CN106017449B - 一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统 - Google Patents

一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统，包括：包括硅微陀螺结构、驱动闭环电路和开环检测电路，所述硅微陀螺结构包括驱动轴向结构和检测轴向结构；驱动轴向结构和驱动闭环电路组成驱动闭环回路，驱动闭环回路用于保证驱动模态的等效质量沿X轴方向恒幅恒频振动；检测轴向结构依次连接电容电压转换放大电路、开关解调电路和低通滤波器，驱动轴向结构通过相位补偿电路连接至开关解调电路，驱动轴向结构上并联驱动闭环电路；所述开环检测电路包括电容电压转换放大电路、相位补偿电路、开关解调电路和低通滤波器。

Description

一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统
技术领域
本发明涉及常压封装硅微陀螺领域，特别是一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统。
背景技术
微机械陀螺仪不仅在军工、武器装备领域已经得到较为广泛的应用，而且在车载系统、手机通讯、民用导航方面也有着可观的前景，这使得一些中小民营企业异军突起，生产规模也逐渐扩大。由于真空封装技术是提高微机械陀螺性能的重要途径，目前，微机械陀螺的生产大多采用真空封装，而这也大大增加了它的生产成本。为了节约成本、实现批量化生产，大气压下封装陀螺逐渐受到了关注。尽管常压封装技术会降低系统的品质因数，降低陀螺的精度和稳定性，但是通过对测控电路的设计和改进，其基本性能依然可以满足不同用户的使用要求。
硅微陀螺仪的工作原理是：当质量块在X轴方向作稳定的简谐运动时，沿Z轴方向有角速度的输入，则在哥氏效应作用下质量块会受到沿Y轴方向的哥氏力。由哥氏力产生检测方向的振动幅度与角速度的大小呈正比关系。当驱动频率和幅值保持不变时，输入角速度的大小可以作为唯一变量，最终由检测方向的振动幅度表现出来。
当硅微陀螺仪稳定工作，驱动模态(X轴方向)工作在其谐振频率时，驱动模态和检测模态(Y轴方向)的位移可以分别表示为：
式(A1)中，mx和my分别为驱动模态和检测模态的等效质量，其中模态是指结构系统的固有振动特性，ωx、ωy、Qx和Qy分别为驱动和检测模态的谐振频率和品质因数，Ωz为输入角速度，附加相位
由于常压封装硅微陀螺仪的品质因数偏小，因而品质因数不能趋于0，这将对检测方向振动幅度的提取带来一定麻烦，同时，由于品质因数随着温度的改变而变化，在全温过程中，品质因数是时刻改变的，这也会对零偏性能产生较大的影响。
发明内容
发明目的：本发明主要解决的技术问题是从检测电路环节入手，提供一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统。
本发明是通过以下技术方案实现：提供一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统，包括硅微陀螺结构、驱动闭环电路和开环检测电路，
所述硅微陀螺结构包括驱动轴向结构和检测轴向结构，
驱动轴向结构和驱动闭环电路组成驱动闭环回路，驱动闭环回路用于保证驱动模态的等效质量沿X轴方向恒幅恒频振动；其中模态是指结构系统的固有振动特性；
所述开环检测电路包括电容电压转换放大电路、相位补偿电路、开关解调电路和低通滤波器；
检测轴向结构依次连接电容电压转换放大电路、开关解调电路和低通滤波器，驱动轴向结构通过相位补偿电路连接至开关解调电路，驱动轴向结构上并联驱动闭环电路；
所述电容电压转换放大电路用于将检测模态的电容变化量转化为电压信号并进行放大；
所述相位补偿电路用于补偿品质因数较小而产生的附加相位(一般情况下，微机械陀螺采用真空封装品质因数可达到2000～10000，而在常压下封装品质因数不超过500)，使得电容电压转换放大电路输出的待解调信号与驱动轴向结构输出的参考信号始终满足解调相位关系；
所述开关解调电路接入待解调信号与参考信号后将电容电压转换放大电路输出的信号转换成一个直流信号和一个二倍频信号，通过该直流信号提取出角速度信息。
所述低通滤波器用于滤除开关解调电路输出的二倍频信号，保留直流信号。
所述相位补偿电路由运算放大器U1A、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和热敏电阻R5组成。
