CN103791897A - 促使微机械陀螺快速起振的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械陀螺领域，具体而言，涉及促使微机械陀螺快速起振的电路。该促使微机械陀螺快速起振的电路，包括：激励方波产生电路，用于产生激励方波信号，所述激励方波信号是将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至所述激励方波产生电路后，激励方波产生电路通电后发出的；运算放大电路，用于将所述激励方波信号与驱动轴检测信号进行放大和反向，得到交流驱动信号，所述驱动轴检测信号是检测模块在检测陀螺的驱动轴后发出的；信号调制电路，用于将所述交流驱动信号、直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，产生混合信号。

Description

促使微机械陀螺快速起振的电路

技术领域

本发明涉及微机械陀螺领域，具体而言，涉及促使微机械陀螺快速起振的电路。

背景技术

微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优势，已广泛应用于通讯设备、汽车安全与导航等领域。

现今，用来启动微机械陀螺的驱动电路采用自动增益控制的闭环回路，其作用是使微陀螺在其驱动模态频率处保持恒定幅值的振动。其中包括两个环路，一个环路是基于相位控制的自激励环路，另外一个环路是幅值控制环路。自激励环路中设置了一个90度移相器，使驱动模态谐振频率所处的环路相位为2π，从而在驱动频率处产生自激振荡。幅值控制环路通过实时检测微陀螺驱动模态的振动幅值，利用PID控制器，控制输入驱动电压的大小，从而达到使微陀螺在驱动模态恒幅振动的效果。

由于完全依靠驱动闭环电路自激振荡的方式找到驱动模态频率，驱动轴振动幅度是由小到大的一个渐变过程，常温条件下，该过程需要几秒或十几秒，低Q值(Q值即品质因子，Q值越高，陀螺的灵敏度也就越高)陀螺或高温环境条件下，该过程需要几十秒，甚至不能正常起振。

发明内容

本发明的目的在于提供促使微机械陀螺快速起振的电路，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供促使微机械陀螺快速起振的电路，用于产生使微机械陀螺快速启动的信号，包括：

激励方波产生电路，用于产生激励方波信号，激励方波信号是将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至激励方波产生电路后，激励方波产生电路通电后发出的；

运算放大电路，用于将激励方波信号与驱动轴检测信号进行放大和反向，得到交流驱动信号，驱动轴检测信号是检测模块在检测陀螺的驱动轴后发出的；

信号调制电路，用于将交流驱动信号、直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，产生混合信号。

优选的，运算放大电路包括，第一放大模块和第二放大模块，

第一放大模块用于将激励方波信号与驱动轴检测信号进行叠加，得到正向交流驱动信号；

第二放大模块用于将正向交流驱动信号进行反向，得到反向交流驱动信号。

优选的，第一放大模块包括：连接在激励方波产生电路与第一放大器反相输入端之间的电阻R1，连接在检测信号输入端与第一放大器反相输入端之间的电阻R2，连接于第一放大器反相输入端与第一放大器输出端之间的电阻R3，第二放大器同相输入端输入基准电压VREF。

优选的，第二放大模块包括：连接于第一放大器输出端与第二放大器反相输入端的电阻R4，连接于第二放大器反向输入端与第二放大器输出端的电阻R5，第二放大器同相输入端输入基准电压VREF。

优选的，信号调制电路包括：

串联于第一载波信号输入端与第一放大器输出端之间的电阻R6、电容C1和电阻R8；

串联于第二载波信号输入端与第二放大器输出端之间的电阻R7、电容C2和电阻R9；

串联于第一载波信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R6、电容C1、电容C3；

串联于第二载波信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R7、电容C2、电容C4；

串联于第一放大器输出端与第一驱动端电极的电阻R8、电容C3；

串联于第二放大器输出端与第二驱动端电极的电阻R9、电容C4；

连接在直流信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R10；

连接在直流信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R11。

优选的，第一放大器的放大倍数为2.15倍，第二放大器的放大倍数为1倍。

优选的，激励方波产生电路具体为MCU，且其产生的激励方波信号是以驱动轴中心频率为中心，在±100Hz范围内进行扫频，扫频的时间为1秒，进而发出激励方波信号。

优选的，载波信号幅值为1.45V，频率为800KHz的方波信号。

优选的，第一载波信号输入端输入的第一载波信号与第二载波信号输入端输入的第二载波信号为频率和幅值相同，且相位相反的方波信号。

优选的，第一放大器和第二放大器工作电压为正负2.5V～正负15V，输入电压偏移60uVmax，输入偏置电流2nAmax，共模抑制比120dBmax，压摆率0.7V/us，带宽1.3MHz。

