CN103162681A - 用于微机械陀螺的信号检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微机械陀螺的信号检测方法及装置，方法实施步骤如下：1)将原始输出信号转换为电压并解调得到驱动信号；2)获取驱动信号幅值，并转换为同频率的方波信号作为驱动激励信号，根据驱动激励信号将驱动信号幅值经开关调制得到闭环控制信号；3)将闭环控制信号与直流偏置电压、驱动载波信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极，同时将微机械陀螺的原始输出信号进行一次解调、二次解调、滤波放大、调零后输出。装置包括高频载波发生器、电容电压转换模块、驱动信号解调模块、驱动信号幅值控制单元、驱动激励信号生成单元、调制模块、电压加载单元、信号输出单元。本发明具有检测精度高、功耗低、电源接口简单、应用范围广的优点。

Description

用于微机械陀螺的信号检测方法及装置

技术领域

本发明涉及微机械陀螺领域，具体涉及一种用于微机械陀螺的信号检测方法及装置。

背景技术

微机械陀螺是测量物体相对惯性空间旋转运动的装置，已经成为各种惯性系统中必不可少的关键器件。目前，硅微机械陀螺信号检测电路系统的驱动回路中多采用锁相环(Phase-Lock-Loop)完成稳频控制，与幅值控制环节结合，实现微陀螺驱动轴的谐振和振动幅值恒定。锁相环芯片采用双电源供电，以地信号为参考地(GND)信号。但是，这种微陀螺信号检测系统一方面因为锁相环芯片功耗大，增加电路的功耗；另一方面需要外接双电源，提高了对外接电源的要求，限制了微陀螺的应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种检测精度高、功耗低、电源接口简单、应用范围广的用于微机械陀螺的信号检测方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于微机械陀螺的信号检测方法，其实施步骤如下：

1)将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并根据驱动载波信号解调得到驱动信号；

2)对所述驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；对所述驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；在所述驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；

3)将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；同时，将微机械陀螺的原始输出信号转换得到的电压信号依次根据检测载波信号进行一次解调、根据所述驱动激励信号进行二次解调、滤波放大、电位调零后输出。

作为本发明用于微机械陀螺的信号检测方法的进一步改进：

所述步骤2)中在驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号的详细步骤如下：将所述驱动信号幅值和地信号作为两路输入信号输入开关芯片，将所述驱动激励信号作为开关芯片的控制信号输入开关芯片，通过所述开关芯片对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制，得到的信号作为闭环控制信号。

所述步骤3)中将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极的详细步骤如下：将所述闭环控制信号和驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时将反相后的闭环控制信号、反相后的驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极负极；所述驱动载波信号的频率为检测载波信号的频率的整数倍，且所述驱动载波信号的频率大小范围为100KHz～900KHz。

所述步骤3)中根据所述驱动激励信号二次解调的详细步骤如下：将一次解调输出的待解调信号进行反相，将反相后的待解调信号和原始待解调信号分别输入开关芯片的两个输入引脚，通过所述驱动激励信号控制切换开关芯片输出引脚与两个输入引脚之间的连通关系将待解调信号进行解调输出。

本发明还提供一种用于微机械陀螺的信号检测装置，包括高频载波发生器、电容电压转换模块、驱动信号解调模块、驱动信号幅值生成单元、驱动激励信号生成单元、调制模块、电压加载单元和信号输出单元，所述电容电压转换模块将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并输入驱动信号解调模块，所述驱动信号解调模块根据所述高频载波发生器输出的驱动载波信号对输入的电压信号进行解调得到驱动信号；所述驱动信号幅值生成单元对所述驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；所述驱动激励信号生成单元对所述驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；所述调制模块在所述驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；所述电压加载单元将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；所述信号输出单元包括依次相连的一次解调电路、二次解调电路、滤波放大电路和调零电路，所述电容电压转换模块输出的电压信号依次经过一次解调电路根据高频载波发生器输出的检测载波信号进行一次解调、二次解调电路根据所述驱动激励信号生成单元输出的驱动激励信号进行二次解调、滤波放大电路进行滤波放大、调零电路进行电位调零后输出。

作为本发明用于微机械陀螺的信号检测装置的进一步改进：

所述驱动信号幅值生成单元包括整流器、滤波放大器、加法器和PID控制器，所述驱动激励信号生成单元包括串联的积分移相器和比较器，所述调制模块为开关芯片；所述驱动信号解调模块输出的驱动信号依次经过整流器进行整流、滤波放大器进行滤波放大、加法器将其与指定大小的直流电压相加、PID控制器进行PID控制，且所述PID控制器输出的信号与接地信号一起作为调制模块的两路输入信号，同时所述驱动信号解调模块输出的驱动信号依次经过积分移相器进行正交移相、比较器将其与预设的阈值电压进行比较，如果高于预设的阈值电压则比较器输出高电平，否则比较器输出低电平，最终比较器将输出与驱动信号同频率的方波信号作为驱动激励信号输入调制模块；所述调制模块在驱动激励信号的控制下对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制得到闭环控制信号并输出至电压加载单元。

所述电容电压转换模块包括串联的电荷放大器和高通滤波放大器，所述电荷放大器的输入端与微机械陀螺的输出端相连。

所述驱动信号解调模块包括串联的同步解调电路和低通滤波器，所述驱动信号解调模块的同步解调电路基于开关芯片实现，所述开关芯片的控制端与高频载波发生器的驱动载波信号输出端相连，所述开关芯片的两个输入端分别与电容电压转换模块输出的电压信号以及其反相信号相连，所述开关芯片在驱动载波信号的控制下将电容电压转换模块输出的电压信号以及其反相信号轮流切换输出至低通滤波器，所述低通滤波器将输入信号进行低通滤波后输出。

