CN102519444B - 微固体模态陀螺的agc自激振荡驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，由电荷放大器、移相器、放大器、带通滤波器和自动增益控制器五部分组成振荡回路。陀螺振动信号首先通过电荷放大器的接收和增强，然后通过移相器将电荷放大器输出的信号进行相位调整，使其满足闭环驱动电路自激振荡条件；信号通过放大器进行放大，再经过带通滤波器进行选频；通过带通滤波器的信号进入自动增益控制器，自动增益控制器将得到的信号幅值与参考信号幅值的差值来控制增益，最终得到恒幅、稳频的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定。本发明能够为微固体模态陀螺提供恒幅、稳频的驱动信号，有效地解决了目前开环驱动电路中存在的问题。

Description

微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路

技术领域

本发明涉及微固体模态陀螺，具体是一种自激振荡电路，特别是微固体模态陀螺的AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制技术)自激振荡驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供恒幅、稳频的驱动信号。

背景技术

微固体模态陀螺采用压电材料作为驱动和检测部件，是一种新型的全固态MEMS微陀螺。不同于一般MEMS振动陀螺，微固体模态陀螺的惯性质量和弹性支撑结构融合在一起，因此具有抗过载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、不需真空封装、启动时间短等优越特性，在消费电子产品、智能炮弹、飞行器导航与制导等领域具有广泛的应用前景。本文研究的微固体模态陀螺是一种新型的角速度传感器。它利用压电质量块在特殊振动模态下的本征振动作为驱动振动，通过检测压电体极化方向上感应出的电压效应来获得外界相应方向上输入的角速度大小。

微固体模态陀螺的驱动电路是其工作的一个重要环节，它产生的驱动信号要求具有良好的可靠性、稳定性和重复一致性。经对现有技术的文献检索发现，上海交通大学的吴校生等人在2009年Journal of Micromechanics &Microengineering期刊上发表了一篇论文，题为“压电式微固体模态陀螺的振动分析”，该论文的期刊编号是125008。文献中提到的微固体模态陀螺驱动电路采用的是开环驱动模式。在开环驱动控制中，首先对陀螺的工作振动模态谐振频率进行测量，然后在驱动电极上施加正弦驱动信号，驱动信号的频率与陀螺工作振动模态谐振频率相同。但是在实际工作中，当环境温度、湿度、气压等参数发生变化的时候，陀螺的工作振动模态谐振频率也会在一定范围内发生漂移。另外，由于制造误差或材料参数的微小差异，不同的陀螺个体的工作振动模态的谐振频率也不尽相同。开环驱动不能够自动检测陀螺的工作振动模态谐振频率，从而带来较大的测量误差。在现有电路中，当微固体模态陀螺谐振体受到外界冲击或电源电压波动等干扰时，驱动振动幅值会发生相应的冲击或波动，这些因素都会造成陀螺测量精度的不稳定。

发明内容

本发明针对现有微固体模态陀螺驱动电路存在的不足，提出了一种微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供恒幅、稳频的驱动信号，有效地解决了上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，所述AGC自激振荡驱动电路是一种闭环驱动控制方式，由电荷放大器、移相器(PS)、放大器(A)、带通滤波器(BPF)和自动增益控制器(AGC)五部分组成振荡回路。陀螺振动信号首先通过电荷放大器的接收和增强，然后通过移相器将电荷放大器输出的信号进行相位调整，使其满足闭环驱动电路自激振荡条件；信号通过放大器进行放大，再经过带通滤波器进行选频；通过带通滤波器的信号进入自动增益控制器，自动增益控制器将得到的信号幅值与参考信号幅值的差值来控制增益，最终得到恒幅、稳频的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定。

所述控制振荡幅值的自动增益控制器(AGC)是由一个可变增益放大器(VGA)、放大电路(A)、参考信号(Ref)和检幅器(AD)组成的闭环控制器。可变增益放大器的输出信号放大后经过检幅器，得到信号的振幅，再与参考电压比较，若检幅器输出高于参考信号幅值，则减小可变增益放大器增益；若检幅器输出低于参考信号幅值，则增大可变增益放大器增益，如此使得输出的信号幅值恒定，完成自动增益控制。

所述AGC自激振荡驱动电路还进一步包括正向放大电路和反向放大电路，正向放大电路和反向放大电路均一端与自动增益控制器连接，另一端与微固体模态陀螺驱动电极连接。所述自动增益控制器得到的稳频、恒幅驱动信号分别经过正向放大电路和反向放大电路之后加在陀螺的驱动电极上。