本发明实施例提供的促使微机械陀螺快速起振的电路，与现有技术中的完全依靠驱动闭环电路自激振荡的方式找到驱动模态频率相比，其通过将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至激励方波产生电路，产生的激励方波和驱动轴检测信号进行放大和反向后，再与直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，并将叠加后的信号发送至微机械陀螺驱动端电极，由于施加的叠加后的信号频率与陀螺驱动轴中心谐振频率很接近，因此，在此信号激励作用下，微机械陀螺驱动轴会产生相应的谐振，其谐振信号经过闭环驱动电路产生较大幅值的驱动信号，该驱动信号施加至驱动端电极上，促使陀螺快速达到恒幅值振动状态，有效的加快了微机械陀螺的启动时间。

附图说明

图1示出了本发明实施例的促使微机械陀螺快速起振的电路的电路示意图；

图2示出了本发明实施例的促使微机械陀螺快速起振的电路的运算放大电路原件图；

图3示出了本发明实施例的促使微机械陀螺快速起振的电路的信号调制电路原件图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例的模块连接图，如图1所示的促使微机械陀螺快速起振的电路，用于产生使微机械陀螺快速启动的信号，包括：

激励方波产生电路101，用于产生激励方波信号，激励方波信号是将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至激励方波产生电路101后，激励方波产生电路101通电后发出的；

运算放大电路102，用于将激励方波信号与驱动轴检测信号进行放大和反向，得到交流驱动信号，驱动轴检测信号是检测模块在检测陀螺的驱动轴后发出的；

信号调制电路103，用于将交流驱动信号、直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，产生混合信号。

本电路使用前，需要使用频率响应分析仪对微机械陀螺的驱动轴进行模态测试，从而获取其驱动轴中心频率。将获取到的驱动轴中心频率写入激励方波产生电路101中，具体的激励方波产生电路101优选为MCU(指将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制)，MCU具有如下优势，具有快速简洁的运算能力，能够加快整个电路的处理速度；强大的抗电磁干扰能力，能够在环境较差的工作场合使用；在线烧录和在线调试，同样可以加速处理过程。当微机械陀螺上电启动时，激励方波产生电路101中对应的IO口会产生指定频率的激励方波信号，该激励方波信号是以微机械陀螺驱动轴中心频率为中心进行扫频而产生的方波信号。激励方波产生电路101将该激励方波信号发送至运算放大电路102。

运算放大电路102，在接收到激励方波产生电路101所发送的激励方波信号后，将对陀螺的驱动轴检测后得到的驱动轴检测信号和该激励方波信号进行叠加，得到正向交流驱动信号，其中，驱动轴检测信号是微机械陀螺驱动轴输出的电压信号，经过解调器、低通滤波器、90度移相器、放大器，得到的正弦波信号，其频率是微机械陀螺的驱动轴中心频率、幅值约2.5V～3V；并将该叠加信号进行反向，得到反向交流驱动信号。将进行叠加和反向后得到的正向交流驱动信号和反向交流驱动信号分别发送至信号调制电路103。

信号调制电路103，在接收到叠加信号和反相叠加信号后，将叠加信号和载波信号、直流偏置电压信号进行叠加，并将叠加后的信号发送至微机械陀螺的正向驱动端电极上；同时将反相叠加信号和载波信号、直流电压偏执信号进行叠加，并将叠加后的信号发送至微机械陀螺的反向驱动端电极上。通过将叠加后的两种信号发送至微机械陀螺的两驱动端电极上，进而带动微机械陀螺启动。采用传统方式启动，依靠驱动闭环电路自激振荡的方式来找到驱动频率是一个较为缓慢的过程，由于驱动轴振动的幅度是逐渐变大的，导致其起振的时间通常为数秒至数十秒，低Q值陀螺或高温环境条件下，该过程需要几十秒甚至不能正常起振。而采用本发明所提供的促使微机械陀螺快速起振的电路，通过将激励方波信号和驱动轴检测信号进行叠加和反向后，再与直流偏置电压信号和载波信号进行叠加，并将叠加后的信号发送至驱动端的电极处，由于施加的叠加后的信号频率与陀螺驱动轴中心谐振频率很接近，因此，在此信号激励作用下，微机械陀螺驱动轴会产生相应的谐振，其谐振信号经过闭环驱动电路产生较大幅值的驱动信号，该驱动信号施加至驱动端电极上，促使陀螺快速达到恒幅值振动状态，有效的加快了微机械陀螺的启动时间，经过实际试验和测量，通常启动时间在1秒以内，有效的解决了现有技术中微机械陀螺启动时间过长的问题，尤其使低Q值陀螺或高温环境条件下工作的陀螺的起振速度大大加快。

