CN102042828A - 一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路，其中石英音叉敏感极输出的信号通过静态耦合抑制电路后，呈共模状态的静态耦合信号被有效抑制，有用信号和差模干扰信号信号被放大；静态耦合抑制电路输出信号通过相位调节后使机械耦合信号相位与相关检测信号正交，把相位调节电路实现的相位调节量记为σ，相位调节对最终输出的有用信号产生cosσ的增益，对机械耦合信号产生sinσ的增益。本发明采用双电极电荷差分放大、振动耦合相位调节的技术方案，克服了传统单电极检测电路无法抑制静态耦合信号和无法有效抑制振动耦合的缺陷，既完全抑制了静态耦合信号又对有效抑制振动耦合提供条件，提高了微石英音叉陀螺的性能。

Description

一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路

技术领域

本发明属于抑制干扰信号的电路领域，尤其涉及一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路。

背景技术

目前石英音叉陀螺对干扰信号的抑制方法是以锁定放大器为核心的单电极信号相关检测，即利用电荷器放大石英音叉陀螺检测正极的输出电荷，然后把放大后的信号与它的反相信号进行开关选通，再通过低通滤波器滤除高频干扰，得到与输入角速度成正比的直流电压信号。

以相关检测为核心的相关检测原理是：当石英音叉工作在驱动谐振模态，如果在某特定方向输出角速度Ω，石英音叉检测端输出信号为：

$u_o\left(t\right)=v_s\left(t\right)+v_T\left(t\right)+v_c\left(t\right)+v_V\left(t\right)+n\left(t\right)$

$=B_0\mathrm{\Ω}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+B_T\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos ({\mathrm{\ω}}_{s}t-{\mathrm{\φ}}_T)+$

$B_c\cos \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+B_V\sin ({\mathrm{\ω}}_{d}t+\mathrm{\σ})+n\left(t\right)$

其中，v_s(t)＝B_oΩcos(ω_dt)，表示音叉检测端的稳态输出，包含着角速度信号Ω，B₀是稳态输出系数，ω_d表示驱动模态谐振频率，对特定的音叉B₀和ω_d是定值；

$v_T\left(t\right)=B_T\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos ({\mathrm{\ω}}_{s}t-{\mathrm{\φ}}_T),$ 表示音叉检测端的暂态输出，B_T是暂态输出系数，ω_s是检测模态谐振频率，Qs是检测模态品质因数，对特定的音叉B_T、ω_s和Q_s是定值；

v_C(t)＝B_ccos(ω_dt)，表示静态耦合信号，B_c是静态耦合系数，对特定的音叉B_c是定值；

v_V(t)＝B_Vsin(ω_dt+σ)，表示振动耦合信号，B_V是振动耦合系数，σ是振动耦合信号与驱动信号的不正交角，对特定的音叉B_V是定值，对特定的音叉和驱动电路参数σ是定值；

n(t)表示噪声信号；

采用与稳态输出电信号同频、同相位的信号r(t)＝cos(ω_dt)作为参考信号，对u_o(t)进行相敏检测，得到：

$u_b\left(t\right)=u_o\left(t\right)\·r\left(t\right)=(v_s\left(t\right)+v_T\left(t\right)+v_c\left(t\right)+v_V\left(t\right)+n\left(t\right))\·r\left(t\right)$

$=\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}+\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{d}t\right)$

$+\frac{B_T}{2}\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos [({\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_d)t-{\mathrm{\φ}}_T]+\frac{B_T}{2}\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{{2Q}_s})\cos [({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_d)t-{\mathrm{\φ}}_T]$

$+\frac{B_c}{2}+\frac{B_c}{2}\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+\frac{B_m}{2}\sin \mathrm{\σ}+\frac{B_m}{2}\sin (2{\mathrm{\ω}}_{d}t+\mathrm{\σ})+n^{\′}\left(t\right)$

u_b(t)通过截止频率小于|ω_d-ω_s|的低通滤波器后，得到输出的V_Ω为：

$V_{\mathrm{\Ω}}=\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}+\frac{B_c}{2}+\frac{B_V}{2}\sin \mathrm{\σ}+n^{\′\′}\left(t\right)$

得到的直流电压信号与输入角速度呈线性关系。

单极电极相关检测有一定的局限性。首先，单电极检测输出的直流电压中有静态耦合成分和振动耦合成分，如果静态耦合和振动耦合很大将造成零位过大，影响动态范围甚至输出直接饱和；其次，单极检测电路的输出信号直接受到静态和振动耦合的影响，而这两类耦合信号对温度敏感，会造成太大的零位漂移。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路，能够消除静态干扰对输出的影响，最大程度降低振动耦合对输出的影响，使输出零位为零，把由耦合信号导致的零位漂移降至最低。