所述电压加载单元包括直流升压模块、第一RC耦合网络模块、第二RC耦合网络模块、第一反相器、第二反相器和第三反相器，所述第一RC耦合网络模块的输入端分别与直流升压模块的正极、调制模块的输出端、高频载波发生器的驱动载波输出端相连，所述第一RC耦合网络模块的输出端与微机械陀螺的驱动电极正极相连，所述第二RC耦合网络模块的输入端分别与直流升压模块的负极相连、通过第一反相器与调制模块的输出端相连、通过第二反相器与高频载波发生器的驱动载波输出端相连，所述第二RC耦合网络模块的输出端与微机械陀螺的驱动电极负极相连；所述高频载波发生器的检测载波输出端与微机械陀螺的检测电极正极相连，且高频载波发生器的检测载波输出端通过第三反相器与微机械陀螺的检测电极负极相连；所述高频载波发生器在将检测载波信号输入微机械陀螺的检测电极正极、将检测载波信号通过第三反相器输入微机械陀螺的检测电极负极时，所述第一RC耦合网络模块将调制模块输出的闭环控制信号和高频载波发生器输出的驱动载波信号、直流升压模块的正极输出的正极性偏置电压三者叠加加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时第二RC耦合网络模块将第一反相器输出的反相后的闭环控制信号、第二反相器输出的反相后的驱动载波信号、直流升压模块的负极输出的负极性偏置电压三者通过RC耦合网络模块叠加加载到微机械陀螺的驱动电极负极。

所述二次解调电路包括90°移相器、过零比较器、反向器、开关解调芯片、低通滤波器，所述开关解调芯片的控制端依次通过过零比较器、90°移相器与驱动信号解调模块输出端相连，所述开关解调芯片的一个输入端直接与一次解调电路相连，所述开关解调芯片的另一个输入端通过反向器与一次解调电路相连，所述开关解调芯片的输出端通过低通滤波器与滤波放大电路相连；所述90°移相器将驱动信号解调模块的输出信号进行90度移相使其相位与检测信号保持一致，所述过零比较器将90°移相器移相后的信号转换为标准方波时钟信号输出至开关解调芯片的控制端；所述反向器将一次解调电路输出的待解调信号进行反相，所述开关解调芯片将反向器输出的反相后的待解调信号和一次解调电路输出的原始待解调信号在过零比较器输出的标准方波时钟信号控制下，切换两个输入引脚的连通关系将待解调信号完成二次解调并依次经过滤波放大电路进行滤波放大、调零电路进行电位调零后输出。

本发明用于微机械陀螺的信号检测方法具有下述优点：

1、本发明将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并根据驱动载波信号解调得到驱动信号，获取驱动信号的幅值得到驱动信号幅值，将驱动信号转换为同频率、相位正交的方波信号作为驱动激励信号，在驱动激励信号的控制下将驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号，将直流偏置电压、驱动载波信号和闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极，驱动微机械陀螺进行简谐稳幅振动。同时将微机械陀螺的原始输出信号根据检测载波信号进行一次解调、根据驱动激励信号二次解调、滤波放大、电位调零后输出，有利于提高微机械陀螺信号检测电路的检测精度，相对传统采用锁相环进行稳频控制的方式降低了微机械陀螺信号检测电路的功耗，对电源接口的要求简单，具有检测精度高、功耗低、电源接口简单、应用范围广的优点。

2、本发明进一步将驱动信号依次进行整流、滤波放大、与指定大小的直流电压叠加、PID控制得到驱动信号幅值，获取驱动信号幅值的方式简单，实现电路简单，能够减小电路体积、功耗低。

3、本发明进一步通过将驱动信号进行正交移相，根据驱动信号的频率将正交移相后的驱动信号经过零比较器，得到与驱动信号同频率、相位正交的方波信号作为驱动激励信号输出；将驱动信号幅值和地信号分别作为开关芯片的两路输入信号输入开关芯片，将驱动激励信号作为开关芯片的控制信号对两路输入信号进行调制得到的信号作为闭环控制信号。生成的闭环控制信号稳定性能好，有利于增强微机械陀螺激励信号的稳定性，保证微机械陀螺稳幅简谐振动、提高输出检测信号精度。

4、本发明进一步将闭环控制信号和驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极正极，将反相后的闭环控制信号、反相后的驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极负极。信号的叠加加载采用RC耦合网络实现，能够有效提升驱动交流信号和直流偏置电压以及高频载波的合成和降低相互直接的干扰，加载电路进一步包括用于提供驱动偏置电压的直流升压模块，通过直流升压模块能够利用较小的电压产生较大的驱动力，提高驱动环路的振动幅值，增大检测环路的信噪比；此外，本发明驱动载波信号的频率进一步为检测载波信号的频率的整数倍，且驱动载波信号的频率大小范围为100KHz～900KHz，通过上述参数选取驱动载波和检测载波的频率，综合考虑了噪声干扰、带宽和频率混叠等因素影响，能有效减少电路的噪声的干扰以及带宽的限制。