如图2和图3所示，本发明实施例2在实施例1的基础上还提供了促使微机械陀螺快速起振的电路的具体元件分布，运算放大电路102包括，第一放大模块和第二放大模块，

第一放大模块用于将激励方波信号与驱动轴检测信号进行叠加，得到正向交流驱动信号；

第二放大模块用于将正向交流驱动信号进行反向，得到反向交流驱动信号。

第一放大模块的作用是将由激励方波产生电路101发出的激励方波信号与驱动轴检测信号进行叠加，产生正向交流驱动信号。第二放大模块的作用是将第一放大器所产生的正向交流驱动信号进行反向，进而得到与正向交流驱动信号反向，且增益不变的反向交流驱动信号。

具体的，第一放大模块包括：连接在激励方波产生电路101与第一放大器反相输入端之间的电阻R1，连接在检测信号输入端与第一放大器反相输入端之间的电阻R2，连接于第一放大器反相输入端与第一放大器输出端之间的电阻R3，第二放大器同相输入端输入基准电压VREF。

第二放大模块包括：连接于第一放大器输出端与第二放大器反相输入端的电阻R4，连接于第二放大器反向输入端与第二放大器输出端的电阻R5，第二放大器同相输入端输入基准电压VREF。通过分别将第一放大器和第二放大器同相输入端与基准电压源相连接，是正向交流驱动信号与反向交流驱动信号保持与VREF相等的直流偏置电压。

具体的，信号调制电路103包括：

串联于第一载波信号输入端与第一放大器输出端之间的电阻R6、电容C1和电阻R8；

串联于第二载波信号输入端与第二放大器输出端之间的电阻R7、电容C2和电阻R9；

串联于第一载波信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R6、电容C1、电容C3；

串联于第二载波信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R7、电容C2、电容C4；

串联于第一放大器输出端与第一驱动端电极的电阻R8、电容C3；

串联于第二放大器输出端与第二驱动端电极的电阻R9、电容C4；

连接在直流信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R10；

连接在直流信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R11。

信号调制模块的作用是：将由第一放大器输出的正向交流驱动信号和直流偏置电压信号加载到载波信号上，并将该信号发送至微机械陀螺的驱动端电极上；同时将由第二放大器输出的反向交流信号和直流偏置电压信号加载到载波信号上，并将该信号发送至微机械陀螺的驱动端电极上。第一载波信号输入端和第二载波信号输入端所发出的载波信号是频率和幅值相同，相位方向相反的方波信号。通过分别将正向交流驱动信号和反向交流驱动信号加载到相应的载波信号上，使在加载后的信号不与其他信号发生混叠，且更有利于驱动端电极的接收。而后，通过将直流偏置电压信号再次叠加到已经加载了正向交流驱动信号或加载了反向交流驱动信号的载波信号上，以提供使微机械陀螺敏感结构进行谐振的静电力。

经过测算和实验证明，当第一放大器的放大倍数为2.15倍，第二放大器的放大倍数为1倍时，产生的正向交流驱动信号和反向交流驱动信号能够快速的使微机械陀螺起振。

激励方波产生电路101具体为MCU，且其产生的激励方波信号是以驱动轴中心频率为中心，在±100Hz范围内进行扫频，扫频的时间为1秒，进而发出激励方波信号。以激励方波产生电路101为MCU为例进行说明，MCU发出的激励方波信号是以驱动轴中心频率为轴，±100HZ的范围内进行的扫频，扫频的持续时间至少为1秒。较好的，激励方波信号是以驱动轴中心频率为轴，±50HZ的范围内进行的扫频，扫频的持续时间至少为1秒。

载波信号的频率要远高于加载到载波信号上的信号频率，否则会发生信号的混叠，进而使信号的传输失真。载波信号幅值为1.45V，频率为800KHz的方波信号。可以使在正向交流驱动信号或反向交流驱动信号加载到载波信号后，再在加载上直流偏置电压信号后不会致使正向交流驱动信号和反向交流驱动信号失真。

第一载波信号输入端输入的第一载波信号与第二载波信号输入端输入的第二载波信号为频率和幅值相同，且相位相反的方波信号。此种设置方式可以保证在正向交流驱动信号或反向交流驱动信号加载至载波信号后，所产生的叠加信号的频率和幅值相同，可以使微机械陀螺快速起振。

图2中各元件的具体型号和参数如下：

第一放大器和第二放大器工作电压为正负2.5V～正负15V，输入电压偏移60uVmax，输入偏置电流2nAmax，共模抑制比120dBmax，压摆率0.7V/us，带宽1.3MHz，是双运放集成芯片。

