CN103148847B - 一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，移相器输入端接驱动信号，输出端接90^o移相器及第一相敏解调模块；第一相敏解调模块输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端同时接作差电路及受控开关，受控开关输出端接数据存储器，数据存储器输出端接作差电路；90^o移相器输出端接第二相敏解调模块，第二相敏解调模块的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端接接峰值检测电路，峰值检测电路输出端接移相器。本发明还公开一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法。本发明有效消除同相误差，从而提高微机械陀螺的测量精度。

Description

一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法，尤其是指一种基于作差消除电容式微机械陀螺同相误差系统及方法。

背景技术

陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运动物体自身姿态和状态变化的传感器，其功能是敏感运动体的角速度。基于MEMS技术的第三代微机械陀螺仪，具有体积小、重量轻、带宽大、功耗低及抗冲击强度高等优点，被广泛应用于军事及民用领域。

现有技术中，电容式微机械陀螺仪的敏感结构采用体硅或者表面硅工艺加工制作而成，由于尺寸极其微小，通常为微米量级，在现有的工艺条件下，很难控制加工精度。因此，敏感结构在制造过程中存在着工艺误差。该误差直接影响硅微机械陀螺零点输出的稳定性、标度因子的非线性度及工作带宽等关键技术指标。同时，制约微机械陀螺在宇航、精确制导、精密仪器及深海探测等需要精确测量角速度信号领域的应用。

敏感结构的各种工艺误差，会在微机械陀螺提取角速度信号的处理过程中转变成正交误差和同相误差两种误差信号。正交误差和同相误差是角速度信号提取过程中的两种主要干扰信号，是制约微机械陀螺整体性能的主要因素。

其中，同相误差来源于微机械陀螺仪传感器结构的驱动轴与检测轴的不完全垂直，加载驱动电压时，驱动力在检测方向存在着分力，这个力与要检测的Coriolis力（科氏力）方向一致，相位也一致，导致在信号处理过程中很难区分角速度信号与此同相误差信号。由于同相误差与Coriolis加速度信号的频率及相位都相同，对于该误差信号的分离和抑制都比较困难，现有技术中，关于抑制同相误差的信号处理方案非常少，缺乏通用的，且能有效消除或抑制同相误差的信号处理方案。

如图1所示，传统的微机械陀螺角速度信号提取信号处理电路系统。由微机械陀螺的工作原理可知，要得到输入角速度信号的数值，必须测出敏感结构检测电容的变化量。然而，电容的变化量极其微弱，通常都淹没在低频的1/f噪声里，为了抑制1/f噪声，如图1所示，角速度提取电路一般都采用高频载波调制的方法，利用积分器构成电荷放大器，将检测电容的变化值转变成电压信号，然后经过两次相敏解调过程，第一次解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号；第二次解调得到与输入角速度信号成正比的电压信号。所述提取的最终输出信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号。

以下分析不存在相位误差时，考虑正交误差及同相误差时的输出信号：

由图1可知，第一次相敏解调后，得到的信号V _in (t)是与检测电容的变化量成正比的电压信号，存在正交误差及同相误差时，V _in (t)是角速度信号、正交误差信号及同相误差信号三者之和，可表示如下：

其中，V _cor 表示Coriolis加速度信号的幅度；V _in-p 表示同相误差信号的幅度；V _quc 表示正交误差信号的幅度；W表示输入的角速度信号；ω表示微机械陀螺驱动信号的角频率；Φ表示驱动信号的相位。从式（1）中可以看出同相误差信号与Coriolis加速度信号频率及相位都相等，而正交误差信号与Coriolis加速度信号频率相等，相位相差90?。若不存在相位误差信号，则第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)就是驱动信号，它V _in (t)与进行乘法运算，运算如下：

经过低通滤波消除频率为2ω的高频项，则得到的输出信号V _out1 (t)为：

由此可见，第二次相敏解调的参考信号为驱动信号V _ref (t)=V _d  cos（ωt+Φ）时，最终输出信号中包含角速度信号和同相误差信号，正交误差被完全消除。

若第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)与驱动信号正交，也即其表达式为，将它V _in (t)与进行乘法运算，运算如下：