5、本发明进一步将二次解调具体实现为将一次解调输出的待解调信号进行反相，将反相后的待解调信号和原始待解调信号分别输入开关芯片的输入引脚，通过驱动激励信号控制开关芯片输出引脚与两个输入引脚的连通关系将待解调信号进行解调输出。能够通过简单的控制电路实现对检测信号中驱动载波中的频率信息的分离，减小电路体积、功耗更低，解调效果好。

本发明用于微机械陀螺的信号检测装置为本发明用于微机械陀螺的信号检测方法相对应的装置，具有与本发明用于微机械陀螺的信号检测方法相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例的框架结构示意图。

图2为本发明实施例中高频载波发生器1的电路示意图。

图3为本发明实施例中高频载波发生器1使用的开关调制技术原理示意图。

图4为本发明实施例中电容电压转换模块2的电路示意图。

图5为本发明实施例中驱动信号解调模块3的电路示意图。

图6为本发明实施例中直流升压模块71的电路示意图。

图7为本发明实施例中第一RC耦合网络模块72的电路示意图。

图8为本发明实施例中二次解调电路82的框架结构示意图。

图9为本发明实施例中90°移相器821的电路示意图。

图10为本发明实施例中过零比较器822的电路示意图。

图11为本发明实施例中开关解调芯片824的电路示意图。

图12为本发明实施例中调零电路84的电路示意图。

图13为本发明实施例中参考电压Vref25的生成电路示意图。

图例说明：1、高频载波发生器；2、电容电压转换模块；3、驱动信号解调模块；4、驱动信号幅值生成单元；41、整流器；42、滤波放大器；43、加法器；44、PID控制器；5、驱动激励信号生成单元；51、积分移相器；52、比较器；6、调制模块；7、电压加载单元；71、直流升压模块；72、第一RC耦合网络模块；73、第二RC耦合网络模块；74、第一反相器；75、第二反相器；76、第三反相器；8、信号输出单元；81、一次解调电路；82、二次解调电路；821、90°移相器；822、过零比较器；823、反向器；824、开关解调芯片；825、低通滤波器；83、滤波放大电路；84、调零电路。

具体实施方式

本实施例用于微机械陀螺的信号检测方法的实施步骤如下：

1)将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并根据驱动载波信号解调得到驱动信号；

2)对驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；对驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；在驱动激励信号的控制下将驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；

3)将直流偏置电压、驱动载波信号和闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；同时，将微机械陀螺的原始输出信号依次根据检测载波信号进行一次解调、根据驱动激励信号进行二次解调、滤波放大、电位调零后输出。

参见前述步骤1)～步骤3)，本实施例将直流偏置电压、驱动载波信号和闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极驱动微机械陀螺进行简谐稳幅振动，同时将微机械陀螺的原始输出信号根据检测载波信号进行一次解调、根据驱动激励信号二次解调、滤波放大、电位调零后输出，有利于提高微机械陀螺信号检测电路的检测精度，相对传统采用锁相环进行稳频控制的方式降低了微机械陀螺信号检测电路的功耗，对电源接口的要求简单，具有检测精度高、功耗低、电源接口简单的优点。

本实施例中，步骤2)中在驱动激励信号的控制下将驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号的详细步骤如下：将驱动信号幅值和地信号作为两路输入信号输入开关芯片，将驱动激励信号作为开关芯片的控制信号输入开关芯片，通过开关芯片对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制，得到的信号作为闭环控制信号。

本实施例中，步骤3)中将直流偏置电压、驱动载波信号和闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极的详细步骤如下：将闭环控制信号和驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时将反相后的闭环控制信号、反相后的驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极负极；驱动载波信号的频率为检测载波信号的频率的整数倍，且驱动载波信号的频率大小范围为100KHz～900KHz。

本实施例中，步骤3)中根据驱动激励信号二次解调的详细步骤如下：将一次解调输出的待解调信号进行反相，将反相后的待解调信号和原始待解调信号分别输入开关芯片的两个输入引脚，通过驱动激励信号控制切换开关芯片输出引脚与两个输入引脚之间的连通关系将待解调信号进行解调输出。如图1所示，本实施例用于微机械陀螺的信号检测装置包括高频载波发生器1、电容电压转换模块2、驱动信号解调模块3、驱动信号幅值生成单元4、驱动激励信号生成单元5、调制模块6、电压加载单元7和信号输出单元8，电容电压转换模块2将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并输入驱动信号解调模块3，驱动信号解调模块3根据高频载波发生器1输出的驱动载波信号对输入的电压信号进行解调得到驱动信号；驱动信号幅值生成单元4对驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；驱动激励信号生成单元5对驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；调制模块6在驱动激励信号的控制下将驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；电压加载单元7将直流偏置电压、驱动载波信号和闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；信号输出单元8包括依次相连的一次解调电路81、二次解调电路82、滤波放大电路83和调零电路84，电容电压转换模块2输出的电压信号依次经过一次解调电路81根据高频载波发生器1输出的检测载波信号进行一次解调、二次解调电路82根据驱动激励信号生成单元5输出的驱动激励信号进行二次解调、滤波放大电路83进行滤波放大、调零电路84进行电位调零后输出。