本发明中，当AGC自激振荡驱动电路环路满足环路增益为1、相位和为2nπ时，微固体模态陀螺以其谐振频率恒幅振荡；该电路还可以跟踪微固体模态陀螺振子的模态谐振频率，以实现微固体模态陀螺的驱动闭环控制。然后将该正弦驱动信号分别经过正向放大电路和反向放大电路之后加在陀螺驱动电极上，实现微固体模态陀螺的驱动控制。

所述移相器的作用是调节环路信号的相位，使整个环路的相位和满足2nπ的条件。

所述带通滤波器(BPF)为二阶有源带通滤波电路，在微固体模态陀螺的驱动电路中起到选频的作用，其中心频率与陀螺谐振频率一致，使振荡环路中与陀螺谐振频率一致的信号满足反馈谐振条件，通过环路的放大发生振荡，并且抑制其他频率信号参与振荡。

所述可变增益放大器(VGA)为压控增益放大器，即电压作为控制信号调节放大器的增益。VGA是自动增益控制(AGC)的核心部件，其作用等效于信号幅值控制器，通过闭环调节VGA的控制端来控制环路信号的幅值，使驱动信号的幅值恒定。

所述检幅器为峰值检波器，用于检测驱动信号的幅值，与参考信号比较之后控制VGA的增益。

本发明提出的AGC自激振荡驱动电路的工作原理如下：由于微固体模态陀螺有比较高的品质因数，在噪声激励下即可起振，从微固体模态陀螺的参考电极上获取陀螺振动信号，首先通过电荷放大器的接收和增强，然后通过移相器将电荷放大器输出的信号进行相位调整，使振荡环路的相位和满足2nπ的条件；信号通过放大器进行放大，再经过带通滤波器进行选频，使满足反馈谐振条件的频率信号通过，抑制其他频率信号参与振荡；通过带通滤波器的信号进入自动增益控制器，通过检幅器得到的信号幅值与参考信号幅值的差值来控制可变增益放大器(VGA)的增益，最终得到恒幅、稳频的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定。当微固体模态陀螺的谐振频率由于温度等外界环境发生漂移后，微固体模态陀螺的运动偏离谐振模态，在参考电极上检测的信号幅值减小，则检幅器所得到的驱动信号幅值与参考信号不匹配，闭环系统失去稳定，可变增益放大器的增益增大；当驱动模态的振幅大于参考信号时则环路增益减小，使驱动信号幅值与参考信号幅值匹配，频率随时跟踪微固体模态陀螺的谐振频率。这样，AGC自激振荡驱动电路便解决了现有微固体模态陀螺驱动电路中存在的不足。

综上，本发明提出的AGC自激振荡驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供恒幅、稳频的驱动信号，有效地解决了目前开环驱动电路中存在的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例电路原理图；

图2为本发明一实施例AGC部分电路原理图；

图3为本发明一实施例电荷放大电路原理图；

图4为本发明一实施例移相电路图；

图5为本发明一实施例带通滤波电路图；

图6为本发明一实施例检幅器电路图；

图7为本发明一实施例放大电路图，其中：(a)为正向放大电路；(b)为反向放大电路。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的AGC自激振荡驱动电路包括电荷放大电路2、移相电路3、放大电路4、带通滤波电路5、自动增益控制电路6。其中，微固体模态陀螺1上下表面分别对称分布有两个驱动电极101、108，两个参考电极103、106和四个传感电极102、104、105、107(反面亦如此)。驱动电极101、108用于接收两幅值相等、相位相差180°的正弦驱动信号，使微固体模态陀螺1在驱动信号的作用下运动；参考电极103、106用于反映微固体模态陀螺1的运动情况，在AGC自激振荡驱动电路中用于陀螺信号的输出；传感电极102、104、105、107用于检测外加角速度的大小，在本实施例中不涉及。

从微固体模态陀螺1的参考电极103上获取的陀螺振动信号，首先通过电荷放大电路2的接收和增强，然后通过移相电路3将电荷放大电路2输出的信号进行相位调整，使其满足闭环驱动电路自激振荡条件；信号通过放大器4进行放大，再经过带通滤波电路5进行选频；通过带通滤波电路5的信号进入自动增益控制器6，通过检幅器603得到的信号幅值与参考信号604幅值的差值来控制可变增益放大器(VGA)601的增益，最终得到恒幅、稳频的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定。

如图2所示，AGC自动增益控制电路由可变增益放大器601、放大电路602、检幅器603和参考信号Ref604四个部分组成。可变增益放大器601为压控增益放大器，即电压作为控制信号调节放大器的增益，本实施例选用Analog Device公司的压控增益放大器集成芯片AD603。可变增益放大器601的输出信号放大后经过检幅器603，再与参考电压604比较，若检幅器输出高于参考信号幅值，则减小可变增益放大器601增益；若检幅器603输出低于参考信号幅值，则增大可变增益放大器601增益，如此使得输出的信号幅值恒定，完成自动增益控制。图中P1、P2分别与图1中P1、P2对应，表示AGC自动增益控制电路的输入与输出。

