CN102538774B - 微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，所述电路在振动初始，以自身固定的频率输出给陀螺，作为初始驱动信号，陀螺受驱动后将会输出和驱动信号有一定相位差的参考信号，此信号经电荷放大器，锁相环电路，等幅调相电路，自动增益控制电路后，被调相到比参考信号提前π/2的相位，再去作为陀螺的驱动输入信号，经过瞬时的修正，陀螺可达到谐振状态，其输出和输入相位差恒定为π/2，从而锁定频率，在经过自动增益控制电路时，陀螺的驱动信号稳幅。本发明能够为微固体模态陀螺提供恒幅且跟踪陀螺谐振频率的驱动信号，保证陀螺时刻都处于谐振状态，减小因谐振频率漂移或振动幅值波动带来的误差。

Description

微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路

技术领域

本发明涉及的微固体模态陀螺，具体是一种微固体模态陀螺频率跟踪与稳定驱动幅值电路，特别是微固体模态陀螺的锁相环电路和自动增益控制电路，能够为微固体模态陀螺提供跟踪谐振频率、恒幅的驱动信号。

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、飞行器导航、智能炮弹与制导等领域具有广泛的应用前景。本发明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闭环锁相稳幅驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供陀螺谐振频率跟踪、恒幅的驱动信号，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闭环锁相稳幅驱动电路，所述闭环锁相稳幅驱动是一种跟踪频率和稳定幅值的闭环驱动控制技术的电路，电路由电荷放大器电路，锁相环电路，等幅调相电路，自动增益控制电路，正反向放大电路组成。在振动初始，闭环锁相稳幅驱动电路以自身固定的频率输出给陀螺，作为初始驱动信号，陀螺受驱动后将会输出和驱动信号有一定的相位差的参考信号经电荷放大器转换为电压信号，此信号分为两路，一路经过锁相环电路，一路经过自动增益控制电路。经过锁相环电路后输出信号经过等幅调相电路，再经过自动增益控制电路，自动增益控制电路输出信号是被调相到和参考信号提前π/2的相位，再分别经过正反向放大电路去驱动陀螺，经过瞬时修正，陀螺即可达到谐振状态，其谐振时输入和输出相位差恒定为π/2，从而锁定了频率，此时整个闭环驱动系统稳定。

所述锁相环电路是由一个锁相芯片、低通滤波器组成，输入为正弦信号。在锁相环频率捕获范围内，锁相环输出信号将会和锁相环的输入信号频率一致，输出为方波，经过低通滤波器后转换为正弦波。在锁相环频率捕获范围外，输出频率与锁相环自身的固有频率一致，输出为方波，经过低通滤波器后转换为正弦波。

所述锁相芯片为专用集成锁相芯片，可跟踪输入信号的频率，输出为方波。固有频率的设置可通过锁相芯片外围电容的大小来设置，在本发明中，将其设置为陀螺谐振频率以上的一定范围的值所对应的电容大小。所述低通滤波器为二阶有源低通滤波电路，截止频率为陀螺谐振频率的2倍频。在锁相环中可将锁相芯片出来的方波过滤为正弦波，同时滤除高频噪声。

所述自动增益控制器是由一个可变增益放大器、放大电路、参考信号和检幅器组成的控制器。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。可变增益放大器是自动增益控制的核心部件，其作用等效于信号幅值控制器，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。

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。

所述等幅调相电路的作用是调节整个闭环锁相稳幅驱动电路的输入与输出的相位差为-π/2的相位差，增益为1。

所述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，在所述自动增益控制器得到的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。

本发明提出的闭环锁相稳幅驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供恒幅且跟踪陀螺谐振频率的驱动信号，保证陀螺时刻都处于谐振状态，减小因谐振频率漂移或振动幅值波动带来的误差，从而有效地解决目前开环驱动电路中存在的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例微固体模态陀螺电路原理图；

图2为本发明一实施例电荷放大电路原理图；

图3为本发明一实施例锁相环电路原理图；其中图a为锁相芯片及外围电路，图b为有源二阶低通滤波器；

图4为本发明一实施例等幅调相电路图；

图5为本发明一实施例自动增益控制电路图；

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(a)正向放大电路图(b)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，本发明的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路包括电荷放大器电路2，锁相环电路3，等幅调相电路4，自动增益控制电路5，正反向放大电路6等五部分组成。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，在闭环锁相稳幅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。信号一路通过锁相环电路3进行捕获锁相；通过锁相环电路3的输出信号进入等幅调相电路4，再作为一路通过自动增益控制电路5。信号另一路直接接入自动增益控制电路5。自动增益控制电路5的输出经过正向放大和反向放大电路后加到陀螺1的两个驱动电极D1、D2上，最终可得到恒幅、陀螺谐振频率跟踪的的正弦驱动信号，使整个闭环驱动系统稳定。

