BR102015008194A2 - sistema de sensor de velocidade tipo navegacional, e, circuito discriminador de frequência modulada - Google Patents

Abstract

1 / 1 resumo "sistema de sensor de velocidade tipo navegacional, e, circuito discriminador de frequãšncia modulada" um circuito de alta relaã§ã£o de sinal/ruã­do e esquema de processamento de sinal, descritos aqui, proveem intensidade de sinal acima de um piso de ruã­do de forma que a operaã§ã£o de giroscã³pio de velocidade com alto desempenho pode ser obtida. a tecnologia descrita aqui explora a combinaã§ã£o de extremidade dianteira de sinal de velocidade de ruã­do muito baixa e uma frequãªncia de portador bloqueada para uma passa-banda do filtro de cristal. uma frequãªncia ãºnica fixa e uma amplitude de corrente alternada amostrada para o transporte de informaã§ã£o de velocidade sã£o utilizadas.

Description

"SISTEMA DE SENSOR DE VELOCIDADE TIPO NAVEGACIONAL, E, CIRCUITO DISCRIMINADOR DE FREQUÊNCIA MODULADA" Campo [001] A presente descrição se refere a um sensor de velocidade angular inercial, e especificamente a um sensor de velocidade angular inercial tipo navegacional à base de silício.

Fundamentos [002] Sensores de velocidade angular inerciais de silício de grau de velocidade e de grau tático são tipicamente construídos com elementos de sensoreação que consistem em um ressonador de silício suspenso, excitado por um motor eletrostático para produzir momento angular. A figura 1 ilustra um circuito eletrônico típico 100, configurado para sensorear um valor de capacitância e converter o valor de capacitância para uma voltagem proporcional à taxa de entrada. O circuito eletrônico 100 pode compreender uma microestrutura 110 em comunicação com um somador de velocidade 120, no qual o sinal de velocidade é amplificado por um amplificador de carga 130. O circuito eletrônico 100 pode compreender ainda um demodulador, que recebe um sinal a partir do amplificador de carga 130 e envia um sinal demodulado para um circuito de redução de quadratura 150.

Quando o circuito eletrônico 100 é sujeito a uma velocidade angular de entrada, a necessidade de alterar as forças de momento angular faz com que um deslocamento ocorra ao longo de um eixo geométrico de sensoreação, que é medido através da alteração em um capacitor integral da microestrutura 110.

Por meio do controle da amplitude de motor, o momento angular é mantido constante, o que produz um deslocamento linear quando sujeito a uma velocidade angular ao longo do eixo geométrico de entrada. [003] Momento angular pode ser produzido em um ressonador de silício quando uma massa suspensa está em movimento. Quando um motor eletrostático é usado para produzir este movimento, o momento angular resultante está no máximo quando a velocidade angular está em um máximo e o deslocamento de motor está em um mínimo. A sensoreação de velocidade ocorre quando o momento angular está em um máximo, que corresponde a um avanço de fase de 0o em relação ao deslocamento de motor. Isto pode ser referido como o componente em fase da forma de onda de CA de sinal de velocidade total e é tipicamente muito pequeno em comparação com o sinal de velocidade total. O outro componente do sinal de velocidade total é o componente de quadratura, o qual deve ser minimizado a fim de permitir maiores razões de sinal/ruído no sinal de fase. O sinal de velocidade pode ser extraído a partir do sinal em fase por conversão para baixo ou demodulação do sinal de velocidade usando o sinal de deslocamento de motor como a referência de fase. [004] Além disso, sensores de velocidade angular inerciais de silício de grau de velocidade e de grau tático são tipicamente sujeitos a muitas fontes de erro, as quais limitam o desempenho e podem tomar difícil o uso para aplicações de alta precisão. Essas incluem grande sinal de velocidade em relação ao sinal em fase, mído eletrônico nos componentes eletrônicos de interface, resolução do conversor A/D, flutuação de fase no demodulador, flutuação de fase na frequência de motor, sinal de acionamento do motor se acoplando ao sinal de velocidade, não linearidade das forças de restauração, e histerese a partir da tensão de montagem da pastilha. [005] Em contraste, um sensor de velocidade tipo navegacional provê intensidade de sinal muito acima do piso de mído de forma que estabilidade de polarização de baixo mído e tipo navegacional pode ser obtida. Um sensor de velocidade tipo navegacional (giroscópio) pode ser um Giroscópio de Ressonador Hemisférico (HRG), e à base de quartzo para a precisão. Todavia, um HRG é tipicamente mais caro, frágil, e maior que um sensor de velocidade angular inercial de silício de grau de velocidade ou tático. Ainda, um HRG usa uma frequência ressonante, que é dependente de temperatura e, assim, varia com base na temperatura de microestrutura. A variância de temperatura é outro aspecto que pode ser compensado no projeto da arte anterior, que conduz à complexidade adicional.