经过低通滤波消除频率为2ω的高频项，则得到的输出信号V _out2 (t)为：

由此可见，若第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)与驱动信号正交时，最终输出信号是纯净的正交误差信号。

以下分析存在相位误差时，考虑正交误差及同相误差时的输出信号：

交流信号在传输处理过程中必然会引起相位的偏移，因此实际中相位误差难以避免，所以应当对相位误差存在的情况加以考虑，当考虑相位误差时V _in (t)需用如下等式来表示：

式（6）中ΔΦ即信号处理过程引入的相位误差，此时以驱动信号作为第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)=V _d  cos（ωt+Φ）,经过低通滤波后的最终输出信号为：

比较式（7）与式（3）可知，当存在相位误差时，若第二次相敏解调的参考信号为驱动信号，则最终输出信号中包含角速度信号和同相误差信号，也包含正交误差信号，相位误差ΔΦ越小，则sinΔΦ越趋近于零，正交误差信号也越小。

若第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)与驱动信号正交，也即其表达式为，此时经过低通滤波后的最终输出信号为：

比较式（8）与式（5）可知，当存在相位误差时，若第二次相敏解调的参考信号V _ref (t)与驱动信号正交时，则最终输出信号中包含正交误差信号，也包含角速度信号和同相误差信号，相位误差ΔΦ越小，则sinΔΦ越趋近于零，角速度和同相误差信号也越小。

通常正交误差信号的幅度远大于同相误差及角速度信号的幅度，三个信号相叠加时，正交误差起主导作用。因此式（8）中，等式右边第一项起主要作用，当ΔΦ等于零时，等式右边第一项取到其能达到的最大值，且此时式（8）中等式右边第二项为零，也即角速度信号及同相误差信号为零，式（8）右边只包含纯净的正交误差信号。此外，当ΔΦ等于零时，式（7）右边只包含角速度信号及同相误差信号，正交误差信号被完全消除只剩下同相误差信号与有用角速度信号。

传统的微机械陀螺角速度信号提取信号处理电路系统，该系统无法消除同相误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法，其有效消除同相误差，从而提高微机械陀螺的测量精度。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，包括峰值检测电路、第一相敏解调模块、第二相敏解调模块、移相器、90^o移相器、数据存储器、受控开关以及作差电路；移相器输入端接驱动信号，输出端接90^o移相器及第一相敏解调模块；第一相敏解调模块输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端同时接作差电路及受控开关，受控开关输出端接数据存储器，数据存储器输出端接作差电路；

90^o移相器输出端接第二相敏解调模块，第二相敏解调模块的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端接接峰值检测电路，峰值检测电路输出端接移相器。

进一步，第一相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器同时接作差电路及受控开关。

进一步，第二相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接90^o移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器接峰值检测电路。

进一步，还包括高频载波器、电荷放大器、滤波放大器、第三相敏解调模块及信号放大器；高频载波器的输入端接微机械陀螺的电容，输出端接电荷放大器及第三相敏解调模块；电荷放大器接滤波放大器，滤波放大器接第三相敏解调模块的输入端，第三相敏解调模块的输出端接信号放大器，而信号放大器分别接第一相敏解调模块及第二相敏解调模块。

进一步，第三相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接滤波放大器及高频载波器，输出端接低通滤波器；低通滤波器接信号放大器。

一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法，包括以下步骤：

步骤一，提取输入信号，所述输入信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号；

步骤二，将输入信号输入第一相敏解调模块及第二相敏解调模块；同时，驱动信号一路经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波；驱动信号另一路经依次移相器及90^o移相器输入第二相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后，将信号输入峰值检测电路；当峰值检测电路检测到输入信号的相位误差为零时，反馈控制移相器，使驱动信号与角速度信号相位相等，驱动信号经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后的信号为角速度信号及同相误差信号；

步骤三，将经第一相敏解调模块后的信号同时输入作差电路及受控开关；当无角速度信号输入时受控开关闭合，信号中剩下同相误差信号，经受控开关被数据存储器保存；有角速度信号输入时受控开关打开，将含有同相误差信号与角速度信号的信号输入作差电路，与数据存储器输出的同相误差信号作差，作差后的信号为角速度信号并作为最终输出信号。

