專利名稱：微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀的電路系統(tǒng)，特別是一種微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
陀螺儀是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的重要器件之一，是用來測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間轉(zhuǎn)角或角速度的裝置。陀螺儀具有自主導(dǎo)航特性，從而被廣泛的應(yīng)用于航海、航空、航天等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，陀螺儀在礦山開采、石油勘探、海洋開發(fā)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。微機(jī)械混合陀螺儀驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)軸和扭桿帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。扭桿的結(jié)構(gòu)能保證陀螺儀在垂直于驅(qū)動(dòng)軸有速度時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)子相對(duì)殼體產(chǎn)生較偏轉(zhuǎn)信號(hào)，一方面通過上下電容極板檢測(cè)偏轉(zhuǎn)信號(hào)，來確定轉(zhuǎn)子的偏角。另一方面，該信號(hào)通過靜電力反饋產(chǎn)生力矩，作用陀螺轉(zhuǎn)子，使陀螺轉(zhuǎn)子回到平衡位置。由于扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度很小，必須通過外部 加預(yù)載電壓使其達(dá)到動(dòng)力調(diào)諧平衡。扭桿是一種連接裝置，各環(huán)通過扭桿連接。通過調(diào)節(jié)，使平衡環(huán)的負(fù)剛度、預(yù)載電壓的正剛度和平衡環(huán)的正剛度達(dá)到平衡，就是動(dòng)力調(diào)諧。傳統(tǒng)的微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)環(huán)路采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，為了進(jìn)一步改善陀螺的性能，須采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)陀螺的外圍信號(hào)處理。目前，包括本實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了利用純模擬電路的方法實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀外圍信號(hào)處理電路的研究，并取得了一定的成果，但是隨著硅微機(jī)械陀螺儀性能的進(jìn)一步提高，結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜以及自校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的提出，模擬電路在復(fù)雜性、靈活性、誤差特性等方面很難滿足要求，同時(shí)，模擬電路還存在噪聲、溫度漂移、漏電流等多方面的問題，從而影響陀螺儀的性能。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是為了克服模擬電路實(shí)現(xiàn)的硅微陀螺外圍信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，噪聲和溫度漂移等不足，提供一種簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定性好，可移植性強(qiáng)的微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，所述微機(jī)電混合陀螺儀輸出的電容信號(hào)經(jīng)過前置接口的差分放大器和帶通濾波器，接著依次經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字解調(diào)器、數(shù)字濾波器、解耦模塊，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后形成反饋電壓，與載波和預(yù)載電壓疊加，作用于微機(jī)電混合陀螺儀的反饋力矩器，形成再平衡回路。進(jìn)一步地，還包括校正模塊，該校正模塊的輸入端連接濾波器的輸出端，校正模塊的輸出端連接解耦模塊的輸入端。進(jìn)一步地，還包括正弦波發(fā)生器，所述正弦波發(fā)生器為微機(jī)電混合陀螺儀提供載波和數(shù)字解調(diào)器所需的正交信號(hào)。更進(jìn)一步地，所述的正弦波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的輸出，其中正弦信號(hào)用于載波，且同時(shí)作為解調(diào)信號(hào)的輸入，余弦信號(hào)用于解調(diào)信號(hào)的輸入。