Sumário [006] De acordo com a modalidade preferida, é descrito um sistema de sensor de velocidade tipo navegacional, incluindo um gerador de sinal de acionamento de motor, um gerador de sinal de portador, e um gerador de sinal de compensação de sinal. O motor, portador, e os geradores de sinal de compensação de sinal proveem, cada, sinais para um primeiro circuito. Um segundo circuito provê sinais para o primeiro circuito. O segundo circuito é configurado para gerar saídas de sistema e prover sinais de realimentação para o gerador de sinal de acionamento de motor, o gerador de sinal de portador, e o gerador de sinal de compensação de sinal. [007] De acordo com a modalidade preferida, um circuito discriminador de frequência modulada (FM) é descrito. O circuito discriminador de FM pode compreender uma saída de fase, em que a saída de fase do circuito discriminador de FM é comparada com um sinal de referência de fase. Em resposta à saída de fase do circuito discriminador de FM sendo inferior à fase do sinal de referência, um comando de frequência de portador para um gerador de sinal de portador é aumentado de forma que a saída de fase do circuito discriminador de FM rastreia a referência de fase. Em resposta à saída de fase do circuito discriminador de FM sendo superior ao sinal de referência de fase, um comando de frequência para o gerador de sinal de portador é aumentado de forma que a saída de fase do circuito discriminador de FM rastreia a referência de fase.

Breve Descrição das Figuras dos Desenhos [008] A matéria da presente descrição é especificamente referenciada e distintamente reivindicada na porção concludente da descrição.

Uma compreensão mais completa da presente descrição, todavia, pode primeiro ser obtida por referência à descrição detalhada e reivindicações, quando consideradas em conexão com os desenhos e as figuras, em que os mesmos números denotam os mesmos elementos. [009] A figura 1 ilustra um diagrama de blocos de um circuito convencional, configurado para sensorear um valor de capacitância e converter este para uma voltagem que é proporcional à taxa de entrada. [0010] A figura 2 ilustra um diagrama de blocos de um giroscópio tipo navegacional analógico ou digital exemplar, de acordo com várias modalidades. [0011] A figura 3 ilustra um diagrama de blocos de um circuito de extremidade dianteira de velocidade analógico exemplar e uma malha de rastreamento de filtro passa-banda de portador que inclui uma fonte de comando de frequência de gerador de sinal de portador, de acordo com várias modalidades. [0012] A figura 4 ilustra diagramas de bloco de processadores de sinal exemplares configurados para gerar uma malha de comando de cancelamento em fase e saída de velocidade de giroscópio, de acordo com várias modalidades. [0013] A figura 5 ilustra um diagrama de blocos de um processador de sinal exemplar configurado para gerar comandos de amplitude e frequência de motor e circuito de extremidade dianteira de motor analógico e a malha de controle de motor, de acordo com várias modalidades.

Descrição Detalhada [0014] A descrição detalhada das modalidades exemplares dadas aqui faz referência aos desenhos anexos, que mostram modalidades exemplares, a título de ilustração, e seu melhor modo. Embora essas modalidades exemplares sejam descritas em detalhe suficiente para permitir que aqueles versados na técnica pratiquem as invenções, deve ser entendido que outras modalidades podem ser realizadas e que alterações lógicas, elétricas, e mecânicas, podem ser feitas sem se afastar do espírito e escopo das invenções.

