一種數(shù)字陀螺儀信號(hào)控制處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，涉及陀螺儀的信號(hào)處理和控制電路的軟硬件實(shí)現(xiàn)架 構(gòu)，特別是涉及振動(dòng)式陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微陀螺儀是一種振動(dòng)陀螺儀，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、抗惡劣環(huán)境、可批量 生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。目前的微加工工藝主要基于光刻的圖案?jìng)鬟f和腐蝕技術(shù)，工藝相對(duì)誤差在10 3 量級(jí)或者更大，為了提高振動(dòng)式微陀螺儀的精度，必須對(duì)微加工過(guò)程中的各種誤差進(jìn)行補(bǔ) 償。
[0003] 根據(jù)振動(dòng)式陀螺的敏感原理科里奧利效應(yīng)，角速度激發(fā)的檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)跟驅(qū)動(dòng) 模態(tài)的振動(dòng)速度成正比。因此為了保證角速度輸出的穩(wěn)定性，目前的主流做法是用鎖相環(huán) 跟蹤驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率變化，利用穩(wěn)幅控制環(huán)路來(lái)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)環(huán)路的振幅的穩(wěn)定。
[0004] 為了保證陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)鎖相環(huán)的頻率跟蹤精度和穩(wěn)幅控制環(huán)路的幅度控制精 度，必須獲得精確的驅(qū)動(dòng)諧振頻率和幅度信息。對(duì)于陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的角速度信號(hào)和正交 信號(hào)的提取和陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率信息和幅度信息的提取類(lèi)似，現(xiàn)在有兩種常用方法：一 種是采用鎖相解調(diào)的方法來(lái)獲取幅度和相位信息，鎖相解調(diào)方案需要低通濾波器抑制帶外 噪聲，對(duì)濾波器的性能要求極高，這增加了對(duì)系統(tǒng)硬件資源的消耗；另一種常用的方法是自 適應(yīng)解調(diào)，但自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：發(fā)明了一種數(shù)字陀螺儀信號(hào)控制處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 振動(dòng)式陀螺儀信號(hào)的高效處理和控制，克服了現(xiàn)有陀螺儀處理電路采用鎖相解調(diào)技術(shù)對(duì)濾 波器參數(shù)要求過(guò)高的缺點(diǎn)，或者采用自適應(yīng)解調(diào)技術(shù)實(shí)施方案過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種數(shù)字陀螺儀信號(hào)控制處理系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)模塊控制環(huán) 路Ll和檢測(cè)模態(tài)控制環(huán)路L2 ;
[0007] 驅(qū)動(dòng)模塊控制環(huán)路Ll :第一電容電壓轉(zhuǎn)換模塊把振動(dòng)式陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng) 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)第一抗混疊濾波模塊進(jìn)行抗混疊濾波處理后傳送給第一 AD轉(zhuǎn)換 模塊；通過(guò)第一相關(guān)欠采樣模塊對(duì)第一 AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行相關(guān)欠采樣處理獲得頻率偏移信 息和振動(dòng)幅度信息；頻率跟蹤PI控制器將第一相關(guān)欠采樣模塊獲得的頻率偏移信息與頻 率參考進(jìn)行比較，得到相應(yīng)的誤差信號(hào)，根據(jù)誤差信號(hào)的大小輸出相應(yīng)的頻率控制字給信 號(hào)發(fā)生器模塊，使得信號(hào)發(fā)生器模塊生成的陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)sinl跟蹤陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的 諧振頻率；信號(hào)發(fā)生器模塊生成陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)sinl、檢測(cè)模態(tài)調(diào)制正交基準(zhǔn)信號(hào)sin2和 cos2 ;穩(wěn)幅PI控制器將第一相關(guān)欠采樣模塊獲得的幅度信息與幅度參考進(jìn)行比較，得到相 應(yīng)的誤差信號(hào)，根據(jù)誤差信號(hào)的大小生成相應(yīng)的控制電壓給驅(qū)動(dòng)幅度調(diào)制模塊；驅(qū)動(dòng)幅度 調(diào)制模塊將調(diào)制后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)第一 DA轉(zhuǎn)換模塊輸出給驅(qū)動(dòng)加力模塊；驅(qū)動(dòng)加力模塊 把電壓信號(hào)施加在振動(dòng)式陀螺儀的驅(qū)動(dòng)電極上實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到力信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振 動(dòng)式陀螺儀的驅(qū)動(dòng)；