進(jìn)一步地，所述微機(jī)電混合陀螺儀包括上電容極板、轉(zhuǎn)子體和下電容極板，其中上電容極板的內(nèi)環(huán)和下電容極板的內(nèi)環(huán)輸入載波、反饋電壓和預(yù)載電壓。更進(jìn)一步地，所述上電容極板的外環(huán)和下電容極板的外環(huán)用于檢測(cè)電容的變化。進(jìn)一步地，所述數(shù)字解調(diào)器采用步長(zhǎng)可調(diào)的最小均方誤差解調(diào)(LMSD)的方法進(jìn)行解調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)相位不匹配解調(diào)，解決了相敏檢波結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需求的資源較多的問題。進(jìn)一步地，所述濾波器為低通濾波器。進(jìn)一步地，所述預(yù)載電壓為直流高壓。有益效果本發(fā)明的前置接口電路采用差分放大，電容極板加載同一載波，分別加于電容版內(nèi)環(huán)的X軸和y軸。X軸和y軸的電容變化引起的電壓互不影響，從而更好的測(cè)量X軸和y軸的敏感角速度。為了使檢測(cè)電容的變化量盡可能大，采用內(nèi)環(huán)加載波，預(yù)載電壓和反饋電壓，外環(huán)用于檢測(cè)電容輸出。本發(fā)明采用數(shù)字電路提供載波。為了使輸出信號(hào)具有同相和正交信號(hào)，DDS的實(shí)現(xiàn)使用CORDIC算法。基于流水線CORDIC算法的正交函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占用的資源較少，特別適合在FPGA硬件上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明最大化的采用了數(shù)字電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而減少模擬電路存在噪聲、溫度漂移、漏電流等帶來的誤差。由于采用數(shù)字電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使數(shù)字電路各個(gè)模塊稍加改動(dòng)就可以移植到別的電路系統(tǒng)中，具有高靈活性。以往的混合陀螺的數(shù)字電路主要集中于解耦和校正網(wǎng)絡(luò)，混合陀螺的數(shù)字電路系統(tǒng)還不完善，本發(fā)明提供了一種較為完善的數(shù)字電路系統(tǒng)。本發(fā)明的前置接口電路采用差分放大電路，更好的抑制共模信號(hào)。電容極板加同一載波，解決以往用兩個(gè)不同頻率載波和設(shè)計(jì)兩個(gè)頻率不同的帶通濾波器的麻煩。本發(fā)明的載波采用基于流水線CORDIC算法的正交函數(shù)發(fā)生器，此算法具有簡(jiǎn)單易行，占用的硬件資源較少的優(yōu)點(diǎn)外，還可以為L(zhǎng)MSD解調(diào)提供正交信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多路處理的數(shù)字電路優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的解調(diào)電路采用步長(zhǎng)可調(diào)的LMSD，解調(diào)不需要相位一致。步長(zhǎng)隨著誤差信號(hào)e的大小廣生變化，從而使收斂速度和精度都有所提聞。


圖I為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)X軸前置接口電路圖。圖2(b)為微機(jī)電混合陀螺儀的數(shù)字電路系統(tǒng)X軸反饋電壓、預(yù)載電壓和載波接口電路圖；圖3為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的等效前置接口電路圖；圖4為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的DDS實(shí)現(xiàn)圖；圖5為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的LMSD解調(diào)圖；圖6為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的解耦圖；圖7為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的低通濾波電路圖；圖8為微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)的帶通濾波電路圖。
具體實(shí)施方式
、
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖I所示，檢測(cè)電容極板的電容變化經(jīng)差分放大器1A、差分放大器1B、帶通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入FPGA處理。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)首先經(jīng)LMSD解調(diào)器2A、LMSD解調(diào)器2B，經(jīng)低通濾波器3A、低通濾波器3B后得到電壓的幅值信號(hào)，經(jīng)校正模塊5A、校正模塊5B和解耦模塊6的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過功率放大器7A、7B后加載到反饋力矩極板上，形成再平衡回路。由于混合陀螺儀由扭桿的正剛度和電容板力矩器的電剛度進(jìn)行調(diào)諧，因此要有較大的預(yù)載電壓，直流高壓8A、直流高壓8B和反饋電壓一方面產(chǎn)生反饋力矩，使陀螺再平衡，一方面產(chǎn)生負(fù)剛度效應(yīng)，用于調(diào)諧。DDS正交函數(shù)發(fā)生器4A、4B在電路中主要是提供載波和解調(diào)所需的同相與正交信號(hào)。如圖2(a)所示，上電容極板9和下電容極板10的外環(huán)用于檢測(cè)，圖中所示為x軸方向(水平方向)上的檢測(cè)接口電路圖。對(duì)角線上的外環(huán)連接在一起并連接到外圍C/V轉(zhuǎn) 換電路中。y軸方向(垂直紙面方向)上的檢測(cè)接口連線與X軸一致。如圖2(b)所示，上電容極板9和下電容極板10的內(nèi)環(huán)用于載波電壓、預(yù)載電壓和反饋電壓的連接，圖中所示為X軸方向(水平方向)上的連接圖。對(duì)角線上的內(nèi)環(huán)連接在一起，并連接于載波電壓和預(yù)載電壓，反饋電壓連接于兩對(duì)角線上的某一路，反饋電壓取反之后連到兩對(duì)角線上的另外一路。如圖3所示，頻率不同的兩路載波分別加在電容極板內(nèi)環(huán)的X軸和y軸方向，其等效的電路如圖3所示。X軸的輸出電壓