Assim, A descrição detalhada aqui é apresentada para finalidades somente de ilustração e não de limitação. Por exemplo, as etapas recitadas em quaisquer descrições do método ou processo podem ser executadas em qualquer ordem e não são necessariamente limitadas à ordem apresentada. Além disso, qualquer referência ao singular inclui modalidades plurais, e qualquer referência a mais que um componente ou etapa pode incluir uma modalidade ou etapa singular. Também, qualquer referência a afixado, fixo, conectado, acoplado ou similar pode incluir permanente, removível, temporária, parcial, total e/ou qualquer outra possível opção de afixação. Adicionalmente, qualquer referência a sem contato (ou frases similares) pode também incluir contato reduzido ou contato mínimo. [0015] Giroscópios de velocidade podem ser utilizados para muitas aplicações que requerem uma ampla faixa de desempenho. Os usos mais exigentes conhecidos são para sistemas de guiamento por inércia, estratégicos, e são denominados de "grau estratégico". O longo tempo de sistemas de navegação sem ajuda de voo precisam de desempenho comumente designado como "grau de navegação". Giroscópios de grau tático são úteis para o curto tempo de voo sem ajuda e voos de maior tempo quando muitas frequentes atualizações são disponíveis. As aplicações menos exigentes são designadas como "grau de velocidade" e incluem desempenho necessário para estabilização ou isolamento de plataforma ou dispositivo a partir de distúrbios de velocidade angular. [0016] Sensores de velocidade de sistemas de microeletromecânica de silício (MEMS) proveram previamente desempenho de grau de velocidade e de grau tático. Similarmente, os sensores de velocidade de estado sólido podem ser disponíveis para prover navegação e até mesmo desempenho de grau estratégico para aplicações onde o preço e confiabilidade podem ser suportados pela necessidade. Um sensor de velocidade de silício tipo navegacional resulta em um dispositivo grosseiro e de baixa potência, capaz de explorar as técnicas desenvolvidas pela indústria de semicondutores para a produção em massa a baixo custo. [0017] De acordo com várias modalidades, o circuito de alta razão de sinal/ruído e o esquema de processamento de sinal, descritos aqui, proveem intensidade de sinal suficientemente acima de um piso de ruído, de forma que a operação de giroscópio de velocidade com alto desempenho pode ser obtida. A tecnologia descrita aqui explora a combinação de extremidade dianteira de sinal de velocidade de ruído muito baixa e uma frequência de portador bloqueada para uma passa-banda do filtro de cristal. De acordo com várias modalidades, uma frequência única fixa e uma amplitude de corrente alternada amostrada para o transporte de informação de velocidade extraída são utilizadas. [0018] De acordo com várias modalidades e descrito em maior detalhe abaixo, um sinal de velocidade que utiliza componentes eletrônicos de giroscópio, configurado para a extração de sinal de velocidade, pode ser transmitido através de um sinal de portador em uma banda de alta frequência onde conteúdo de baixo ruído por Hertz é disponível. Um sinal de corrente a partir da pastilha giroscópica pode ser transformado em uma voltagem com um amplificador de transimpedância, de baixo ruído, ou uma voltagem a partir da pastilha giroscópica pode ser intermediariamente armazenada com um amplificador de alta impedância de entrada, e ainda amplificado com um filtro de passa-banda de cristal de extremidade dianteira de ganho fixo de baixo ruído, seguido por um amplificador diferencial. Um amplificador de transimpedância é um conversor de corrente para voltagem; mais frequentemente implementado usando um amplificador operacional. Um amplificador diferencial é um tipo de amplificador eletrônico que amplifica a diferença entre duas voltagens, mas não amplifica as voltagens particulares. [0019] Dois estágios de ganho analógicos podem preceder um conversor analógico para digital (A/D), de amostragem síncrona, de 24 bits, de alto desempenho, ou um demodulador analógico. O circuito pode ser configurado para amostrar com atraso de fase de 90 graus no dobro da frequência da frequência de saída do portador de velocidade, presente na entrada A/D. Formas de ondas senoidais podem ser utilizadas de modo que os erros que seriam criados de outra maneira por capacitores parasíticos são reduzidos. O processamento de sinal digital ou analógico das porções em fase, e de quadratura, do sinal de velocidade, e dos componentes do sinal de acionamento do motor, pode resultar em comandos para três geradores de sinal separados, um para o acionamento de motor, um para a compensação de sinal de velocidade em fase, e um para o sinal de portador. O grande sinal de velocidade total em relação ao sinal em fase pode ser compensado por separação dos dados de quadratura data a partir dos dados totais nos dados de velocidade amostrados. Um algoritmo pode ser usado para estimar precisamente a magnitude do sinal de quadratura, e em resposta à magnitude do sinal de quadratura sendo maior que zero, um comando é enviado para um gerador de sinal para gerar um sinal em fase com a mesma frequência de portador encontrada na saída da pastilha sensora de velocidade. A frequência de sinal de excitação de portador pode ser ajustada com uma malha fechada de forma que a saída de sinal de velocidade permanece dentro da largura de banda do filtro passa-banda de cristal. [0020] De acordo com várias modalidades, embora muitos materiais sejam contemplados aqui, a pastilha sensora de velocidade para materiais de ligação de montagem de sensor de velocidade pode compreender materiais metálicos eutéticos. A pastilha sensora de velocidade pode compreender uma suspensão totalmente de silício com uma frequência ressonante que é inferior às ressonâncias de motor ou de velocidade. Este projeto pode eliminar histerese de polarização, que de outra maneira estaria presente. Por exemplo, esta múltipla camada de ressonadores, combinada com um silício totalmente metálico, à ligação de estrutura de montagem elimina virtualmente histerese de polarização, e provê isolamento com relação a distúrbios de vibração acústicos e de alta frequência. [0021] O acionamento de motor, inicialmente aplicado, pode ser removido por breves intervalos em uma velocidade periódica durante a extração de sinal de velocidade, o que permite que o ressonador funcione livre de qualquer excitação no recipiente de alto vácuo, reduzindo assim ruído de velocidade e instabilidade de polarização do sistema. Desde que o fator de qualidade da ressonância seja alto o suficiente, a atenuação da amplitude de deslocamento é desprezível e permite que a amostragem de sinal de velocidade ocorra sem contaminação, resultando em relação de sinal para ruído aumentada do sinal de velocidade. [0022] Um portador de alta frequência variável com um sinal de excitação senoidal de amplitude fixa pode ser usado. Este projeto pode abaixar o ruído no sinal de velocidade. Dito de outra maneira, uma alta frequência variável com sinal de excitação senoidal de amplitude fixa pode ser eletricamente acoplada a um ressonador de sistema microeletromecânico (MEMS), onde se toma modulada pelo movimento do ressonador. O sinal resultante pode ser eletricamente acoplado a um amplificador de transimpedância de largura de banda fixa, de baixo mído. [0023] A saída de velocidade do amplificador de transimpedância pode ser passada através de um amplificador de cristal, de largura de banda fixa, de banda estreita, resultando em mído muito baixo no sinal de velocidade. A saída do amplificador de transimpedância é passada através de um amplificador de cristal de largura de banda fixa de banda estreita, e então passada para um amplificador tampão para acionar um conversor analógico- digital, de alta velocidade, que pode converter em não menos que 2 mega de amostras/seg. e para um circuito discriminador de frequência modulada. O conversor A/D pode ser um conversor de 24 bits. Na alternativa, o conversor A/D pode ser um conversor de menor resolução com uma mais alta taxa de amostragem. Uma realização alternativa do processamento de sinal utiliza um demodulador analógico para extrair a amplitude de velocidade de portador. [0024] A saída de fase do circuito discriminador de frequência modulada pode ser comparada com uma referência de fase e se for verificado que é inferior à referência, o comando de frequência de portador para um gerador de sinal de portador é aumentado de forma que a fase rastreia a referência de fase. Isto permite o uso de um filtro passa-banda de cristal, resultando em menor ruído de velocidade. O gerador de sinal de acionamento do motor pode usar uma entrada de frequência comandada, que pode ser diferente da ressonância de motor, mas é travada em uma base de tempo de cristal de precisão, eliminando a flutuação de fase e abaixando a instabilidade de polarização. A saída de discriminador de frequência modulada é usada como a realimentação para ajustar a frequência de acionamento de motor, comandada, de forma que a frequência sintetizada de motor permanece travada ou bloqueada para a frequência ressonante de motor. Por exemplo, em resposta à saída de fase sendo maior que a referência de fase, um comando de frequência para o gerador de sinal de acionamento do motor é aumentado de forma que a fase rastreia a referência de fase. Desta maneira, a voltagem de acionamento do motor é minimizada e o acoplamento de motor para o sinal de velocidade abaixa a instabilidade de polarização do giroscópio. O circuito que aciona as placas de retorque pode colocar uma carga exata e repetível sobre as placas de restauração em fase com o deslocamento de motor e criar efeitos que não são uma função da distância de separação de placas, resultando em menor instabilidade de polarização. A distância de separação de placa do produtor de torque é conhecida a partir do dado de detector de velocidade e é utilizada para prover compensação para os efeitos de capacitâncias parasíticas, reduzindo assim a instabilidade de polarização do giroscópio. A saída de sinal de velocidade pode ser recuperada a partir de uma combinação da amplitude de velocidade de portador, da frequência ressonante de motor, e da frequência de portador nominal para um mais alto sinal de velocidade de razão de sinal/ruído e mais baixa instabilidade de polarização do giroscópio.