MCU，工作电压2.0～5.5V，系统时钟50MHz，实际工作时钟24MHz，IO输出电压2.5V，激励方波信号由MCU定时器产生，可以通过改变定时器的分频系数来控制激励方波的频率变化。

所有电阻，精度1%，温度系数小于100ppm/℃。

其中，电阻R2、R4、R5阻值为10KΩ，R1阻值为20KΩ，R3阻值为43KΩ。

R6、R7阻值为100Ω-200Ω，R8、R9阻值为10KΩ，R10、R11阻值为100KΩ。

电容C1、C2为100-300pF/C0G，C3、C4为0.1uF/X7R.

上述的MCU、放大器、电阻、电容，只要其指标满足上述规格要求，均可被替代，其强制激励的使用效果不会受影响。

本发明所提供的促使微机械陀螺快速起振的电路，通过将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至激励方波产生电路101，产生的激励方波和驱动轴检测信号进行放大和反向后，再与直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，并将叠加后的信号发送至微机械陀螺驱动端电极，由于施加的叠加后的信号频率与陀螺驱动轴中心谐振频率很接近，因此，在此信号激励作用下，微机械陀螺驱动轴会产生相应的谐振，其谐振信号经过闭环驱动电路产生较大幅值的驱动信号，该驱动信号施加至驱动端电极上，促使陀螺快速达到恒幅值的振动状态，有效的加快了微机械陀螺的启动时间。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，包括：

激励方波产生电路，用于产生激励方波信号，所述激励方波信号是将微机械陀螺驱动轴中心频率发送至所述激励方波产生电路后，激励方波产生电路通电后发出的；

运算放大电路，用于将所述激励方波信号与驱动轴检测信号进行放大和反向，得到交流驱动信号，所述驱动轴检测信号是检测模块在检测陀螺的驱动轴后发出的；

信号调制电路，用于将所述交流驱动信号、直流偏置电压信号、载波信号进行叠加，产生混合信号。

2.根据权利要求1所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述运算放大电路包括，第一放大模块和第二放大模块，

所述第一放大模块用于将所述激励方波信号与所述驱动轴检测信号进行叠加，得到正向交流驱动信号；

所述第二放大模块用于将所述正向交流驱动信号进行反向，得到反向交流驱动信号。

3.根据权利要求2所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述第一放大模块包括：连接在所述激励方波产生电路与第一放大器反相输入端之间的电阻R1，连接在检测信号输入端与第一放大器反相输入端之间的电阻R2，连接于第一放大器反相输入端与第一放大器输出端之间的电阻R3，所述第一放大器同相输入端输入基准电压VREF。

4.根据权利要求3所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述第二放大模块包括：连接于所述第一放大器输出端与第二放大器反相输入端的电阻R4，连接于所述第二放大器反相输入端与第二放大器输出端的电阻R5，所述第二放大器同相输入端输入基准电压VREF。

5.根据权利要求4所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述信号调制电路包括：

串联于第一载波信号输入端与所述第一放大器输出端之间的电阻R6、电容C1和电阻R8；

串联于第二载波信号输入端与所述第二放大器输出端之间的电阻R7、电容C2和电阻R9；

串联于第一载波信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R6、电容C1、电容C3；

串联于第二载波信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R7、电容C2、电容C4；

串联于所述第一放大器输出端与第一驱动端电极的电阻R8、电容C3；

串联于所述第二放大器输出端与第二驱动端电极的电阻R9、电容C4；

连接在直流信号输入端与第一驱动端电极之间的电阻R10；

连接在直流信号输入端与第二驱动端电极之间的电阻R11。

6.根据权利要求5所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述第一放大器的放大倍数为2.15倍，所述第二放大器的放大倍数为1倍。

7.根据权利要求1所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，激励方波产生电路具体为MCU，且其产生的激励方波信号是以所述驱动轴中心频率为中心，在±100Hz范围内进行扫频，所述扫频的时间为1秒，进而发出激励方波信号。

8.根据权利要求1所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述载波信号幅值为1.45V，频率为800KHz的方波信号。

9.根据权利要求5所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述第一载波信号输入端输入的第一载波信号与所述第二载波信号输入端输入的第二载波信号为频率和幅值相同，且相位相反的方波信号。

10.根据权利要求4所述的促使微机械陀螺快速起振的电路，其特征在于，所述第一放大器和所述第二放大器工作电压为正负2.5V～正负15V，输入电压偏移60uVmax，输入偏置电流2nAmax，共模抑制比120dBmax，压摆率0.7V/us，带宽1.3MHz。

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