[0008] 檢測(cè)模態(tài)控制環(huán)路L2 :第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊將振動(dòng)式陀螺儀的檢測(cè)模態(tài)振動(dòng) 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)第二抗混疊濾波模塊進(jìn)行抗混疊濾波處理后傳給第二AD轉(zhuǎn)換模 塊；第二相關(guān)欠采樣模塊對(duì)第二AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行相關(guān)欠采樣處理，獲得振動(dòng)式陀螺儀的正 交誤差信息和角速度信息；第一環(huán)路補(bǔ)償模塊對(duì)角速度力平衡環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償以滿(mǎn)足力平 衡閉環(huán)要求，輸出相關(guān)的控制信號(hào)到角速度加力調(diào)制模塊，所述的角速度力平衡環(huán)路包括： 第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、第二抗混疊濾波模塊、第二AD轉(zhuǎn)換模塊、第二相關(guān)欠采樣模塊、第 一環(huán)路補(bǔ)償模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、角速度加力調(diào)制模塊、第二DA轉(zhuǎn)換模塊、檢測(cè)加力模塊和 振動(dòng)式陀螺儀；信號(hào)發(fā)生模塊生成相互正交的角速度力平衡參考信號(hào)c〇s2和正交誤差力 平衡參考信號(hào)sin2 ;角速度加力調(diào)制模塊對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊生成的角速度力平衡參考信號(hào) c〇S2利用第一環(huán)路補(bǔ)償模塊輸出的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，生成角速度力平衡信號(hào)；第二環(huán)路 補(bǔ)償模塊對(duì)正交誤差力平衡環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償以滿(mǎn)足正交誤差閉環(huán)要求，輸出相關(guān)的控制信號(hào) 正交加力調(diào)制模塊，所述的正交誤差力平衡環(huán)路包括：第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、第二抗混 疊濾波模塊、第二AD轉(zhuǎn)換模塊、第二相關(guān)欠采樣模塊、第二環(huán)路補(bǔ)償模塊、正交加力調(diào)制模 塊、第二DA轉(zhuǎn)換模塊、檢測(cè)加力模塊和振動(dòng)式陀螺儀；正交加力調(diào)制模塊對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊 生成的正交誤差力平衡參考信號(hào)sin2利用第二環(huán)路補(bǔ)償模塊輸出的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制， 生成正交誤差力平衡信號(hào)；合力模塊將正交誤差力平衡信號(hào)和角速度力平衡信號(hào)相加，傳 給第二DA轉(zhuǎn)換模塊；檢測(cè)加力模塊把第二DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出施加給振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模 態(tài)的相關(guān)加力電極，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模態(tài)角速度和正交誤差的力平衡；
[0009] 所述的信號(hào)發(fā)生模塊包括第一相位累加器、第一單位延遲模塊、正交信號(hào)發(fā)生模 塊、第一移相模塊、第二移相模塊、分頻器、第二相位累加器、第二單位延遲模塊、第一時(shí)鐘 觸發(fā)模塊、第三相位累加器、第三單位延遲模塊、第二時(shí)鐘觸發(fā)模塊；
[0010] 第一相位累加器和第一單位延遲模塊組成的積分器對(duì)頻率跟蹤PI控制器的輸出 信號(hào)進(jìn)行積分，生成相位控制字給正交信號(hào)發(fā)生模塊，正交信號(hào)發(fā)生模塊根據(jù)相位控制字 生成振動(dòng)式陀螺儀的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)第一移相模塊和第二移相模塊生成驅(qū)動(dòng)力參考信號(hào) sinl、角速度加力參考信號(hào)sin2、正交誤差加力參考信號(hào)cos2 ;
[0011] 分頻器、第二相位累加器、第二單位延遲模塊和組成了驅(qū)動(dòng)采樣時(shí)鐘升頻模塊，經(jīng) 過(guò)第一時(shí)鐘觸發(fā)模塊用來(lái)產(chǎn)生第一相關(guān)欠米樣模塊所用的米樣時(shí)鐘clksl和clkcl ;偏置1 用來(lái)調(diào)整相關(guān)采樣時(shí)鐘clksl和clkcl相對(duì)于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)信號(hào)的相位，以確保第一相關(guān)欠采 樣模塊的輸出精確反映振動(dòng)式陀螺儀的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)幅度信息和頻率偏移信息；