Uma referência de voltagem em comum pode ser usada para a amplitude do um sinal de portador, o acionamento de motor, referência de amplitude de gerador de sinal, e quaisquer referências A/D, que resulta em mais baixa instabilidade de polarização. O acionamento de motor pode ser senoidal e pode ser provido por um gerador de sinal de acionamento de motor. Este projeto pode abaixar a instabilidade de polarização do giroscópio. O componente em fase do sinal de velocidade pode ser compensado por separação dos dados em fase a partir dos dados totais nos dados de velocidade. Um algoritmo, discutido mais detalhadamente abaixo, pode precisamente estimar a magnitude do sinal em fase. Em resposta à magnitude do sinal em fase sendo maior que zero, um gerador de sinal pode ser comandado para gerar um sinal em fase com a mesma frequência de portador encontrada na saída da pastilha sensora de velocidade. Esta estimativa de sinal de compensação ser subtraída do sinal de velocidade com um circuito analógico, aumentando a razão de sinal/ruído e abaixando a instabilidade de polarização do giroscópio. [0025] De acordo com várias modalidades e com referência à figura 2, um sistema de sensor de velocidade 200 de silício tipo navegacional pode compreender um gerador de sinal de acionamento do motor 210, um gerador de sinal de portador 220, e um gerador de compensação de sinal 230, cada um em comunicação com um primeiro circuito 240. Em várias modalidades, os módulos de gerador de sinal 210, 220, 230 podem ser Sintetizadores Digitais Diretos (DDS). Um Sintetizador Digital Direto (DDS) é um tipo de sintetizador de frequência, usado para criar formas de onda, tais como formas de onda arbitrárias, a partir de um relógio de referência, de frequência fixa. O sistema de sensor de velocidade 200 tipo navegacional compreende adicionalmente o primeiro circuito 240 em comunicação com um segundo circuito 250. O segundo circuito 250 pode ser configurado para gerar as saídas de sistema, e prover sinais de realimentação para o módulo do motor 210, o módulo de portador 220, e o módulo de compensação de sinal 230. Em uma modalidade específica, o segundo circuito 250 provê sinais de realimentação de um comando de acionamento do motor 251a, 251b para o gerador de sinal de acionamento do motor 210, um comando de portador de velocidade 252 para o gerador de sinal de portador 220, e um comando de compensação de sina de velocidade de quadratura 253 para o gerador de compensação de sinal 230. Além disso, o sistema de sensor de velocidade 200 pode prover sinais de saída, tais como um sinal de frequência de portador e um sinal de velocidade. [0026] Formas de ondas senoidais podem ser usadas para minimizar as harmônicas de alta frequência e reduzir os erros criados por capacitores parasíticos. O processamento de sinal das porções em fase e de quadratura do sinal de velocidade e componentes do sinal de acionamento do motor resulta em comandos de realimentação para os três geradores de sinal 210, 220, 230. O processamento de sinal das porções em fase e de quadratura do sinal de velocidade e componentes do sinal de acionamento do motor resulta na geração dos comandos 251a, 251b, 252, 253. O primeiro circuito 240 pode compreender a micro estrutura de giroscópio de velocidade, um subcircuito de extremidade dianteira de velocidade analógico e um subcircuito de extremidade dianteira de motor analógico. Os sinais transportando uma amplitude de velocidade 241, fase de velocidade 242, amplitude do motor 243, e fase do motor 244 podem ser transmitidos do primeiro circuito 240 para o segundo circuito 250. [0027] Em várias modalidades, o primeiro circuito 240 do sistema de sensor de velocidade 200 de silício tipo navegacional pode compreender um subcircuito de extremidade dianteira de velocidade analógico 300 e um subcircuito de extremidade dianteira de motor analógico 400. Com referência à figura 3, um circuito de extremidade dianteira de velocidade analógico 300 pode compreender uma pastilha giroscópica 310, um amplificador de transimpedância 320, e um filtro passa-banda de cristal de extremidade dianteira de ganho fixo 330. A pastilha giroscópica 310 recebe um sinal de velocidade, um sinal de portador de frequência, e um sinal de movimento físico, e gera uma voltagem representativa. O filtro passa-banda de cristal 330 comunica um sinal para dois estágios de ganho separados, mais especificamente um estágio de amplitude de velocidade e um estágio de fase de velocidade. O estágio de amplitude de velocidade inclui um amplificador diferencial 340 em série com um primeiro demodulador de velocidade 510.