「 ] F(Cl^Ch)VO 2C11+2C12 + C/+C6 + C^⑴
2(CI2 + AC)Vi =7； Vo
fa；
2(CU-AC)p — 7； yo
c/(3)Vont = AV2-V1)= , ^lc\r /'I , r w,叢
(ZC11 +2C 12 +Cf +( b+Lp)Lj(4)式中，Ct = Ctx+Cty為上電容極板的內(nèi)環(huán)9與轉(zhuǎn)子體10(參見圖2(a)和圖2(b))之間的總電容，Cb = Cbx+Cby為下電容極板11的內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子體10之間的總電容，AC為電容C11和C12的變換量，Cp為轉(zhuǎn)子體與地之間的等效電容，Cf為外接電容。如圖4所示，基于流水線CORDIC算法的DDS正弦波發(fā)生器由相位累加器，CORDIC算法模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。CORDIC算法使用加法和移位操作，適合在FPGA上操作，同時(shí)CORDIC具有很高的動(dòng)態(tài)范圍和很高的精度。CORDIC算法的迭代格式為
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述微機(jī)電混合陀螺儀輸出的電容信號(hào)經(jīng)過前置接口的差分放大器和帶通濾波器，接著依次經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字解調(diào)器、數(shù)字濾波器、解耦模塊，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后形成反饋電壓，與載波和預(yù)載電壓疊加，作用于微機(jī)電混合陀螺儀的反饋力矩器，形成再平衡回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于還包括校正模塊，該校正模塊的輸入端連接濾波器的輸出端，校正模塊的輸出端連接解耦模塊的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于還包括正弦波發(fā)生器，所述正弦波發(fā)生器為微機(jī)電混合陀螺儀提供載波和數(shù)字解調(diào)器所需的正交信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述微機(jī)電混合陀螺儀包括上電容極板、轉(zhuǎn)子體和下電容極板，其中上電容極板的內(nèi)環(huán)和下電容極板的內(nèi)環(huán)輸入載波、反饋電壓和預(yù)載電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字解調(diào)器采用步長(zhǎng)可調(diào)的最小均方誤差解調(diào)的方法進(jìn)行解調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字濾波器為低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)載電壓為直流高壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，其特征在于所述上電容極板的外環(huán)和下電容極板的外環(huán)用于檢測(cè)電容的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)，所述微機(jī)電混合陀螺儀輸出的電容信號(hào)經(jīng)過前置接口的差分放大器和帶通濾波器，接著依次經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字解調(diào)器、濾波器、解耦模塊，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后成為反饋電壓，與載波和預(yù)載電壓疊加，作用于微機(jī)電混合陀螺儀的反饋力矩器，形成再平衡回路。本發(fā)明克服模擬電路實(shí)現(xiàn)的硅微陀螺外圍信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，噪聲和溫度漂移等不足，提供一種簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定性好，可移植性強(qiáng)的微機(jī)電混合陀螺儀的電路系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01C19/5776GK102735230SQ20121018946
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者周百令, 夏敦柱, 李宏生, 王壽榮, 虞成 申請(qǐng)人:東南大學(xué)