CN105388315B - 角速度传感器的驱动控制电路 - Google Patents

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角速度传感器的驱动控制电路，属于传感器领域，本发明为解决角速度传感器驱动电路单独采用方波激励、正弦波激励的驱动方式都存在各自缺陷的问题。本发明包括跨阻放大器、检波放大器、PI控制器、低失真乘法器和参考电压源Vref；陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的输入端，跨阻放大器的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器的一个输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器的驱动信号输入端；检波放大器的负值二倍频电压信号输出端通过与叠加参考电压源Vref与PI控制器的输入端连接，PI控制器的输出端连接低失真乘法器的另一个输入端；低失真乘法器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端。

Description

角速度传感器的驱动控制电路
技术领域
本发明涉及一种全新结构的乘法器，利用该乘法器制作的角速度传感器的驱动电路，属于传感器领域。
背景技术
角速度传感器是航天、国防和工业领域中重要的传感器之一，其在飞行器和武器系统中的应用已经日渐广泛。我国近些年对角速度传感器的研究也日趋成熟，随着飞行器和武器系统性能的不断提高，对角速度传感器的各方面性能的要求也不断提高，其驱动环路的低噪声，高稳定性和低失真度是保证角速度传感器高性能的前提条件。
角速度传感器驱动电路的设计普遍采用具有幅值控制功能的自激驱动电路，由于角速度传感器驱动模态具有极高的品质因子Q，所以多数采用方波激励的驱动方式。方波激励的驱动方式在石英角速度敏感元件的起振和驱动电压幅值的调整范围方面有明显的优势，但方波激励的驱动电路会在响应信号中引入相位噪声，同时也会产生驱动频率的奇次谐波分量，使驱动环路中产生较高的噪声，大大降低了驱动环路的信噪比。而正弦波激励的驱动电路建立时间较长，电压幅值调整范围较小，但其在角速度传感器驱动环路建立起稳定的振荡后具有良好的噪声性能。
发明内容
本发明目的是为了解决角速度传感器驱动电路单独采用方波激励、正弦波激励的驱动方式都存在各自缺陷的问题，提供了一种角速度传感器的驱动控制电路。该驱动控制电路采用方波起振，正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，并将输出级常用的比较器用一种新型结构的乘法器替代，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围，噪声性能，建立时间和失真度都有了明显的提升。使得在不增加芯片面积和功耗的前提下，使驱动电路的各方面性能都有显著提高，适用于高精度高稳定性角速度传感器的驱动电路。
本发明所述角速度传感器的驱动控制电路，它包括跨阻放大器、检波放大器、PI控制器、低失真乘法器和参考电压源Vref；
检波放大器的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和PI控制器的输入端，电阻R2的另一端连接参考电压源的正极，参考电压源的负极接地；
陀螺等效电路模型的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端，跨阻放大器的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器的一个输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器的驱动信号输入端；
检波放大器的负值二倍频电压信号输出端通过与叠加参考电压源Vref与PI控制器的输入端连接，PI控制器的输出端连接低失真乘法器的另一个输入端；
低失真乘法器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，低失真乘法器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，低失真乘法器输出正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。
本发明的优点：本发明角速度传感器表头电学等效模型输出信号经过跨阻放大器放大后，形成两条信号通路。一条通过进入检波器对信号幅值进行检波输出，经过PI控制器连接乘法器的一个输入端；另一条信号通路直接连接乘法器的另一个输入端。两条通路经过新型乘法器后得到输出信号，直接输出信号直接反馈到角速度传感器机械结构中，电能转换成势能，使角速度传感器产生稳定的振荡，达到闭环驱动，方波激励，正弦波维持的目的。此驱动电路系统能够使输入范围和信噪比增高，拥有稳定振荡建立时间短，失真度低的特点。
附图说明
图1是本发明所述角速度传感器的驱动控制电路的原理图；