Em várias modalidades, os dois estágios de ganho analógicos precedem um demodulador de alto desempenho. O trajeto de fase de velocidade inclui um detector de fase de modulação de frequência 370 e uma segunda velocidade, que fornece a fase de velocidade. Um detector de modulação de frequência 370 determina se a fase está adiantada ou atrasada. Em várias modalidades, um discriminador de modulação de frequência 370 pode ser configurado para amostrar com atraso de fase de 90° no dobro da frequência da frequência de saída do portador de velocidade, presente na entrada de um segundo conversor de velocidade A/D. Um circuito de malha de bloqueio de fase 360 provê um sinal para sincronização da amostragem ou demodulação da saída diferencial de amplificador. [0028] De acordo com várias modalidades, o acesso de componentes eletrônicos de giroscópio ao sinal de velocidade é implementado com um sinal de portador em uma banda de alta frequência onde conteúdo de baixo ruído por hertz é disponível. O sinal de corrente a partir da pastilha giroscópica 310 pode ser transformado para uma voltagem com um amplificador de transimpedância, de ruído muito baixo, 320, e ainda amplificado com um filtro de passa-banda de cristal, de extremidade dianteira, de ganho fixo, de baixo ruído, 330, seguido por um amplificador diferencial 340. [0029] O circuito de extremidade dianteira de motor analógico pode ser conectado à pastilha giroscópica 310, o amplificador de transimpedância 420, a um estágio de amplitude de motor 401 e estágio de fase de motor 402. O estágio de amplitude de motor 401 pode incluir um amplificador tampão 440 e um primeiro demodulador do motor 603. O estágio de fase de motor 402 pode incluir um discriminador de modulação de frequência 470.