如图2所示，高频载波发生器1主要由单片机C8051F410/2和开关芯片ADG736BRM组成，通过配置单片机C8051F410/2的内部寄存器，从I/O端口输出两路高频标准方波信号(驱动载波信号Drive+、Drive-；检测载波信号Detect+、Detect-)，利用开关调制技术，将驱动载波信号(Drive+、Drive-)和检测载波信号(Detect+、Detect-)的幅值分别限定在+2.5V和+4.5V。利用高频载波信号将检测质量块微弱电容的变化调制到高频段，可以有效滤除低频噪声，提高输出信号的信噪比。本实施例中将高频载波发生器1输出的驱动载波信号的频率优选为检测载波信号的频率的整数倍，综合考虑噪声干扰、带宽和频率混叠等因素影响，有效减少电路的高频噪声的干扰。本实施例中，检测载波信号的频率为369KHz，驱动载波信号的频率为检测载波信号的频率的2倍，即738KHz。高频载波发生器1使用的开关调制技术原理如图3所示。y(t)是单片机C8051F410/2产生的高频方波信号，作为开关芯片的控制信号，限幅电压值x₁(t)、低电平x₂(t)(GND)作为开关芯片的两个输入信号。控制信号y(t)控制开关芯片ADG736BRM周期进行选通关断，U₀(t)为输出信号(检测载波信号的正信号Detect+和驱动载波信号的正信号Drive+)，U₀(t)的反相信号(检测载波信号的负信号Detect-和驱动载波信号的负信号Drive-)只需要将x₁(t)和x₂(t)交换一下即可，在此不再赘述。本实施例中，微机械陀螺四个电极上的电压分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{d+}=D_d+A_d\sin {\mathrm{\ω}}_{d}t+E_{f1}\sin {\mathrm{\ω}}_{f1}t\\ V_{d-}=D_d-A_d\sin {\mathrm{\ω}}_{d}t-E_{f1}\sin {\mathrm{\ω}}_{f1}t\\ V_{s+}=E_{f2}\sin {\mathrm{\ω}}_{f2}t\\ V_{s-}=-E_{f2}\sin {\mathrm{\ω}}_{f2}t\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，V_d+为驱动电极正极的电压，V_d-为驱动电极负极的电压，V_s+为检测电极正极的电压，V_s-为检测电极负极的电压，D_d为直流升压模块71输出的驱动偏置电压，E_f1sinω_f1t为高频载波发生器1输出的驱动载波信号，E_f2sinω_f2t为高频载波发生器1输出的检测载波信号，A_dsinω_dt为调制模块6输出的闭环控制信号。

如图4所示，电容电压转换模块2包括串联的电荷放大器AD8066和高通滤波放大器，用于将微机械陀螺输出的微弱电容信号转换为电压信号以方便后续检测电路处理，电荷放大器AD8066的输入端与微机械陀螺的输出端(输出的微弱电容信号位Cout)相连，电荷放大器AD8066输出信号Vch的输出电压为：

$V_{\mathrm{ch}}=-\frac{V_{d+}{C}_{d+}{+V}_{d-}{C}_{d-}{+V}_{s+}{C}_{s+}{+V}_{s-}{C}_{s-}}{C_f}{+V}_{\mathrm{noise}}---\left(2\right)$

式(2)中，C_d+和C_d-分别为微机械陀螺驱动轴的两个电容值，C_s+和C_S-分别为微机械陀螺检测轴的两个电容值，C_f为电容电压转换模块2的电荷放大器中电容C_f的电容值，V_noise为电容电压转换模块2中电荷放大器的输出噪声。将式(1)代入式(2)，令驱动轴振动信号ΔC_d＝C_d+-C_d-，检测轴振动信号ΔC_s＝C_s+-C_s-，则电容电压转换模块2的输出电压V_ch转换为式(3)。

$V_{\mathrm{ch}}=-\frac{D_d(C_{d+}+C_{d-})}{C_f}-\frac{A_d\sin {\mathrm{\ω}}_{d}t}{C_f}\mathrm{\Δ}{C}_d-\frac{E_{f1}\sin {\mathrm{\ω}}_{f1}t}{C_f}\mathrm{\Δ}{C}_d-\frac{E_{f2}\sin {\mathrm{\ω}}_{f2}t}{C_f}\mathrm{\Δ}{C}_s+V_{\mathrm{noise}}---\left(3\right)$

A_dsinω_dt为调制模块6输出的闭环控制信号，E_f1sinω_f1t为高频载波发生器1输出的驱动载波信号，E_f2sinω_f2t为高频载波发生器1输出的检测载波信号。电荷放大器的输出电压经过高通滤波放大器进行高通滤波和放大后得到电压信号Vhf。电压信号Vhf的电压大小V_hf如式(4)所示。

$V_{\mathrm{hf}}=-\frac{K_H{E}_{f1}{\sin \mathrm{\ω}}_{f1}t}{C_f}{\mathrm{\ΔC}}_d-\frac{K_H{E}_{f2}{\sin \mathrm{\ω}}_{f2}t}{C_f}{\mathrm{\ΔC}}_s---\left(4\right)$

式(4)中，K_H为高通滤波放大器的增益，E_f1sinω_f1t为高频载波发生器1输出的驱动载波信号，E_f2sinω_f2t为高频载波发生器1输出的检测载波信号，C_f为电容电压转换模块2的电荷放大器中电容C_f的电容值。ΔC_d和ΔC_s分别与微陀螺驱动模态和检测模态的振动成比例，当输入角速度恒定时，ΔC_d和ΔC_s的频率均为ω_d。驱动轴振动信号ΔC_d被调制到了ω_f1处，检测轴振动信号ΔC_s被调制到了ω_f2处。电荷放大器的输出噪声主要为低频噪声，经过高通滤波器后，基本被滤除，从而有效减小了电荷放大器输出噪声的影响。