图2是低失真乘法器的具体电路图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述角速度传感器驱动控制电路，它包括跨阻放大器101、检波放大器102、PI控制器103、低失真乘法器104和参考电压源Vref；
检波放大器102的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和PI控制器103的输入端，电阻R2的另一端连接参考电压源的正极，参考电压源的负极接地；
陀螺等效电路模型100的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型100的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器101的微弱正弦激励信号输入端，跨阻放大器101的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器104的一个输入端；跨阻放大器101的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器102的驱动信号输入端；
检波放大器102的负值二倍频电压信号输出端通过与叠加参考电压源Vref与PI控制器103的输入端连接，PI控制器103的输出端连接低失真乘法器104的另一个输入端；
低失真乘法器104的输出端连接陀螺等效电路模型100的驱动端，在起振阶段，低失真乘法器104输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型100的驱动信号；在持续振荡阶段，低失真乘法器104输出正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型100的驱动信号。
参考电压源Vref由带隙基准电压产生。
通过大量模拟仿真发现方波激励的角速度传感器驱动电路能满足驱动幅值的条件和快速起振的条件，而正弦激励的角速度传感器驱动电路又拥有低相位噪声的优点。针对这种特点，本发明设计了一种全新的角速度传感器的驱动控制电路，它主要依靠一种新型乘法器：低失真乘法器104实现了起振阶段通过电路将正弦激励转换为方波激励建立起稳定振荡后在不引入其他多余电路部分的情况下切换为正弦激励方式的功能，并且通过运用该种新结构的低失真乘法器104，使驱动电路的线性度，信噪比和建立时间有了很大的改善。
方波激励的角速度传感器驱动电路建立时间快，因此选择在振荡建立阶段用方波激励方式建立振荡。若角速度传感器驱动控制电路引入相位噪声的驱动频率处的余弦激励信号近似为：
方波激励的角速度传感器驱动电路的冲击灵敏度函数表示为：
式(2)中c0表示频率为零处的电流噪声灵敏度函数的系数，cn表示角速度传感器驱动环路中驱动频率及倍频处的电流噪声灵敏度函数的系数。方波激励的角速度传感器驱动电路中包含奇数次高频谐波，比正弦波激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声电流分量。由公式(1)(2)分析可知正弦激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声电流分量，方波激励的角速度传感器的驱动电路中因相位噪声在驱动信号的偶数次谐波频率处会产生电压噪声的分量。
因此正弦激励方式与方波激励方式相比在相位噪声方面的表现更加优异，对驱动信号的影响也更小。在振荡建立之后，我们选择相位噪声更小，失真度更低的正弦激励方式维持对电路的驱动。
陀螺等效电路模型100的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型100输出微弱正弦激励信号，跨阻放大器101将输入的微弱正弦激励信号放大转换为交流电压驱动信号后输出，该交流电压驱动信号分为两路，一路交流电压驱动信号以差分形式作为低失真乘法器104的一端输入信号，另一路交流电压驱动信号作为检波放大器102输入端的驱动信号；
检波放大器102对输入的驱动信号进行检波处理，检波放大器能够对输入的信号峰值幅值大小进行检测，并以电压形式输出。它可以将输出正弦激励信号整形为新波形信号，新信号以原正弦波半周期波形为一个周期，并且输出电压值时刻为负。此时检波放大器102输出电压值保持为负电压，但由于角速度传感器模型部分还未形成稳定振荡，输出电压的幅值依然很小，该信号幅值随驱动时间增加而增加。
PI控制器103的工作频率在不会影响稳定性的前提下被设计为尽可能的高频。检波放大器102的输出信号与参考电压Vref叠加，作为PI控制器103的输入信号，此信号经过高频的PI控制器103后，被处理为电压幅值很高的直流信号作为低失真乘法器的另一输入路径。
低失真乘法器104将PI控制器103输出的直流电压信号与跨阻放大器101输出的交流驱动信号做乘积运算，低失真乘法器104输出的激励信号作为陀螺等效电路模型100的驱动信号，且在起振阶段，低失真乘法器104输出方波激励信号作为驱动信号；在持续振荡阶段，低失真乘法器104输出正弦波激励信号作为驱动信号。