Similarmente aos estágios de ganho de velocidade, o estágio de amplitude de motor 401 recebe e amplifica um sinal de componente de amplitude de motor analógico. O estágio de fase de motor 402 recebe um sinal de componente de fase de motor e determina se a fase está adiantada ou atrasada com relação a uma fase de referência. [0030] As referências de voltagem A/D, todas das referências de voltagem DDS, e as referências de voltagem de sinal podem ser todas derivadas de uma referência de voltagem comum. Assim, alterações na voltagem de referência sobre tempo são modo comum a todos os componentes com efeitos desprezíveis. Ainda, o processamento de sinal pode começar com medições rápidas e precisas para extrair sinais de baixo nível. O processamento de sinal do motor e sinais de velocidade pode permitir flexibilidade, estabilidade, e a faixa dinâmica necessária para obter o desempenho com grau de navegação. [0031] Em várias modalidades, o circuito 250 do sistema de sensor de velocidade 200 de silício tipo navegacional pode compreender um subcircuito de cancelamento em fase e de velocidade, um subcircuito de amplitude e frequência de motor, e um subcircuito de frequência de portador. [0032] De acordo com várias modalidades e com referência à figura 4, o subcircuito de processamento de sinal 500, que pode ser um subcircuito do segundo circuito 250, é representado. O subcircuito 500 pode ser configurado para gerar um comando de amplitude de cancelamento de quadratura 253 e um sinal de saída de velocidade de giroscópio 534. O subcircuito de cancelamento de quadratura e velocidade 500 pode compreender um demodulador de portador 510, configurado para receber um sinal de fase de velocidade de portador 501 e um sinal de amplitude de portador 502. O demodulador de portador 510 separa o sinal de amplitude de velocidade de portador 241 a partir do sinal de amplitude de portador de alta frequência 502. O demodulador de amplitude de velocidade de portador 520 separa o sinal de quadratura a partir do sinal de amplitude de velocidade de portador. O estágio de quadratura 500 determina a magnitude do sinal de quadratura. Um sinal de quadratura 231 com a mesma frequência de portador 253 encontrada na saída da pastilha sensora de velocidade pode ser gerado (Comando de Frequência VBAL). O estágio de quadratura pode compreender um demodulador de amplitude de velocidade de portador 520, o algoritmo 521, e o gerador de sinal VBAL 230, como representado na figura 4. [0033] A porção de quadratura do sinal de amplitude de velocidade de portador é utilizada para gerar um comando de amplitude de gerador de sinal 253 (comando de compensação de sinal de velocidade de quadratura). Um algoritmo 521 estima precisamente a magnitude do sinal de quadratura, e comanda um gerador de sinal VBAL para gerar um sinal de quadratura com a mesma frequência de portador encontrada na saída da pastilha sensora de velocidade 253. O sinal de amplitude de velocidade de portador é processado para gerar uma saída de velocidade 534. O trajeto de velocidade pode incluir um demodulador 530 separando a porção em fase com relação ao sinal do motor a partir do sinal de amplitude de velocidade de portador. A porção de quadratura do sinal de amplitude de velocidade de portador é então passada através de um filtro passa-baixa 531 e então amplificada pelo amplificador 532. Um combinador 533 recebe a porção de quadratura amplificada do sinal de velocidade e remove a polarização de velocidade constante, fornecendo a velocidade 534. [0034] O componente de quadratura do sinal de amplitude de velocidade de portador é compensado por separação do dado de quadratura.

