基于FPGA的单频激光干涉仪高速相位检测器设计与实现

　　引　言

　　激光干涉仪以其特有的大量程,高分辨力、高测量精度等优点在精密测长领域得到了广泛的应用。在现代单频激光干涉测量系统中,经常需要对单一频率 相位差为90°的正交信号进行相位检测。要实现测量系统高精度、高分辨力、实时性以及测量时的最大位移速度,关键因素之一就是实现高速、准确的相位检测 [1]。传统的集成相位检测元件,原理和电路比较复杂,稳定性较差,价格也较高,并且难以满足信号频率范围和测量速度的要求。基于FPGA实现的相位检测 器使用灵活方便,稳定性好,并且能实现实时、高速的测量。

　　1　基本测量原理

　　在单频激光干涉测量系统中,由于存在激光功率漂移以及环境变化的影响,造成干涉信号的强度不稳定,因此对于一路干涉信号的准确相位检测很难进 行。常用的方法是通过简单的分光移相产生几路正交信号,利用差分原理对上述共模干扰进行消除,这就需要设计对正交信号进行相位检测的方法。对于正交信号 sin(t)和cos(t),相位检测常用的数学原理就是对两路信号的商进行反正切运算,即θ=arctansin(t)/cos(t)的运算,从而获得 信号的相位值。实现反正切运算常用的方法有泰勒级数法、查表法以及CORDIC算法。其中泰勒级数法由于其运算复杂而难以满足高速实时测量的要求,查表法 为了实现高分辨率测量则要消耗大量的存储器资源,这对硬件来说是很难负担的。因此,我们采用CORDIC算法来实现基于FPGA的高速相位检测。

　　CORDIC ( Coordinate Rotational DigitalComputer,坐标旋转计算机)算法是由J.Volder于1959年提出,运用于航天系统中,解决一些三角函数和坐标变换等运算 [2]。经过几十年的发展与改进,CORDIC算法的不同应用能够完成许多种运算。从本质上讲,CORDIC是一种迭代逼近算法,其基本思想是通过一系列 固定的、与迭代次数相关的微小角度的偏摆来逼近所需的旋转角度。

　　CORDIC算法的优势在于每次迭代过程只有加法和移位两种运算,这在硬件上实现是较为容易的。其一般迭代方程为

　　其中θ即为由(x0,y0)表示的初始相位,同时由xn得到向量的幅值,Kn是一个与迭代次数有关的常数,当n>10时,可取为 1.647。通过将正交信号cos(t),sin(t)输入到x0,y0,并设置z0=0,便可从输出端xn得到信号的强度值,从　zn得到信号的相位 值。

　　2　电路设计与实现

　　实现上述算法的硬件电路简图如图1所示。

　　初值由多路数据选择器进入到x,y,z寄存器中,由寄存器输出到移位寄存器和加法器共同完成每次迭代的运算,迭代结果再由数据选择器返回到寄存器中,迭代完毕后由x,y,z三个寄存器输出最后结果。虚线为各器件的控制信号,实线为数据线。