本实施方式所述低失真乘法器104的结构具有饱和方波输出和非饱和正弦波输出两种输出方式。其具有大输入幅度和低失真度的优点。从跨阻放大器101输出的信号以差分形式连接低失真乘法器104的差分电压信号输入端，从PI控制器103输出的信号连接低失真乘法器104的另一个输入端。当从PI控制器103输出高电压的直流信号，与从跨阻放大器101输出的交流信号做乘积后，输出信号会达到电源电压满幅状态，形成电位在电源高电位和低电位之间切换的方波激励信号。
随着方波激励信号对角速度传感器的驱动，角速度传感器等效电路模型100的输出信号幅度不断增加，跨阻放大器101和检波放大器102输出信号幅度也逐渐增大，而PI控制器103输出直流信号的电压值逐渐减小。PI控制器103输出最后会稳定在一个数值附近，该值大小与Vref和R2的值有关。PI控制器103的输出直流信号与跨阻放大器101输出交流信号通过乘法器后，输出交流信号不再达到电压满幅状态，该信号波形与跨阻放大器101输出信号波形相似。
驱动电路单元在此时达到稳定状态，此后低失真乘法器104输出的正弦激励信号持续驱动角速度传感器，使其达到稳定的振荡状态。驱动电路通过设计一种闭环驱动电路结构并将传统驱动电路中的比较器用低失真乘法器104替换实现了起振阶段转为方波激励，持续振荡阶段变为正弦波激励的目的，减小了振荡建立时间和振荡过程中的相位噪声，满足了低失真度要求。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，低失真乘法器104包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、电阻R3、电阻R4和差分放大器A3；
电阻R3的一端和电阻R4的一端连接，并接地GND；电阻R3的另一端与差分放大器A3反相电压输入端、MOS管M9的负极、MOS管M10的负极的公共节点作为低失真乘法器104的一个电压输出端vout1-；电阻R4的另一端与差分放大器A3同相电压输入端、MOS管M7的负极、MOS管M8的负极的公共节点作为低失真乘法器104的另一个电压输出端vout1+；
差分放大器A3的同相电压输出端连接MOS管M9的控制端vf-，差分放大器A3的反相电压输出端连接MOS管M7的控制端vf+，
MOS管M10的正极连接MOS管M1的负极，MOS管M9的正极同时连接MOS管M2的负极和MOS管M3的负极；
MOS管M8的正极连接MOS管M4的负极，MOS管M7的正极同时连接MOS管M5的负极和MOS管M6的负极；
MOS管M1的正极同时连接MOS管M2的正极、MOS管M3的正极、MOS管M4的正极、MOS管M5的正极和MOS管M6的正极；
MOS管M1、MOS管M3、MOS管M4和MOS管M6的控制端均为control，同时连接PI控制器103的输出端；
MOS管M2和MOS管M5的控制端均为vout11，连接偏置电压源；
MOS管M10的控制端vout8和MOS管M8的控制端vout12连接跨阻放大器101输出的差分形式的交流电压驱动信号。
低失真乘法器104替代传统比较器单元；
输入端输入直流电压值随着驱动信号幅值增大逐渐变小，与跨阻放大器101输出的正弦信号做乘积后，输出信号由满幅值方波逐渐变为与正弦信号波形相同幅值不同的正弦波。
低失真乘法器104的两个输入端分别连接PI控制器103的输出端，和跨阻放大器101的输出端，control控制端通过控制MOS管的开关达到控制乘法器增益的目的，使其具有非线性增益的特点；
Control控制端连接PI控制器103输出端，在驱动回路建立初期输入直流电压高，使MOS管内阻很大，乘法器具有很高的增益，与跨阻放大器101输出的交流小信号相乘后输出近似方波的饱和电压信号；
随PI控制器103输出直流电压信号逐渐变小，control输入端电压变小，MOS管内阻减小，乘法器增益变小，与跨阻放大器101输出的交流正弦小信号相乘后输出为幅度被放大的正弦交流信号；
在低失真乘法器104的输出端连接差分运算放大器分别反馈回vf-和vf+端，该低失真乘法器104具有大输入幅度和低失真度等优点；
当低失真乘法器104输入电压达到动态稳定时，其输出端电压稳定输出正弦电压，反馈回角速度传感器等效电路模型100输入端，系统形成稳定的正弦激励驱动电路。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，跨阻放大器101由运算放大器A1、电容CF和电阻RF组成，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端、电容CF的一端和电阻RF的一端的公共节点作为跨阻放大器101的输入端，电容CF的另一端和电阻RF的另一端的公共节点连接低失真乘法器的一个输入端；运算放大器A1的输出端连接检波放大器102的输入端。
当输入为电流信号时，输出为交流正弦电压信号，分别连接低失真乘法器104和检波放大器102。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，PI控制器103由运算放大器A2、电容Cp1、电阻Rp和电容Cp2组成；运算放大器A2的同相输入端接地，运算放大器A2的反相输入端、电容Cp1的一端和电容Cp2的一端的公共节点作为PI控制器103的输入端；电容Cp2的另一端连接电阻Rp的一端，运算放大器A2的输出端、电容Cp1的另一端和电阻Rp的另一端的公共节点作为PI控制器103的输出端。