采用上述方案后，本发明移相器、90^o移相器、第二相敏解调电路、第二低通滤波器及峰值检测电路构造为一个反馈控制系统。

当峰值检测电路检测到输入信号的相位误差为零时，反馈控制移相器，使驱动信号与角速度信号相位相等，驱动信号经移相器输入第一相敏解调电路，与输入信号作乘法运算且第一低通滤波器滤波后的信号为角速度信号及同相误差信号。

将含有同相误差信号与角速度信号的信号输入作差电路，与数据存储器输出的同相误差信号作差，作差后的信号为角速度信号并作为最终输出信号。

因此，本发明在完成角速度信号提取的同时，补偿同相误差信号对有用Coriolis加速度信号的影响，从而改善微机械陀螺零点输出的稳定性、标度因子的非线性度及工作带宽等关键技术指标，大幅度的提高硅微机械陀螺仪的整体性能，达到利用信号处理过程补偿工艺误差的目的，提高微机械陀螺的测量精度。

附图说明

图1是现有技术微机械陀螺角速度信号提取原理图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明实施系统示意图。

标号说明

移相器1                  90^o移相器2

第一相敏解调模块3        相敏解调电路31

低通滤波器32             第二相敏解调模块4

相敏解调电路41           低通滤波器42

受控开关5                作差电路6

数据存储器7              峰值检测电路8

高频载波器10             电荷放大器20

滤波放大器30             第三相敏解调模块40

相敏解调电路401          低通滤波器402

信号放大器50。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作详细说明。

参阅图2及图3所示，本发明揭示的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，包括移相器1、90^o移相器2、第一相敏解调模块3、第二相敏解调模块4、受控开关5、作差电路6、数据存储器7以及峰值检测电路8。

移相器1输入端接驱动信号V _ref (t)=V _d  cos（ωt+Φ），输出端接90^o移相器2及第一相敏解调模块3。

第一相敏解调模块3输入端接微机械陀螺角速度提取信号，所述提取信号的包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号，输出端同时接作差电路5及受控开关6，受控开关6输出端接数据存储器7，数据存储器7输出端接作差电路5。

第一相敏解调模块3由相敏解调电路31及低通滤波器32组成，相敏解调电路31的输入端同时接移相器1及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器32；低通滤波器32同时接作差电路5及受控开关6。

90^o移相器2输出端接第二相敏解调模块4，第二相敏解调模块4的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，所述提取信号的包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号，输出端接接峰值检测电路8，峰值检测电路8输出端接移相器1。

第二相敏解调模块4由相敏解调电路41及低通滤波器42组成，相敏解调电路41的输入端同时接90^o移相器2及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器42；低通滤波器42接峰值检测电路8。

本发明还包括高频载波器10、电荷放大器20、滤波放大器30、第三相敏解调模块40及信号放大器50。

高频载波器10的输入端接微机械陀螺的电容，输出端接电荷放大器20及第三相敏解调模块40；电荷放大器20接滤波放大器30，滤波放大器30接第三相敏解调模块40的输入端，第三相敏解调模块40的输出端接信号放大器50，而信号放大器50分别接第一相敏解调模块3及第二相敏解调模块4。

第三相敏解调模块40由相敏解调电路401及低通滤波器402组成，相敏解调电路401的输入端同时接滤波放大器30及高频载波器10，输出端接低通滤波器402；低通滤波器402接信号放大器50。

本发明移相器1、90^o移相器2、第二相敏解调模块4及峰值检测电路8构造为一个反馈控制系统。峰值检测电路8用以检测上述背景技术中式（8）的输出信号幅度值，输出信号幅度值反馈控制移相器1，此移相器1产生第二次解调参考信号V_ref3(t)的相位值。当峰值检测电路8达到最大值时，参考信号V_ref3(t)的相位在移相器1的作用下与输入的角速度信号相位相等，也即ΔΦ等于零。图2中，反馈系统稳定时，ΔΦ等于零，输出V_out7(t)，即式（8）是纯净的正交误差信号；输出信号V_out8(t)中，即式（7）正交误差被完全消除，只剩下同相误差信号与有用角速度信号。