如图5所示，本实施例中驱动信号解调模块3包括串联的同步解调电路和低通滤波器，同步解调电路基于开关芯片ADG736BRM实现并采用开关解调技术，开关芯片的控制端与高频载波发生器1的驱动载波信号输出端相连，开关芯片的两个输入端分别与电容电压转换模块2输出的电压信号以及其反相信号相连，开关芯片在驱动载波信号的控制下将电容电压转换模块2输出的电压信号以及其反相信号轮流切换输出至低通滤波器，低通滤波器将输入信号进行低通滤波后输出。高频载波发生器1的单片机C8051F410/2产生的驱动载波信号作为开关芯片ADG736BRM的开关控制信号y(t)，电容电压转换模块2输出的电压信号Vhf(其电压大小V_hf如式(4)所示)以及其反相信号Vhf_N(其电压大小V_hf_N为式(4)的反相信号)作为两路输入信号。开关芯片ADG736BRM的6号引脚输出的电压信号经低通滤波器进行低通滤波后输出驱动信号VHdrive，如式(5)所示。

$\mathrm{VHdrive}=\mathrm{LPF}\{V_{\mathrm{hf}}*E_{f1}{\sin \mathrm{\ω}}_{f1}t\}=-\frac{K_H{E}_{f1}^2}{{2C}_f}{\mathrm{\ΔC}}_d---\left(5\right)$

式(5)中，V_hf为电容电压转换模块2中高通滤波放大器的输出电压信号，E_f1sinω_f1t为高频载波发生器1输出的驱动载波信号，K_H为电容电压转换模块2中高通滤波放大器的放大倍数，E_f1为驱动信号载波的幅值，ΔC_d为驱动轴振动信号，C_f为电容电压转换模块2的电荷放大器中电容C_f的电容值。

如图1所示，驱动信号幅值生成单元4包括整流器41、滤波放大器42、加法器43和PID控制器44，驱动激励信号生成单元5包括串联的积分移相器51和比较器52，调制模块6为开关芯片；驱动信号解调模块3输出的驱动信号依次经过整流器41进行整流、滤波放大器42进行滤波放大、加法器43将其与指定大小的直流电压相加、PID控制器44进行PID控制，且PID控制器44输出的信号与接地信号一起作为调制模块6的两路输入信号，同时驱动信号解调模块3输出的驱动信号依次经过积分移相器51进行正交移相、比较器52将其与预设的阈值电压进行比较，如果高于预设的阈值电压则比较器52输出高电平，否则比较器52输出低电平，最终比较器52将输出与驱动信号同频率的方波信号作为驱动激励信号输入调制模块6；调制模块6在驱动激励信号的控制下对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制得到闭环控制信号并输出至电压加载单元7。

如图1所示，驱动信号幅值生成单元4包括整流器41、滤波放大器42、加法器43和PID控制器44，整流器41的输入端与驱动信号解调模块3相连，整流器41的输出端与滤波放大器42相连，加法器43的一个输入引脚与滤波放大器42相连，加法器43的另一个输入引脚与指定大小的直流电压相连，加法器43的输出端通过PID控制器44与调制模块6的一个输入端相连，调制模块6的另一个输入端接地，驱动信号解调模块3输出的驱动信号依次经过整流器41进行整流、滤波放大器42进行滤波放大、加法器43将其与指定大小的直流电压叠加、PID控制器44进行PID控制被转换为驱动信号幅值和接地信号一起作为两路待调制的信号输出至调制模块6；驱动激励信号生成单元5包括串联的积分移相器51和比较器52，积分移相器51的输入端与驱动信号解调模块3相连，比较器52与调制模块6的控制端相连，积分移相器51将驱动信号进行正交移相，比较器52根据驱动信号的频率将积分移相器51输出的正交移相后的驱动信号与预设的阈值电压进行比较，如果高于预设的阈值电压则转换为高电平，否则转换为低电平，得到与驱动信号同频率的方波信号作为驱动激励信号输出至调制模块6；调制模块6为开关芯片，调制模块6的控制端与比较器52的输出端相连，调制模块6的一个输入端与PID控制器44相连，调制模块6的另一个输入端接地，调制模块6将PID控制器44输入的驱动信号幅值和接地信号分别作为开关芯片的两路输入信号，调制模块6在比较器52输出的驱动激励信号作为开关芯片的控制信号控制下，对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制，并将得到的信号作为闭环控制信号输出至电压加载单元7。

如图1所示，电压加载单元7包括直流升压模块71、第一RC耦合网络模块72、第二RC耦合网络模块73、第一反相器74、第二反相器75和第三反相器76，第一RC耦合网络模块72的输入端分别与直流升压模块71的正极、调制模块6的输出端、高频载波发生器1的驱动载波输出端相连，第一RC耦合网络模块72的输出端与微机械陀螺的驱动电极正极相连，第二RC耦合网络模块73的输入端分别与直流升压模块71的负极相连、通过第一反相器74与调制模块6的输出端相连、通过第二反相器75与高频载波发生器1的驱动载波输出端相连，第二RC耦合网络模块73的输出端与微机械陀螺的驱动电极负极相连；高频载波发生器1的检测载波输出端与微机械陀螺的检测电极正极相连，且高频载波发生器1的检测载波输出端通过第三反相器76与微机械陀螺的检测电极负极相连；高频载波发生器1在将检测载波信号输入微机械陀螺的检测电极正极、将检测载波信号通过第三反相器76输入微机械陀螺的检测电极负极时，第一RC耦合网络模块72将调制模块6输出的闭环控制信号和高频载波发生器1输出的驱动载波信号、直流升压模块71的正极输出的正极性偏置电压三者叠加加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时第二RC耦合网络模块73将第一反相器74输出的反相后的闭环控制信号、第二反相器75输出的反相后的驱动载波信号、直流升压模块71的负极输出的负极性偏置电压三者通过RC耦合网络模块叠加加载到微机械陀螺的驱动电极负极。本发明的电压加载单元7的第一RC耦合网络模块72、第二RC耦合网络模块73采用RC耦合网络实现，能够有效提升驱动交流信号和直流偏置电压以及高频载波的合成和降低相互直接的干扰，加载电路进一步包括用于提供驱动偏置电压的直流升压模块，通过直流升压模块能够利用较小的电压产生较大的驱动力，提高驱动环路的振动幅值，增大检测环路的信噪比。