[0012] 分頻器、第三相位累加器、第三單位延遲模塊和組成了檢測(cè)采樣時(shí)鐘升頻模塊，經(jīng) 過(guò)第二時(shí)鐘觸發(fā)模塊用來(lái)產(chǎn)生第二相關(guān)欠采樣模塊所用的采樣時(shí)鐘Clks2和clkc2 ;偏置2 用來(lái)調(diào)整相關(guān)采樣時(shí)鐘clks2和clkc2相對(duì)于檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的相位，以確保第二相關(guān)欠采 樣模塊的輸出精確反映振動(dòng)式陀螺儀的角速度信息和正交誤差信息。
[0013] 所述的第一相關(guān)欠采樣模塊包括第一重抽取模塊、第一 CIC模塊、第二重抽取模 塊、第二CIC模塊；通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊中的第一時(shí)鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘clksl和clkcl， 利用第一重抽取模塊和第二重抽取模塊對(duì)振動(dòng)式陀螺儀振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，并通過(guò)第一 CIC模塊和第二CIC模塊提取振動(dòng)式陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的頻率信息和幅度信息。
[0014] 所述的第二相關(guān)欠采樣模塊包括第三重抽取模塊、第三CIC模塊、第四重抽取模 塊、第四CIC模塊；通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊中的第二時(shí)鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘clks2和clkc2， 利用第三重抽取模塊和第四重抽取模塊對(duì)振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，并 通過(guò)第三CIC模塊和第四CIC模塊提取振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的角速度信息和正交誤差信 息。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0016] 1)通過(guò)第一相關(guān)欠采樣模塊，通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊中的第一時(shí)鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時(shí) 鐘clksl和clkcl直接實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)式陀螺儀振動(dòng)信號(hào)的進(jìn)行采樣并通過(guò)第一相關(guān)欠采樣 模塊中的第一 CIC模塊和第二CIC模塊提取振動(dòng)式陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的頻率信息和幅度信 息。由于頻率信息和幅度信息由直接采樣并通過(guò)CIC濾波得到，CIC濾波可以通過(guò)移動(dòng)累 加實(shí)現(xiàn)，避免使用乘法器，從而節(jié)省了大量硬件資源。
[0017] 2)通過(guò)信號(hào)發(fā)生模塊中的第二時(shí)鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘clks2和clkc2直接實(shí) 現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣并通過(guò)第二相關(guān)欠采樣模塊中的第三CIC 模塊和第四CIC模塊提取振動(dòng)式陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的角速度信息和正交誤差信息。避免了鎖 相解調(diào)和自適應(yīng)解調(diào)大量使用乘法器的缺點(diǎn)，節(jié)省了大量的硬件資源。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的振動(dòng)式陀螺儀的信號(hào)控制處理系統(tǒng)的總體框圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的信號(hào)發(fā)生模塊的組成框圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的第一欠采樣模塊的組成框圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明的第二欠采樣模塊的組成框圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明的相關(guān)欠采樣工作原理示意圖；
[0023] 圖6為振動(dòng)式陀螺的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 1.信號(hào)控制處理系統(tǒng)總體框架
[0025] 振動(dòng)式陀螺的敏感機(jī)理基于科里奧利效應(yīng)。振動(dòng)式MEMS陀螺機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)部件 可看作一個(gè)二自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)，如圖6所示。XYZ是建立在陀螺表頭上的 相對(duì)坐標(biāo)系。微機(jī)械陀螺工作時(shí)，外加驅(qū)動(dòng)力使得可動(dòng)質(zhì)量塊沿X軸方向諧振，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)振 動(dòng)模態(tài)；當(dāng)輸入一個(gè)垂直于平面（繞Z軸）的旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)