PI控制器103接收来自检波放大器102输出信号和参考电压Vref相加后的信号，随驱动电压信号幅值的不断增加，输入PI控制器103的信号幅值逐渐减小，直至电压值反相；PI控制器103输出端输出直流电压信号值在输入信号电压值反相后，逐渐减小，最终当PI控制器103输入电压在零点附近振荡时，输出电压值达到动态稳定，该电压值大小与Vref值和R2值大小有关。

Claims (4)

1.角速度传感器的驱动控制电路，其特征在于，它包括跨阻放大器(101)、检波放大器(102)、PI控制器(103)、低失真乘法器(104)和参考电压源Vref；
检波放大器(102)的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和PI控制器(103)的输入端，电阻R2的另一端连接参考电压源的正极，参考电压源的负极接地；
陀螺等效电路模型(100)的内部由噪声在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型(100)的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器(101)的微弱正弦激励信号输入端，跨阻放大器(101)的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器(104)的一个输入端；跨阻放大器(101)的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器(102)的驱动信号输入端；
检波放大器(102)的负值二倍频电压信号输出端通过叠加参考电压源Vref与PI控制器(103)的输入端连接，PI控制器(103)的输出端连接低失真乘法器(104)的另一个输入端；
低失真乘法器(104)的输出端连接陀螺等效电路模型(100)的驱动端，在起振阶段，低失真乘法器(104)输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号；在持续振荡阶段，低失真乘法器(104)输出正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号。
2.根据权利要求1所述角速度传感器的驱动控制电路，其特征在于，低失真乘法器(104)包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、电阻R3、电阻R4和差分放大器A3；
电阻R3的一端和电阻R4的一端连接，并接地GND；电阻R3的另一端与差分放大器A3反相电压输入端、MOS管M9的负极、MOS管M10的负极的公共节点作为低失真乘法器(104)的一个电压输出端vout1-；电阻R4的另一端与差分放大器A3同相电压输入端、MOS管M7的负极、MOS管M8的负极的公共节点作为低失真乘法器(104)的另一个电压输出端vout1+；
差分放大器A3的同相电压输出端连接MOS管M9的控制端vf-，差分放大器A3的反相电压输出端连接MOS管M7的控制端vf+，
MOS管M10的正极连接MOS管M1的负极，MOS管M9的正极同时连接MOS管M2的负极和MOS管M3的负极；
MOS管M8的正极连接MOS管M4的负极，MOS管M7的正极同时连接MOS管M5的负极和MOS管M6的负极；
MOS管M1的正极同时连接MOS管M2的正极、MOS管M3的正极、MOS管M4的正极、MOS管M5的正极和MOS管M6的正极；
MOS管M1、MOS管M3、MOS管M4和MOS管M6的控制端均为control，同时连接PI控制器(103)的输出端；
MOS管M2和MOS管M5的控制端均为vout11，连接偏置电压源；
MOS管M10的控制端vout8和MOS管M8的控制端vout12连接跨阻放大器(101)输出的差分形式的交流电压驱动信号。
3.根据权利要求1所述角速度传感器的驱动控制电路，其特征在于，跨阻放大器(101)由运算放大器A1、电容CF和电阻RF组成，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端、电容CF的一端和电阻RF的一端的公共节点作为跨阻放大器(101)的输入端，电容CF的另一端和电阻RF的另一端的公共节点连接低失真乘法器的一个输入端；运算放大器A1的输出端连接检波放大器(102)的输入端。
4.根据权利要求1所述角速度传感器的驱动控制电路，其特征在于，PI控制器(103)由运算放大器A2、电容Cp1、电阻Rp和电容Cp2组成；运算放大器A2的同相输入端接地，运算放大器A2的反相输入端、电容Cp1的一端和电容Cp2的一端的公共节点作为PI控制器(103)的输入端；电容Cp2的另一端连接电阻Rp的一端，运算放大器A2的输出端、电容Cp1的另一端和电阻Rp的另一端的公共节点作为PI控制器(103)的输出端。
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