如图2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3所示，锁相环电路3采用芯片NE564，和有源二阶低通滤波器组成。所述锁相芯片的输入信号的为正弦波，在捕获频带范围内输出为同频的方波，在捕获频带范围外，输出为锁相芯片中心频率，此中心频率可通过锁相芯片外围电路调整；所述低通滤波器为二阶有源低通滤波器，可有效的转化方波为正弦波，同时，除去高频噪声的干扰经。所述锁相芯片的中心频率设定在陀螺谐振点频率以上，而二阶低通滤波器的截止频率选在锁相芯片输出方波频率2倍频以内。图示3.a为锁相环芯片电路极其外围电路，决定自身震荡频率的外接电容接于12，13脚之间的Co，其输出为方波。图示3.b为有源二阶低通滤波器。

如图4所示，等幅调相电路4用于调整驱动电路相位差为-π/2。即调节整个闭环锁相稳幅驱动电路的输入与输出的相位差为π/2的相位差，而等幅调相电路的增益为1。

如图5所示，自动增益控制电路由可变增益放大器501、放大电路502、检幅器503和参考信号Ref504四个部分组成。可变增益放大器501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501的输出信号放大后经过检幅器503，再与参考电压504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501增益；若检幅器503输出低于参考信号幅值，则增大可变增益放大器501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，表示自动增益控制电路的输入与输出。

如图6所示，检幅器503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7所示，图中，(7.a)为正向放大电路，(7.b)为反向放大电路。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。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。

本实施例的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路的工作原理概述如下：在初始，闭环锁相稳幅驱动部分有自身固定的频率输出给陀螺，作为初始驱动信号，陀螺受驱动后将会输出和驱动信号有一定的相位差的参考信号，此信号经锁相环电路、等幅调相电路、正反向放大电路，自动增益控制电路等电路后，被调相-π/2的相位，再去作为陀螺的驱动输入信号，直到陀螺本身达到谐振状态，即达到谐振状态时候，陀螺的输出比输入滞后π/2，经过闭环锁相稳幅驱动电路消除相位滞后的影响后的信号和之前驱动信号同频，至此得到锁频的正弦信号。锁相稳幅驱动电路使整个闭环驱动系统稳定、及时的调整驱动电压频率与幅值。

本发明能够为微固体模态陀螺提供恒幅且跟踪陀螺谐振频率的驱动信号，保证陀螺时刻都处于谐振状态，减小因谐振频率漂移或振动幅值波动带来的误差，从而有效地解决目前开环驱动电路中存在的问题。

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 (10)

1.一种微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述闭环锁相稳幅驱动电路是一种跟踪频率和稳定幅值的闭环驱动控制技术的电路，电路由电荷放大器电路，锁相环电路，等幅调相电路，自动增益控制电路，正反向放大电路组成，在振动初始，闭环锁相稳幅驱动电路以自身固定的频率输出给陀螺，作为初始驱动信号，陀螺受驱动后将会输出和驱动信号有一定的相位差的参考信号经电荷放大器电路转换为电压信号，电压信号分为两路，一路经过锁相环电路，一路经过自动增益控制电路，经过锁相环电路后输出信号经过等幅调相电路，再经过自动增益控制电路，自动增益控制电路输出信号是被调相到和参考信号提前π/2的相位，再分别经过正反向放大电路去驱动陀螺，经过瞬时修正，陀螺即达到谐振状态，其谐振时输入和输出相位差恒定为π/2，从而锁定了频率，此时整个锁相稳幅驱动电路稳定。

2.根据权利要求1所述微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述锁相环电路是由锁相芯片、低通滤波器组成，锁相芯片的输入信号是电荷放大器电路采集的陀螺输出信号，此输出信号频率发生改变时，锁相芯片输出的信号频率也随之改变，变成和输入信号的频率一致。

3.根据权利要求2所述微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述锁相芯片为专用集成芯片，它的输入信号为正弦波，在捕获频带范围内输出为同频的方波，在捕获频带范围外，输出为锁相芯片中心频率，此中心频率通过锁相芯片外围电路调整。

4.根据权利要求3所述微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述低通滤波器为二阶有源低通滤波器，转化方波为正弦波，同时，除去高频噪声的干扰。

5.根据权利要求2所述微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述锁相芯片的中心频率设定在陀螺谐振点频率以上，而低通滤波器的截止频率选在锁相芯片输出方波频率2倍频以内。

6.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述自动增益控制电路是由一个可变增益放大器、放大电路、参考信号和检幅器组成的控制器，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。

7.根据权利要求6所述的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述检幅器为峰值检波器，用于检测初始驱动信号的幅值，与参考信号比较之后控制可变增益放大器的增益。

8.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述等幅调相电路调节整个闭环锁相稳幅驱动电路的输入与输出的相位差为π/2的相位差，而等幅调相电路的增益为1。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，所述正反向放大电路均一端与自动增益控制电路连接，另一端与微固体模态陀螺驱动电极连接，所述锁相环电路和自动增益控制电路得到的频率跟踪、恒幅驱动信号分别经过正反向放大电路之后加在陀螺的驱动电极上。

10.根据权利要求1-8任一项所述的微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，其特征在于，该闭环锁相稳幅驱动电路能时刻跟踪微固体模态陀螺振子的模态谐振频率，稳定驱动幅值，实现微固体模态陀螺的闭环锁相稳幅驱动电路的稳定。