如图3所示，为图1中电荷放大电路2的电路图，其作用主要体现在对于微固体模态陀螺1上电极输出信号的接收和增强。具体目的是增大输出信号的反应，同时将压电材料部分与后端的检测部分相互隔离，保持电路的稳定性。从图中可以看到，电荷放大电路的基本结构组成类似于运算放大器构成的滤波电路。如果不考虑元件参数选择，可以将电荷放大电路看作是运算放大器构成的积分电路，其输入信号以测量电流为主，其输出电压代表了一定时间量内电路所积攒的总电荷，这也是其被称之为电荷放大器的原因。

如图4所示，移相电路3主要用于调节在参考电极103获取的陀螺振动信号相位，使其与参考信号Ref604的相位一致，以提高检测的灵敏度。

如图5所示，带通滤波电路5为二阶有源带通滤波电路，其参数R50、R51、R52、C51和C51的选择使其中心频率和微固体模态陀螺1的谐振频率一致，使振荡环路中与陀螺谐振频率一致的信号通过环路的放大发生振荡，抑制其他频率信号参与振荡。

如图6所示，检幅器603电路包含三个模块：用来保持电压的电容C0和电阻R2，对电容单向充电的二极管D1、D2，用于跟随输入电压的运算放大器A603。

如图1所示，本实施例还可以进一步包含正向放大电路7和反向放大电路8，正向放大电路和反向放大电路均一端与自动增益控制器连接，另一端与微固体模态陀螺驱动电极连接。自动增益控制器得到的稳频、恒幅驱动信号分别经过正向放大电路和反向放大电路之后加在陀螺的驱动电极上。

如图7所示，图中，(a)为正向放大电路，(b)为反向放大电路，通过选择R71、R72、R81和R82的值可调节放大倍数。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述AGC自激振荡驱动电路是一种闭环驱动控制方式，由电荷放大器、移相器、放大器、带通滤波器和自动增益控制器五部分组成振荡回路，陀螺振动信号首先通过电荷放大器的接收和增强，然后通过移相器将电荷放大器输出的信号进行相位调整，使其满足闭环驱动电路自激振荡条件；信号通过放大器进行放大，再经过带通滤波器进行选频；通过带通滤波器的信号进入自动增益控制器，自动增益控制器将得到的信号幅值与参考信号幅值的差值来控制增益，最终得到恒幅、稳频的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定；当环路满足环路增益为1、相位和为2nπ时，微固体模态陀螺以其谐振频率正弦恒幅振荡；

所述自动增益控制器包括一个可变增益放大器、放大电路、参考信号和检幅器，这四个部件组成一闭环控制器，可变增益放大器的输出信号放大后经过检幅器，得到信号的振幅，再与参考信号比较，若检幅器输出高于参考信号幅值，则减小可变增益放大器增益；若检幅器输出低于参考信号幅值，则增大可变增益放大器增益，如此使得输出的信号幅值恒定，完成自动增益控制；

该AGC自激振荡驱动电路能跟踪微固体模态陀螺振子的模态谐振频率，以实现微固体模态陀螺的驱动闭环控制：当微固体模态陀螺的谐振频率由于外界环境发生漂移后，微固体模态陀螺的运动偏离谐振模态，在参考电极上检测的信号幅值减小，则检幅器所得到的驱动信号幅值与参考信号不匹配，闭环系统失去稳定，可变增益放大器的增益增大；当驱动模态的振幅大于参考信号时则环路增益减小，使驱动信号幅值与参考信号幅值匹配，频率随时跟踪微固体模态陀螺的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述可变增益放大器为压控增益放大器，即电压作为控制信号调节放大器的增益，通过闭环调节可变增益放大器的控制端来控制环路信号的幅值，使驱动信号的幅值恒定。

3.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述移相器对振荡环路中正弦波的相位进行调整，使环路相位满足2nπ的条件。

4.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述带通滤波器的中心频率与微固体模态陀螺的谐振频率一致，使振荡环路中与陀螺谐振频率一致的信号满足反馈谐振条件，通过环路的放大发生振荡，并且抑制其他频率信号参与振荡。

5.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述检幅器为峰值检波器，用于检测驱动信号的幅值，与参考信号比较之后控制可变增益放大器的增益。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微固体模态陀螺的AGC自激振荡驱动电路，其特征在于，所述自动增益控制器得到的稳频、恒幅驱动信号分别经过正向放大电路和反向放大电路之后加在陀螺的驱动电极上。