Um algoritmo estima precisamente a magnitude do sinal de quadratura, e comanda um gerador de sinal 230 para gerar um sinal de quadratura com a mesma frequência de portador encontrada na saída da pastilha sensora de velocidade 310. Esta estimativa de sinal de compensação é subtraída do sinal de velocidade, aumentando a razão de sinal/ruído e abaixando a instabilidade de polarização do giroscópio. A frequência de sinal de excitação de portador 252 pode ser ajustada com uma malha fechada, de forma que a frequência de saída de sinal de velocidade permanece dentro da largura de banda do filtro passa-banda de cristal. [0035] De acordo com várias modalidades e com referência às figuras 5, um subcircuito de amplitude e frequência de motor pode compreender um demodulador 603, configurado para combinar um sinal em fase do motor 602 com a amplitude do sinal de motor 243. O sinal combinado é alimentado ao filtro passa-baixa 604. O sinal filtrado é transmitido para o combinador 605. O combinador 605 combina um sinal de referência de amplitude e o sinal filtrado. A saída do combinador 605 é alimentada a um algoritmo 606. A saída do algoritmo 606 pode ser o comando de amplitude de acionamento de motor 251a. Para minimizar a indesejada flutuação de fase a partir do motor e captação de velocidade, a frequência do motor é bloqueada em uma sub- harmônica da base de tempo de cristal, permitindo que a referência de fase provenha a partir da base de tempo de cristal, ao invés da ressonância de motor. Uma frequência de acionamento de motor comandada é passada para um gerador de acionamento de motor, que gera os sinais de acionamento de motor, mostrados na figura 5. [0036] De acordo com várias modalidades e com referência continuada à figura 5, um subcircuito de amplitude e frequência de motor pode compreender um sinal de fase de motor 244, fornecido para um algoritmo ou circuito analógico 610. A saída doa algoritmo 610 pode ser o comando de frequência de acionamento de motor 251b. A frequência de acionamento de motor comandada é mantida na ressonância de motor por ajuste da frequência de acionamento sobre temperatura, enquanto seleciona uma sub-harmônica da base de tempo de cristal. A frequência comandada é ajustável em etapas de não mais que 1,4 μΗζ, o que permite que o motor fique na frequência ressonante. A ressonância de motor é detectada com um discriminador de FM 470 no circuito de realimentação de posição de motor. A saída de discriminador é usada como a realimentação para ajustar a frequência de acionamento de motor comandada. A amplitude do motor é mantida constante por comandar a amplitude de sinal de acionamento de motor para manter constante a amplitude de dispositivo sobre temperatura com uma malha fechada de amplitude. [0037] Com a referência de fase se originando a partir da base de tempo de cristal, a flutuação de fase de demodulador é eliminada, controlando assim os efeitos de erro de quadratura e de acoplamento transversal, resultando em muito melhor estabilidade de polarização. A estabilidade de polarização é melhorada, porque os parâmetros dos sinais de quadratura e em fase podem ser estimados, porque as variações de polarização de velocidade são uma função desses parâmetros. [0038] O comando de frequência de portador é gerado como uma função da passa-banda de filtro de cristal de componentes eletrônicos analógicos, temperatura, e fase a partir de um discriminador de FM, aplicado à saída do filtro passa-banda de cristal para fechar a malha de rastreamento de portador. A frequência de portador comandada é passada para um gerador de sinal que provê o sinal de portador para a pastilha sensora. A informação de sinal de velocidade total é, por conseguinte, contida dentro da combinação de dado de velocidade comandado e da frequência comandada para o gerador de sinal de portador, como mostrado na figura 3. [0039] De acordo com várias modalidades, a configuração dos componentes eletrônicos analógicos de sinal de velocidade pode ser baseada em processamento de largura de banda muito estreita e um portador de alta frequência limpa (ruído muito baixo). A contribuição dos componentes eletrônicos ao ruído é mantida muito pequena, quando computada por integração do PSD sobre uma faixa de frequência estreita por limitação da largura de banda de sinal para um valor inferior a um Hertz. Isto é realizado por computação de uma frequência de portador comandada como uma função da passa-banda de filtro de cristal de componentes eletrônicos analógicos, temperatura, e fase a partir de um discriminador de FM, o à saída do filtro passa-banda de cristal para fechar a malha de rastreamento de portador. A frequência de portador comandada é passada para um gerador de sinal que provê o sinal de portador para a pastilha sensora. [0040] O bloqueio de fase desta malha pode ser utilizado para manter a frequência ótima através do filtro passa-banda de cristal analógico e para limitar a largura de banda dos sinais analógicos para um valor inferior a um Hertz. [0041] A presente descrição pode ser aplicada ao campo de sensores de velocidade tipo navegacional de baixo custo de estado sólido. Esses sensores provêm navegação de não GPS de alta precisão, a baixo custo, bússola giroscópica, e direcionamento e estabilização de precisão para aplicações onde eles são atualmente excluídos devido ao custo. Os conceitos descritos aqui podem resultar em um sensor de velocidade de silício, com grau de navegação, a baixo custo, e/ou com alto grau tático de precisão, de baixo custo. Os dispositivos descritos aqui são aplicáveis a novos produtos e readaptações a baixo custo para permitir melhorias de desempenho nos sistemas existentes. Em adição à utilização em veículos e aviônicos, usos alternativos incluem orientação ótica de precisão, navegação por GPS, não suportada pelo homem, auxílio de odometria visual, o giroscópio de direção principal de um navio e navegação e voo de veículo aéreo não tripulado. [0042] Benefícios, outras vantagens, e soluções para problemas, foram descritos aqui com relação a modalidades específicas. Além disso, as linhas de conexão mostradas nas várias figuras contidas aqui são destinadas para representar relações funcionais e/ou acoplamentos físicos, de exemplo, entre os vários elementos. Deve ser notado que muitas relações funcionais ou conexões físicas, alternativas ou funcionais, podem estar presentes em um sistema prático. Todavia, benefícios, vantagens, soluções para problemas, e quaisquer elementos que podem causar com que qualquer benefício, vantagem, ou solução ocorram ou se tomem mais pronunciados não devem ser entendidos como críticos, requeridos, ou características ou elementos essenciais das invenções. O escopo das invenções, consequentemente, deve ser limitado por nada mais que as reivindicações anexas, nas quais a referência a um elemento no singular não é destinada a significar “um e somente um”, a menos que explicitamente assim mencionado, mas em lugar de “um ou mais", além disso, onde uma frase similar a “pelo menos um dentre A, B, ou C” é usada nas reivindicações, é pretendido que a frase seja interpretada para significar que A sozinho pode estar presente em uma modalidade, B sozinho pode estar presente em uma modalidade, C sozinho pode estar presente Em uma modalidade, ou que qualquer combinação dos elementos A, B e C pode estar presente em uma única modalidade; por exemplo, A e B, A e C, B e C, ou A e B e C. Diferente hachurado transversal é usado através de todas das figuras para denotar partes diferentes, mas não necessariamente para denotar os mesmos ou diferentes materiais. [0043] Sistemas, métodos e aparelhos são providos aqui. Na descrição detalhada aqui, referências a "uma modalidade", "uma modalidade", "várias modalidades", etc., indicam que a modalidade descrita pode incluir um aspecto, estrutura, ou característica particular, mas cada modalidade pode não necessariamente incluir um aspecto, estrutura, ou característica particular.