如图6所示，直流升压模块71基于DC-DC芯片LT8410实现，DC-DC芯片LT8410的8号引脚通过电阻R1接地，DC-DC芯片LT8410的7号引脚通过电阻R2、电阻R1接地，同时DC-DC芯片LT8410的7号引脚通过0.1uF的电容接地，2号引脚VCC输入电压为+5V，5号引脚的输出电压信号VDC的大小V_out如式(6)所示。

$V_{\mathrm{out}}=\frac{R_1}{R_1+R_2}*39.33475V---\left(6\right)$

式(6)中，R₁为图4中电阻R1的电阻值大小，R₂为图4中电阻R2的电阻值大小。

本实施例通过直流升压模块71为驱动微机械陀螺的质量块提供驱动直流偏置电压，其输出电压直接决定检测环路输出的大小，直流升压模块71能够利用较小的电压产生较大的驱动力，提高驱动环路的振动幅值，增大检测环路的信噪比。

如图7所示，第一RC耦合网络模块72由电阻和电容构成，直流升压模块71输出的直流偏置电压VDC通过100K的电阻直接与输出端(输出信号为Excitation)相连；高频载波发生器1输出的驱动载波信号SW_Driver依次通过220pF的电容、0.1uF的电容与输出端(Excitation)相连；调制模块6输出的闭环控制信号Vd(t)依次通过10K电阻、0.1uF的电容与输出端(Excitation)相连，第一RC耦合网络模块72将高频载波发生器输出驱动载波信号SW_Driver、调制模块6输出的闭环控制信号Vd(t)和直流升压模块71输出的直流偏置电压VDC通过组成滤波网络将三者组合起来加载到微陀螺的驱动电极。第二RC耦合网络模块73的结构与第一RC耦合网络模块72结构相同，其区别点为输入信号为上述输入信号的反相信号，在此不再赘述。

如图1所示，信号输出单元8包括依次相连的一次解调电路81、二次解调电路82、滤波放大电路83和调零电路84。本实施例中，一次解调电路81类似于驱动信号解调模块3，同样包括串联的同步解调电路和低通滤波器，一次解调电路81的同步解调电路将高频载波发生器1中单片机C8051F410/2产生的检测载波信号作为同步解调电路的开关控制信号，一次解调电路81的同步解调电路将电容电压转换模块2输出的电压信号V_hf以及其反相信号V_hf_N作为两路输入信号。经低通滤波器进行低通滤波后输出电压Vde：

$\mathrm{Vde}=\mathrm{LPF}\{V_{\mathrm{hf}}*E_{f2}{\sin \mathrm{\ω}}_{f2}t\}=-\frac{K_H{E}_{f2}^2}{{2C}_f}{\mathrm{\ΔC}}_s---\left(7\right)$

式(7)中，Vde为一次解调电路81的同步解调电路的输出信号，V_hf为电容电压转换模块2中高通滤波放大器输出的电压信号，E_f2sinω_f2t为高频载波发生器1输出的检测载波信号，K_H为电容电压转换模块2中高通滤波放大器的放大倍数，E_f2为检测载波信号的幅值，C_f为电容电压转换模块2的电荷放大器中电容C_f的电容值，ΔC_s为检测轴振动信号。

由式(5)和式(7)可知，驱动信号解调模块3的输出电压VHdrive和一次解调电路81的输出电压Vde分别与微陀螺驱动电容差和检测电容差成正比，从而实现了微机械陀螺中两对差分电容的分离检测。

如图8所示，本实施例中二次解调电路82包括90°移相器821、过零比较器822、反向器823、开关解调芯片824和低通滤波器825。开关解调芯片824的控制端依次通过过零比较器822、90°移相器821与驱动信号解调模块3输出端相连，开关解调芯片824的一个输入端直接与一次解调电路81相连，开关解调芯片824的另一个输入端通过反向器823与一次解调电路81相连，开关解调芯片824的输出端通过低通滤波器825与滤波放大电路83相连；90°移相器821将驱动信号解调模块3的输出信号进行90度移相使其相位与检测信号保持一致，过零比较器822将90°移相器821移相后的信号转换为标准方波时钟信号输出至开关解调芯片824的控制端；反向器823将一次解调电路81输出的待解调信号进行反相，开关解调芯片824将反向器823输出的反相后的待解调信号和一次解调电路81输出的原始待解调信号在过零比较器822输出的标准方波时钟信号控制下切换两个输入引脚的连通关系将待解调信号完成二次解调，并依次经过滤波放大电路83进行滤波放大、调零电路84进行电位调零后输出。

