放大电路，连接在pin二极管输出端和模数转换器a/d输入端之间。
本发明提供的基于开关电容积分器的前置放大电路，使用开关电容积分器做为pin二极管输出信号的放大电路，与现有的闭环光纤陀螺的电路结构相比，完全替代了pin-fet组件中的fet放大电路及其后续的级联放大电路。通过逻辑控制器控制开关电容积分器的积分时间，避开pin二级管输出尖峰值，并在开关电容积分器积分完毕后，驱动模数转换器a/d对开关电容积分器的输出电压进行一次或几次采样，其效果等效于原有信号处理方案中模数转换器对级联放大电路的输出信号值的多次采样，所不同的是不需要额外的模拟开关集成芯片，也不需要对有用信号实现过采样。
所述pin二极管，用于检测光纤陀螺光路输出的干涉光强并转化为电流输出，是光纤陀螺光路到电路的连接部分。
所述模数转换器用于将开关电容积分器输出的模拟电压转化为数字量输入到后续逻辑控制器进行处理。
所述逻辑控制器为数字信号处理器、可编程逻辑门阵列fpga或asic专用集成芯片，用于控制模拟开关的通断从而间接控制积分电路的积分与复位时间，达到控制积分放大电路增益的目的。
本发明提供的基于开关电容积分器的前置放大电路，包括一个运算放大器、一个反馈电容和两个高速模拟开关，用于对pin二极管的输出电流进行积分放大并转化为模拟电压输出给模数转换器。
本发明的优点在于：
(1)开关电容积分器无热噪声，可以进一步提高光纤陀螺前置放大电路的信噪比；
(2)开关电容积分器的增益很高，只要积分时间够长，其增益可高达1gb，且其无运放带宽增益积的限制，由于光纤陀螺调制产生的脉冲尖峰可在进入运算放大器之前被筛除掉，从而可以去除现有电路中的级联放大电路，缩小电路尺寸；
(3)增益可调，跨阻增益大小可由软件控制，而且可进一步用于自适应增益控制，以改善光纤陀螺的动态特性；
(4)使用本发明的前置放大电路降低了对模数转换器时钟频率的要求，不仅可选择更高位数的模数转换器，提高检测精度，而且可以进一步降低电路系统中的噪声与干扰，同时进一步降低功耗。
附图说明
图1是现有闭环光纤陀螺原理示意图；
图2是现有闭环光纤陀螺电路中pin-fet组件在一定转速下的输出电压曲线示意图；
图3是本发明提供的开关电容积分器结构示意图；
图4是采用本发明的光纤陀螺正常工作时pin二极管的输出波形、开关电容积分器的控
制波形及其输出波形示意图；
图5是采用本发明的前置放大电路的等效电路示意图。
图中：
1：pin二极管；2：fet放大电路；3：级联放大电路；4：开关电容积分器；
5：模数转换器；6：逻辑控制器；7：等效电路a；8：等效电路b。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施案例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。以下实施案例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于开关电容积分器的前置放大电路，将开关电容积分器4连接在pin二极管1和模数转换器5输入之间，取代原有pin-fet组件中的fet放大电路2和级联放大电路3，从而达到降低电路噪声、减小电路复杂度、实现光纤陀螺小型化、低功耗的目的。
如图3所示，pin二极管1做为输入连接到开关电容积分器4上，开关电容积分器4可以由分立元件搭建构成，也可以选择专有的集成电路。所述的开关电容积分器4包括运算放大器u、第一高速模拟开关s1、第二高速模拟开关s2以及精密电容c1。pin二极管1通过第一高速模拟开关s1与运算放大器u的反相输入端连接，运算放大器u的同相输入端接地，第二高速模拟开关s2与精密电容c1并联后，连接到运算放大器u的输出端和反相输入端之间。所述运算放大器u的输出端依次连接模数转换器5与逻辑控制器6，开关电容积分器4将pin二极管1的输出电流转化为电压值vout输出到模数转换器5中，逻辑控制器6则控制开关电容积分器4中两个高速模拟开关s1和s2的通断及模数转换器5的采样时间。
所述的第一高速模拟开关s1、第二高速模拟开关s2是采用集成mos管作为开关器件的，因而有速度快，导通阻抗低等优点。
所述的pin二极管1与普通二极管相比不同之处在于其工作在反偏状态下，pin二极管1用于检测萨格纳克效应产生的干涉光强并转化为电流输出，其输出信号波形有下列几个特点：
(1)输出信号以方波形式给出，方波的振幅为有用信号(陀螺转速信息)，转动速度与方波幅度成比例。
(2)输出信号中有原理上的尖蜂脉冲，如图4中方波d所示，其周期与方波c相同，尖峰值幅度很大，通常远远大于有用信号。尖峰脉冲实际对应着调制方波的上升沿和下降沿。由于两束光之间的相位差由π/2到-π/2的过程中会经过0点，因此余弦输出会由0到1再回到0，形成一个尖峰，而尖峰的宽度由信号的上升沿和下降沿决定，受限于相位调制器驱动电路、相位调制器、pin二极管的带宽。
(3)输出信号是微弱的，并带有较强的高频噪声。
将pin二级管1的输出接至开关电容积分器4的输入端，通过控制第一高速模拟开关s1与第二高速模拟开关s2的通断即可控制开关电容积分器4的工作方式。
当闭合第一高速模拟开关s1，断开第二高速模拟开关s2时，开关电容积分器4处于“积分状态”，运算放大器u对pin二级管1的输出电流进行积分并转化为模拟电压vout输出，其理想积分的过程可以用下式来表述：