Além disso, tais frases não são necessariamente com referência à mesma modalidade. Ainda, quando um aspecto, estrutura, ou característica particular é descrita em conexão com uma modalidade, é sustentado que está dentro do conhecimento de uma pessoa versada na técnica afetar a característica, estrutura, ou característica em conexão com outras modalidades se, ou não, explicitamente descritas. Depois da leitura da descrição, será aparente para uma pessoa versada na(s) técnica(s) relevante(s) como implementar a descrição em modalidades alternativas. [0044] Além disso, nenhum elemento, componente, ou etapa de método na presente descrição é destinado a ser dedicado ao público, independentemente de se o elemento, componente, ou etapa de método é explicitamente mencionado nas reivindicações. Nenhum dos elementos de reivindicação indicados aqui deve ser interpretado mediante as provisões do 35 do U.S.C. 112(f), a menos que o elemento seja expressamente mencionado usando a frase “meios para". Quando usados aqui, os termos “compreende", “compreendendo", ou qualquer outra variação dos mesmos, são destinados a cobrir uma inclusão não exclusiva, de forma que um processo, método, artigo, ou aparelho que compreende uma lista de elementos não inclui somente aqueles elementos, mas pode incluir outros elementos não expressamente listados ou inerentes a tal processo, método, artigo, ou aparelho.

Claims (15)

1. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional, caracterizado pelo fato de que compreende: um módulo de motor, um módulo de portador, e um módulo de compensação de sinal, em que o módulo de motor, o módulo de portador, e o módulo de compensação de sinal estão em comunicação, cada um, com um primeiro circuito; um segundo circuito em comunicação de sinal com o primeiro circuito, em que o segundo circuito é configurado para gerar saídas de sistema e prover sinais de realimentação para o módulo de motor, o módulo de portador, e o módulo de compensação de sinal.

2. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de motor, o módulo de portador, e o módulo de compensação de sinal são geradores de sinal incluindo pelo menos um dentre um sintetizador analógico e um Sintetizador Digital Direto (DDS).

3. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro circuito compreende um subcircuito de extremidade dianteira de velocidade analógico e um subcircuito de extremidade dianteira de motor analógico.

4. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro circuito transmite sinais transportando uma amplitude de velocidade, uma fase de velocidade, uma amplitude de motor, e uma fase de motor para o segundo circuito.

5. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o subcircuito de extremidade dianteira de velocidade analógico compreende uma pastilha giroscópica, um amplificador de transimpedância, e um filtro passa-banda de cristal de extremidade dianteira de ganho fixo.

6. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a pastilha giroscópica é configurada para receber um sinal de velocidade, um sinal de portador de frequência, e um sinal de movimento físico, e gerar uma voltagem representativa, em que a voltagem representativa é amplificada e filtrada.

7. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sinal de voltagem representativo, amplificado e filtrado, é comunicado em dois estágios de ganho separados, mais especificamente um estágio de amplitude de velocidade e um estágio de fase de velocidade.

8. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o estágio de amplitude de velocidade compreende um amplificador diferencial, acoplado em série com pelo menos um dentre um demodulador analógico e um digital.

9. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o estágio de fase de velocidade compreende um discriminador de modulação de frequência e inclui um conversor Analógico-Digital.

10. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o subcircuito de extremidade dianteira de motor analógico compreende uma pastilha giroscópica, um amplificador de transimpedância, um estágio de amplitude do motor e um estágio de fase do motor.

11. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a amplitude do motor compreende um amplificador tampão e um demodulador que contém um conversor Analógico-Digital.

12. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a fase do motor compreende um discriminador de modulação de frequência e inclui um conversor Analógico-Digital.

13. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo circuito compreende um subcircuito de processamento de sinal, que inclui pelo menos um dentre um conversor Analógico-Digital e um subcircuito de FPGA, e em que o subcircuito de processamento de sinal é configurado para gerar um comando de amplitude de cancelamento em fase e um sinal de saída de velocidade de giroscópio.

14. Sistema de sensor de velocidade tipo navegacional de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o subcircuito de processamento de sinal compreende um demodulador de portador, em que o demodulador de portador é configurado para receber um sinal de fase de velocidade e um sinal de amplitude de velocidade, em que o demodulador de portador é configurado para separar dados em fase a partir de dados totais.

15. Circuito discriminador de frequência modulada (FM), caracterizado pelo fato de que compreende: uma saída de fase, em que a saída de fase do circuito discriminador de FM é comparada com um sinal de referência de fase; em resposta à saída de fase do circuito discriminador de FM sendo inferior à fase do sinal de referência, um comando de frequência de portador para um gerador de sinal que inclui um dos Sintetizadores Digitais Diretos (DDS) é aumentado de forma que a saída de fase do circuito discriminador de FM rastreia a referência de fase, em resposta à saída de fase do circuito discriminador de FM sendo superior ao sinal de referência de fase, um comando de frequência para o DDS é aumentado de forma que a saída de fase do circuito discriminador de FM rastreia a referência de fase.