如图9所示，90°移相器821采用90°积分移相器模块电路，基于高精度、高带宽的运算放大器OP4277实现，运算放大器OP4277用于将驱动信号VHdrive移相90°后得到反相后的驱动信号Vdrive_90并输出，从而和检测输出信号的相位保持一致，以完成二次解调功能。

如图10所示，过零比较器822基于比较器LM211实现，过零比较器822用于将反相后的驱动信号Vdrive_90转换为方波信号Vdclock，以用于二次解调中的解调控制。

如图11所示，开关解调芯片824采用ADG719BRT芯片实现，ADG719BRT芯片的1号引脚作为控制端与过零比较器822的输出端(输出信号为方波信号Vdclock)相连，ADG719BRT芯片的6号引脚与一次解调电路81的输出端相连(相当于输入信号Vde)，ADG719BRT芯片的4号引脚通过反向器823与一次解调电路81的输出端相连(相当于输入信号Vde-)，ADG719BRT芯片的5号引脚则为输出引脚，开关解调芯片824轮流切换输入信号Vde和Vde-的输出，最终得到经过开关调制后的输出信号Vde2并输出。

如图12所示，调零电路84主要由比较器AD8574ARM构成，比较器AD8574ARM的2号引脚通过电阻R1与Vref25参考电压相连，比较器AD8574ARM的3号引脚通过电阻R2与滤波放大电路83输出引脚(输出信号为Vde3)相连，比较器AD8574ARM的输出端通过电阻R3与2号引脚相连作为反馈，同时将最终检测得到的角速度信号OUTPUT通过3号引脚输出。

参见图12可知，调零电路84的OUTPUT引脚的输出电压V_OUT为;

$V_{\mathrm{OUT}}=R3(\frac{\mathrm{Vde}3}{R2}-\frac{\mathrm{Vref}25}{R1})---\left(8\right)$

当R1＝R2时，

其中V_ref25为电源输出的参考电压，从而将输出的零位从2.5V参考电源地降低至输入地(GND)，有效的改善微机械陀螺的零位，减小微机械陀螺的输出信号的随机漂移，而且可以降低参考地信号2.5V的温度影响。

如图13所示，参考电压Vref25基于精准电源芯片ADR03BKS实现，精准电源芯片ADR03BKS的3号引脚(Vin)与单电源接口相连实现5V供电；精准电源芯片ADR03BKS的4号引脚(VOUT)输出2.5V参考电压Vref25。本实施例通过调零电路84能够将信号输出单元输出零位从+2.5V参考零位修正到标准输入地(GND)，从而避免参考电源2.5V因温漂对电路系统，最终对微机械陀螺的零偏输出带来的影响，输出的检测信号更加精确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于微机械陀螺的信号检测方法，其特征在于实施步骤如下：

1)将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并根据驱动载波信号解调得到驱动信号；

2)对所述驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；对所述驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；在所述驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；

3)将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；同时，将微机械陀螺的原始输出信号转换得到的电压信号依次根据检测载波信号进行一次解调、根据所述驱动激励信号进行二次解调、滤波放大、电位调零后输出。

2.根据权利要求1所述的用于微机械陀螺的信号检测方法，其特征在于，所述步骤2)中在驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号的详细步骤如下：将所述驱动信号幅值和地信号作为两路输入信号输入开关芯片，将所述驱动激励信号作为开关芯片的控制信号输入开关芯片，通过所述开关芯片对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制，得到的信号作为闭环控制信号。

3.根据权利要求1所述的用于微机械陀螺的信号检测方法，其特征在于，所述步骤3)中将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极的详细步骤如下：将所述闭环控制信号和驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时将反相后的闭环控制信号、反相后的驱动载波信号、直流偏置电压三者通过RC耦合网络模块加载到微机械陀螺的驱动电极负极；所述驱动载波信号的频率为检测载波信号的频率的整数倍，且所述驱动载波信号的频率大小范围为100KHz～900KHz。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于微机械陀螺的信号检测方法，其特征在于，所述步骤3)中根据所述驱动激励信号二次解调的详细步骤如下：将一次解调输出的待解调信号进行反相，将反相后的待解调信号和原始待解调信号分别输入开关芯片的两个输入引脚，通过所述驱动激励信号控制切换开关芯片输出引脚与两个输入引脚之间的连通关系将待解调信号进行解调输出。

5.一种用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于，包括高频载波发生器(1)、电容电压转换模块(2)、驱动信号解调模块(3)、驱动信号幅值生成单元(4)、驱动激励信号生成单元(5)、调制模块(6)、电压加载单元(7)和信号输出单元(8)，所述电容电压转换模块(2)将微机械陀螺的原始输出信号转换为电压并输入驱动信号解调模块(3)，所述驱动信号解调模块(3)根据所述高频载波发生器(1)输出的驱动载波信号对输入的电压信号进行解调得到驱动信号；所述驱动信号幅值生成单元(4)对所述驱动信号采用整流滤波获取驱动信号幅值；所述驱动激励信号生成单元(5)对所述驱动信号采用正交移相与过零比较器的方法获取与驱动信号同频、相位正交的方波作为驱动激励信号；所述调制模块(6)在所述驱动激励信号的控制下将所述驱动信号幅值与地信号进行开关调制得到闭环控制信号；所述电压加载单元(7)将直流偏置电压、驱动载波信号和所述闭环控制信号一起加载到微机械陀螺的驱动电极；所述信号输出单元(8)包括依次相连的一次解调电路(81)、二次解调电路(82)、滤波放大电路(83)和调零电路(84)，所述电容电压转换模块(2)输出的电压信号依次经过一次解调电路(81)根据高频载波发生器(1)输出的检测载波信号进行一次解调、二次解调电路(82)根据所述驱动激励信号生成单元(5)输出的驱动激励信号进行二次解调、滤波放大电路(83)进行滤波放大、调零电路(84)进行电位调零后输出。