由于当相位误差为零时，用驱动信号进行第二次相敏解调后正交误差被完全消除，输出信号只剩下有用角速度信号与同相误差信号，此时若无角速度信号输入则输出信号就只剩下同相误差信号，若有角速度信号输入则输出信号是有用角速度信号与此同相误差信号的叠加。在无角速度信号输入时用数据存储器7记录下此同相误差信号，在输出端将输出信号减去此同相误差信号，就得到纯净的角速度信号了。

本发明还公开一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法，包括以下步骤：

步骤一，提取输入信号，如图3所示，采用高频载波调制的方法，利用积分器构成电荷放大器，将检测微机械陀螺电容的变化值转变成电压信号，然后经第三相敏解调模块40相敏解调后，得到与检测电容的变化量成正比的电压信号，所述输入信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号。

步骤二，将输入信号输入第一相敏解调模块3及第二相敏解调模块4；同时，驱动信号一路经移相器1输入相敏解调电路31，与输入信号作乘法运算及低通滤波；驱动信号另一路经依次移相器1及90^o移相器2输入相敏解调电路41，与输入信号作乘法运算后，将信号输入低通滤波器42，滤波后的信号输入峰值检测电路8；当峰值检测电路8检测到输入信号的相位误差为零时，反馈控制移相器1，使驱动信号与角速度信号相位相等，驱动信号经移相器1输入相敏解调电路31，与输入信号作乘法运算且经低通滤波器32滤波后的信号为角速度信号及同相误差信号。

步骤三，将经低通滤波器32滤波后的信号同时输入作差电路5及受控开关6；当无角速度信号输入时受控开关6闭合，信号中剩下同相误差信号，经受控开关被数据存储器7保存；有角速度信号输入时受控开关6打开，将含有同相误差信号与角速度信号的信号输入作差电路5，与数据存储器7输出的同相误差信号作差，作差后的信号为角速度信号并作为最终输出信号。

以上所述仅为本发明的一个实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于：包括峰值检测电路、第一相敏解调模块、第二相敏解调模块、移相器、90^o移相器、数据存储器、受控开关以及作差电路；移相器输入端接驱动信号，输出端接90^o移相器及第一相敏解调模块；第一相敏解调模块输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端同时接作差电路及受控开关，受控开关输出端接数据存储器，数据存储器输出端接作差电路；

90^o移相器输出端接第二相敏解调模块，第二相敏解调模块的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端接接峰值检测电路，峰值检测电路输出端接移相器。

2.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于：第一相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器同时接作差电路及受控开关。

3.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于：第二相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接90^o移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器接峰值检测电路。

4.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于：还包括高频载波器、电荷放大器、滤波放大器、第三相敏解调模块及信号放大器；高频载波器的输入端接微机械陀螺的电容，输出端接电荷放大器及第三相敏解调模块；电荷放大器接滤波放大器，滤波放大器接第三相敏解调模块的输入端，第三相敏解调模块的输出端接信号放大器，而信号放大器分别接第一相敏解调模块及第二相敏解调模块。

5.如权利要求4所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于：第三相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接滤波放大器及高频载波器，输出端接低通滤波器；低通滤波器接信号放大器。

6.一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，提取输入信号，所述输入信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号；

步骤二，将输入信号输入第一相敏解调模块及第二相敏解调模块；同时，驱动信号一路经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波；驱动信号另一路依次经移相器及90^o移相器输入第二相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后，将信号输入峰值检测电路；当峰值检测电路检测到输入信号的相位误差为零时，反馈控制移相器，使驱动信号与角速度信号相位相等，驱动信号经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后的信号为角速度信号及同相误差信号；

步骤三，将经第一相敏解调模块后的信号同时输入作差电路及受控开关；当无角速度信号输入时受控开关闭合，信号中剩下同相误差信号，经受控开关被数据存储器保存；有角速度信号输入时受控开关打开，将含有同相误差信号与角速度信号的信号输入作差电路，与数据存储器输出的同相误差信号作差，作差后的信号为角速度信号并作为最终输出信号。