本发明的一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路包括静态耦合抑制电路和相位调节电路；静态耦合抑制电路的输出端与相位调节电路的输入端直接连接；其中静态耦合抑制电路包括三个低偏置运算放大器、两个电容、两个电阻和四个电阻；相位调节电路包括一个低漂移运算放大器、两个电容、两个电阻；其中，静态耦合抑制电路中两个低偏置运算放大器、两个电容和两个大电阻搭成两个对称的电荷放大器，对石英音叉陀螺的两个检测电极进行电荷放大，两个输出的电荷放大信号通过相位调节电路中由一个低漂移运算放大器、四个精密电阻搭成的差分电路进行差分放大；其中用一个电容和一个电阻串联成输入支路，对相位的超前调节，用一个电容和一个电阻并联成反馈支路，对相位的滞后调节；通过调节电阻电容值，进行不同的相位调节。

本发明的工作原理：石英音叉敏感极输出的信号通过静态耦合抑制电路后，呈共模状态的静态耦合信号被有效抑制，有用信号和差模干扰信号信号被放大；静态耦合抑制电路输出信号通过相位调节后使机械耦合信号相位与相关检测信号正交，这样就能通过相关检测有效抑制机械耦合信号。把相位调节电路实现的相位调节量记为σ，相位调节对最终输出的有用信号产生cosσ的增益，对机械耦合信号产生sinσ的增益。

本发明的有益效果：

本发明采用双电极电荷差分放大、振动耦合相位调节的技术方案，克服了传统单电极检测电路无法抑制静态耦合信号和无法有效抑制振动耦合的缺陷，既完全抑制了静态耦合信号又对有效抑制振动耦合提供条件，提高了微石英音叉陀螺的性能。

附图说明

图1为现有技术中采用的微石英音叉陀螺检测电路图

图2为现有技术中采用单极电荷放大的输出波形

图3为现有技术中采用单极相关检测的零位相关检测输出

图4为本发明的双极电荷差分放大、振动耦合相位调节电路原理图

图5为本发明的双极电荷差分放大电路的输出波形

图6为采用本发明的零位相关检测输出

具体实施方式

下面结合附图对发明的双极电荷差分放大、振动耦合相位调节电路的设计和控制过程作一详细说明，以便对本发明有更进一步的了解和认同。

如图4所示，双极电荷差分放大、振动耦合相位调节电路由两个部分构成：用来抑制静态耦合的电路I和用为调节振动耦合的电路II，其特征在于，还包括：

电路I由三个运算放大器(U₁、U₂、U₃)、两个精密电容(C₁、C₂)、四个精密电阻(R₃、R₄、R₅、R₆)和两个大电阻(R₁、R₂)构成。

其中U₁、U₂为同一型号的低偏置电流运算放大器，U₃为低失调低噪声运算放大器，R₁、C₁、U₁和R₂、C₂、U₂组成电荷放大器。C₁、C₂是电荷放大器的反馈电容，为了防止反馈电容长时间充电导致集成运放饱和，在反馈电容C₁、C₂两端并联电阻R₁、R₂。静态耦合抑制电路中两个低偏置运算放大器、两个电容和两个大电阻搭成两个对称的电荷放大器，对石英音叉陀螺的两个检测电极进行电荷放大，两个输出的电荷放大信号通过由一个低漂移运算放大器、四个精密电阻搭成的差分电路进行差分放大。其中用一个精密电容和一个精密电阻串联成输入支路，以实现对相位的超前调节，用一个精密电容和一个精密电阻并联成反馈支路，以实现对相位的滞后调节；调节精密电阻电容值，能实现不同的相位调节。电荷放大器的反馈电阻传输函数为： $V_o=-\frac{C_0}{C_f}q.$

上式中，V₀表示电荷放大器输出电压，C₀表示传感器等效电容，C_f表示电荷放大器的反馈电阻(如图4中的C₁，C₂)，q表示传感器输出电荷量。可以通过控制C₁和C₂来控制石英音叉工作时检测正负电极输出信号的放大倍数。

电荷放大器电阻、电容参数需要满足：

上式中，ω表示信号频率，q₁表示石英音叉工作时检测正极输出的静态耦合电荷量，q₂表示石英音叉工作时检测负极输出的静态耦合电荷量。条件R₁C₁ω□1和R₂C₂ω□1可以防止反馈电容长时间充电导致集成运放饱和，条件C₁/C₂＝q₁/q₂实现石英音叉工作时正负电极输出的静态耦合信号通过电荷放大后相等。

通常情况，在石英音叉陀螺中，取C₁＝C₂，范围在10pF～100pF之间，R₁＝R₂，范围在10MΩ～100MΩ之间。

U₃是低漂移低噪声集成运算放大器，作为差分放大器，需要满足条件：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_3=R_4\\ R_5=R_6\end{array}\right.$