6.根据权利要求5所述的用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于：所述驱动信号幅值生成单元(4)包括整流器(41)、滤波放大器(42)、加法器(43)和PID控制器(44)，所述驱动激励信号生成单元(5)包括串联的积分移相器(51)和比较器(52)，所述调制模块(6)为开关芯片；所述驱动信号解调模块(3)输出的驱动信号依次经过整流器(41)进行整流、滤波放大器(42)进行滤波放大、加法器(43)将其与指定大小的直流电压相加、PID控制器(44)进行PID控制，且所述PID控制器(44)输出的信号与接地信号一起作为调制模块(6)的两路输入信号，同时所述驱动信号解调模块(3)输出的驱动信号依次经过积分移相器(51)进行正交移相、比较器(52)将其与预设的阈值电压进行比较，如果高于预设的阈值电压则比较器(52)输出高电平，否则比较器(52)输出低电平，最终比较器(52)将输出与驱动信号同频率的方波信号作为驱动激励信号输入调制模块(6)；所述调制模块(6)在驱动激励信号的控制下对两路输入信号进行开关连通状态切换实现信号调制得到闭环控制信号并输出至电压加载单元(7)。

7.根据权利要求6所述的用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于：所述电容电压转换模块(2)包括串联的电荷放大器和高通滤波放大器，所述电荷放大器的输入端与微机械陀螺的输出端相连。

8.根据权利要求7所述的用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于：所述驱动信号解调模块(3)包括串联的同步解调电路和低通滤波器，所述驱动信号解调模块(3)的同步解调电路基于开关芯片实现，所述开关芯片的控制端与高频载波发生器(1)的驱动载波信号输出端相连，所述开关芯片的两个输入端分别与电容电压转换模块(2)输出的电压信号以及其反相信号相连，所述开关芯片在驱动载波信号的控制下将电容电压转换模块(2)输出的电压信号以及其反相信号轮流切换输出至低通滤波器，所述低通滤波器将输入信号进行低通滤波后输出。

9.根据权利要求8所述的用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于：所述电压加载单元(7)包括直流升压模块(71)、第一RC耦合网络模块(72)、第二RC耦合网络模块(73)、第一反相器(74)、第二反相器(75)和第三反相器(76)，所述第一RC耦合网络模块(72)的输入端分别与直流升压模块(71)的正极、调制模块(6)的输出端、高频载波发生器(1)的驱动载波输出端相连，所述第一RC耦合网络模块(72)的输出端与微机械陀螺的驱动电极正极相连，所述第二RC耦合网络模块(73)的输入端分别与直流升压模块(71)的负极相连、通过第一反相器(74)与调制模块(6)的输出端相连、通过第二反相器75与高频载波发生器(1)的驱动载波输出端相连，所述第二RC耦合网络模块(73)的输出端与微机械陀螺的驱动电极负极相连；所述高频载波发生器(1)的检测载波输出端与微机械陀螺的检测电极正极相连，且高频载波发生器(1)的检测载波输出端通过第三反相器(76)与微机械陀螺的检测电极负极相连；所述高频载波发生器(1)在将检测载波信号输入微机械陀螺的检测电极正极、将检测载波信号通过第三反相器(76)输入微机械陀螺的检测电极负极时，所述第一RC耦合网络模块(72)将调制模块(6)输出的闭环控制信号和高频载波发生器(1)输出的驱动载波信号、直流升压模块(71)的正极输出的正极性偏置电压三者叠加加载到微机械陀螺的驱动电极正极，同时第二RC耦合网络模块(73)将第一反相器(74)输出的反相后的闭环控制信号、第二反相器(75)输出的反相后的驱动载波信号、直流升压模块(71)的负极输出的负极性偏置电压三者通过RC耦合网络模块叠加加载到微机械陀螺的驱动电极负极。

10.根据权利要求9所述的用于微机械陀螺的信号检测装置，其特征在于：所述二次解调电路(82)包括90°移相器(821)、过零比较器(822)、反向器(823)、开关解调芯片(824)、低通滤波器(825)，所述开关解调芯片(824)的控制端依次通过过零比较器(822)、90°移相器(821)与驱动信号解调模块(3)输出端相连，所述开关解调芯片(824)的一个输入端直接与一次解调电路(81)相连，所述开关解调芯片(824)的另一个输入端通过反向器(823)与一次解调电路(81)相连，所述开关解调芯片(824)的输出端通过低通滤波器(825)与滤波放大电路(83)相连；所述90°移相器(821)将驱动信号解调模块(3)的输出信号进行90度移相使其相位与检测信号保持一致，所述过零比较器(822)将90°移相器(821)移相后的信号转换为标准方波时钟信号输出至开关解调芯片(824)的控制端；所述反向器(823)将一次解调电路(81)输出的待解调信号进行反相，所述开关解调芯片(824)将反向器(823)输出的反相后的待解调信号和一次解调电路(81)输出的原始待解调信号在过零比较器(822)输出的标准方波时钟信号控制下，切换两个输入引脚的连通关系将待解调信号完成二次解调并依次经过滤波放大电路(83)进行滤波放大、调零电路(84)进行电位调零后输出。

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