其中，vout为运算放大器输出的模拟电压；
c为精密电容c1的电容值；
t为积分时间；
i为pin二极管1的输出电流。
当第一高速模拟开关s1与第二高速模拟开关s2都断开时，开关电容积分器4处于“保持状态”，在这一保持状态，开关电容积分器4的输出模拟电压vout将不受输入的影响，保持为一定的固定电压值，这一固定电压值即为精密电容c1上的压降。
当第一高速模拟开关s1断开，而第二高速模拟开关s2闭合时，开关电容积分器4将处于“复位状态”，在复位状态时精密电容c1的两端短路，即对精密电容c1进行放电操作，这将使输出模拟电压vout降为0v。
本发明中的开关电容积分器4选用专有的集成芯片，这有利于增加电路的稳定性，提高电容积分精度，减少电路噪声，并且对电路小型化及低功耗起到有利作用。
由式(1)可以得出，积分器增益的大小可以由积分时间t的长短与积分所用的精密电容c1的大小c进行控制，积分时间越长电容值越小，增益越大，但是一般来讲我们在选定积分所用的精密电容后将不会改变其容值，因此动态调整增益可以通过控制积分时间来实现，而积分时间可以由第一高速模拟开关s1与第二高速模拟开关s2这两个高速模拟开关来进行控制。
如图5所示，方波c-方波g所示的五条曲线均具有相同的时间横轴，其中方波c是调制方波加载到相位调制器上时，光纤环内两束相反光相位的偏移量随时间的变化情况，方波d是在调制方波的作用下输入转速为0时pin二极管的输出功率曲线，方波e为第一高速模拟开关s1的控制时序，方波f为第二高速模拟开关s2的控制时序，方波g为在上述输入及控制下开关电容积分器4的输出曲线，即vout的值。下面我们对本发明中第一高速模拟开关s1与第二高速模拟开关s2的控制方法进行详细的说明。
当高速模拟开关的控制电平为高电平时代表开关闭合，低电平时代表断开。前面我们提到由于干涉光强在每个渡越时间内都存在有一个尖峰脉冲，为了避免将尖峰脉冲进行积分，所以在尖峰到来时需要断开第一高速模拟开关s1，尖峰过后再闭合第一高速模拟开关s1，断开第二高速模拟开关s2，以便对pin二级管的输出电流进行积分，此时开关电容积分器4将处于“积分状态”；“积分状态”结束后，同时断开第一高速模拟开关s1与第二高速模拟开关s2，这时开关电容积分器4将处于“保持状态”，在下一尖峰脉冲到来之前，逻辑控制器6可以驱动模数转换器5对积分放大电路的输出电压进行一次或几次采样，采样完成后再闭合第二高速模拟开关s2使精密电容放电进行复位，从而完成一次电流信号到电压信号的转换与放大，并接着开始下一次的循环。其中，“积分状态”不包含尖峰脉冲时刻，“保持状态”是在“积分状态”结束之后，对精密电容进行放电是在下一“积分状态”开始之前。
为了分析本发明中前置放大电路的噪声情况，如图5所示，为本发明的前置放大电路的等效电路示意图，其中，pin二极管1使用一个电流源与其寄生电阻r1和寄生电容c2之间的并联进行等效，即为等效电路a7；而开关电容积分器4中的两个高速模拟开关s1和s2分别使用两个电阻r2与r3进行等效，即为等效电路b8。等效电路a7中r1的典型值范围从100kω到100gω，c2的范围在20pf到1000pf之间。高速模拟开关s1和s2断开时的等效电阻r2和r3的典型值分别为r2＝r3＝1000gω，在闭合时的等效电阻r2和r3分别为1.5kω，我们假设开关电容积分器4处于积分状态，并由此计算电路中噪声增益的截止频率。
采用图5的等效电路模型计算该前置放大器噪声增益的下限截止频率为:
假设r3为1000gω，c1为100pf，fp将为0.00159hz，从而可以得出其下限截止频率为一接近于0的值。
同样用这个模型计算噪声增益的上限截止频率为:
假设r1为100mω，c1为50pf，r3为1000gω，c2为100pf，则fz＝10.6hz。
由计算结果显示该等效电路模型的上限截止频率也很低，从而可以得出等效电路模型中的噪声主要是由运放的高频噪声所决定。
图5中运放的高频噪声增益可表示为：
除运放的高频噪声外，高速模拟开关有相当于10μvrms宽带噪声，因此本发明中的光纤陀螺前置放大电路总噪声可以估计为：
公式(5)仅包含c2与c1两个自变量，因此为了减小噪声，一方面可以减小pin二极管中的寄生电容c2，另一方面可以增加积分所用的精密电容c1的大小。在实际使用中，pin二级管中的寄生电容是由其工艺决定的，积分所用的精密电容的容值则由光纤环的渡越时间τ及模数转换器的输入饱和电压等因素所决定，结合实际光纤陀螺的使用情况，积分所用的精密电容c1典型值通常在几十pf到几百pf之间，c2的典型值范围如前文所述在20pf到1000pf之间，所以gnoisy的大小不超过1000μvrms，因而可以看出本发明中的光纤陀螺前置放大电路具有低噪声的特点。
从上述实施案例可以得出，本发明提供的基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路，在实现信号增益动态调整的同时，减小了原有电路的复杂程度，降低了光纤陀螺前置放大电路的时钟频率及电路部分的功耗，提高了检测电路的信噪比。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。