差模放大倍数为：

$A=\frac{R_5}{R_3}=\frac{R_6}{R_4}$

通常情况，在石英音叉陀螺中，放大倍数取10～100倍之间。

电路II由一个集成运放(U₃)、两个精密电容(C₃、C₄)、两个精密电阻(R₇、R₈)构成。其中U₃是低漂移低噪声运算放大器，C₃和R₇串联作为输入阻抗用来进行相位超前补偿，C₄和R₈并联作为反馈阻抗用来进行相位滞后补偿。

为了对振动耦合信号进行相位调节，电路II的阻容参数需要满足条件：

$\arctan \left(\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_3{R}_7}\right)-\arctan \left(\mathrm{\ω}{C}_4{R}_8\right)=\mathrm{\σ}$

上式中，ω为工作频率，σ为振动耦合信号和参考信号的正交匹配角。

通常，在石英音叉陀螺中，σ可以通过测量获得，R₈/R₇在1～10之间。

由于，石英音叉工作时在检测正负电极的稳态响应呈差模状态、暂态响应呈差模状态、静态耦合呈共模状态、振动耦合呈差模状态，利用本发明的双极电荷差分放大、振动耦合相位调节的电路作为石英音叉相关检测电路的前级电路，进行相关检测的信号被变换为：

$u_o\left(t\right)=v_s\left(t\right)+v_T\left(t\right)+v_V\left(t\right)+n\left(t\right)$

$=B_0\mathrm{\Ω}\cos ({\mathrm{\ω}}_{d}t-\mathrm{\σ})+B_T\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos ({\mathrm{\ω}}_{s}t-{\mathrm{\φ}}_T-\mathrm{\σ})+B_V\sin \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+n\left(t\right)$

以上信号与参考信号r(t)＝cosω_dt进行相关检测的输出信号为：

${u_b}^{\′}\left(t\right)=u_o\left(t\right)\·r\left(t\right)=(v_s\left(t\right)+v_T\left(t\right)+v_V\left(t\right)+n\left(t\right))\·r\left(t\right)$

$=\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}\cos \mathrm{\σ}+\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}\cos (2{\mathrm{\ω}}_{d}t-\mathrm{\σ})$

$+\frac{B_T}{2}\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos [({\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_d)t-{\mathrm{\φ}}_T-\mathrm{\σ}]+\frac{B_T}{2}\mathrm{\Ωexp}(-\frac{{\mathrm{\ω}}_{s}t}{2Q_s})\cos [({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_d)t-{\mathrm{\φ}}_T-\mathrm{\σ}]$

$+\frac{B_V}{2}\sin \left(2{\mathrm{\ω}}_{d}t\right)+n^{\′}\left(t\right)$

相关检测输出信号经过截止频率为|ω_d-ω_s|的低通滤波器后，得到：

$V_{\mathrm{\Ω}}\left(t\right)=\frac{B_0}{2}\mathrm{\Ω}\cos \mathrm{\σ}+n^{\′\′}\left(t\right)$

滤波输出直流电压信号中没有了静态耦合分量和振动耦合分量，实现了高耦合石英音叉陀螺原始零位等于零，输出漂移不受耦合信号影响的目的。

综上所述，双极电荷差分放大、振动耦合相位调节电路实际上是利用微石英音叉检测正负电极输出信号特性，首先通过电荷放大器放大检测电极输出信号，其次对两路输出信号进行差分检测，最后对差分输出结果进行相位调节，达到了抑制静电耦合信号和振动耦合信号的目的。

对于耦合信号过大的石英音叉，如果利用已有检测方案，相关检测输出直流分量太大，如图3，限制了后级放大倍数和动态范围和极限分辨率，不进行零位调节的零位输出直接饱和，零位调节后的漂移太大，使用本发明的双极电荷差分放大、振动耦合相位调节方案，结合相关检测原理，能实现不调零零位输出为基本为零，如图6，为后级放大倍数提供充足裕度，提高了动态范围和极限分辨率，对于高耦合信号的石英音叉陀螺，零位漂移至少可以降低一个数量级。

上述仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴由各种权利要求规定。

Claims (1)

1.一种石英音叉陀螺中的耦合信号抑制电路包括静态耦合抑制电路和相位调节电路；静态耦合抑制电路的输出端与相位调节电路的输入端直接连接；其中静态耦合抑制电路包括三个低偏置运算放大器、两个电容、两个电阻和四个电阻；相位调节电路包括一个低漂移运算放大器、两个电容、两个电阻；其中，静态耦合抑制电路中两个低偏置运算放大器、两个电容和两个大电阻搭成两个对称的电荷放大器，对石英音叉陀螺的两个检测电极进行电荷放大，两个输出的电荷放大信号通过相位调节电路中由一个低漂移运算放大器、四个精密电阻搭成的差分电路进行差分放大；其中用一个电容和一个电阻串联成输入支路，对相位的超前调节，用一个电容和一个电阻并联成反馈支路，对相位的滞后调节；通过调节电阻电容值，进行不同的相位调节。

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