所述相位补偿电路的输入端和输出端之间依次连接电阻R1、电阻R2和运算放大器U1A，电阻R1和电阻R2之间引出第一支路连接电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R1和电阻R2之间引出第二支路依次连接电阻R4、热敏电阻R5、电容C2和运算放大器U1A的输出端，电阻R1和电阻R2之间引出第三支路经电阻R3连接运算放大器U1A的输出端，热敏电阻R5和电容C2之间引出一支路连接到运算放大器U1A的负输入端，运算放大器U1A的正输入端接地。
所述开关解调电路由反相器32、比较器31和模拟开关33组成，参考信号经过比较器31输出为方波信号，当参考信号在正半周期时，比较器31输出逻辑1电平；当参考信号在负半周期时，比较器31输出逻辑-1电平；待解调信号输入到模拟开关33之前被分成两路：一路直接输出，另一路通过反相器32输出，两路信号同频反相；
当待解调信号为正时，其相位与参考信号相同，此时参考信号输出也为正，作用于模拟开关33，使得待解调信号直接输出为正；当待解调信号为负时，通过反相器32输出为正，此时参考信号输出也为负，作用于模拟开关33，使得待解调信号输出依然为正。
系统的电路输入输出的传递函数表示为：
式(A2)中，G(s)是零初始条件下线性系统响应的拉普拉斯变换与激励量的拉普拉斯变换之比，s是可变复参量，VOUT和VIN分别为该电路的输出和输入电压，R1～R5为电阻R1～R5的电阻值，C1和C2分别为电容C1和C2的电容值，
上述传递函数的截止频率表示为
系统的相移特性表示为：
式(A3)中，为信号通过该系统后产生的附加相移，ω为输入的信号角频率，arctan为反三角函数中的反正切。
有益效果：本发明中采用的相位补偿电路，可以始终满足解调电路的条件，实现相位随温度小范围自适应变化的功能，在全温下，保证待解调信号与参考信号始终满足相位关系，减小正交信号的干扰，提高零偏性能。开关解调电路简单易行，功耗较低，成本小，可以很好的提取出幅值信息，拓展了硅微机械陀螺的应用领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的开环检测电路连接示意图；
图2是本发明的相位补偿电路结构示意图；
图3是本发明的相位补偿电路的温度—相位关系曲线图；
图4是本发明的开关解调电路连接示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种常压封装陀螺的开环检测电路示意图，所述的常压封装硅微陀螺结构10包括驱动轴向结构12和检测轴向结构14，所述的驱动轴向结构12和驱动闭环电路11组成驱动闭环回路，保证所述驱动模态的等效质量沿X轴方向恒幅恒频振动；所述的开环检测电路包括C/V放大电路15、相位补偿电路13、解调电路16和低通滤波器17。所述的C/V放大电路15用于将检测模态的电容变化量转化电压信号并进行放大。所述的相位补偿电路13用于补偿Qy值变小而产生的附加相位，使得待解调信号与参考信号始终满足解调相位关系，特别是在全温范围内，当Qy是时刻改变时，可以补偿动态下的相位。所述的开关解调电路16由反相器32、比较器31和模拟开关33组成，接入待解调信号与参考信号后将电容电压转换放大电路输出的信号转换成一个直流信号和一个二倍频信号，通过该直流信号可提取出角速度信息。所述的低通滤波器17用于滤除解调电路输出的二倍频信号，保留直流信号。
其中，请参阅图2，所述的相位补偿电路由运算放大器U1A，电容C1，电容C2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4和热敏电阻R5组成。连接时，该热敏电阻R5的一端与电阻R4相连接、其另一端则经电阻R1后作为该相位补偿电路的输入端，电阻R2的一端与电阻R1相连接的同时与热敏电阻R5相连接、其另一端则与运算放大器U1A的负极相连接，电容C1的一端与电阻R1相连接的同时与电阻R3相连接、其另一端接地，电阻R3的一端与电阻R2相连接、其另一端则与电容C2相连接的同时作为该相位补偿电路的输出端，电容C2的一端与运算放大器U1A的负极相连、其另一端则与该相位补偿电路的输出端相连接，电阻R4的一端与热敏电阻R5相连接、其另一端与电阻R2相连接，运算放大器U1A的正极接地、其输出端则作为该相位补偿电路的输出端。
本发明中的电路输入输出的传递函数可表示为：
由上述传递函数可知，本发明中的电路实现了低通滤波的作用，其截止频率可表示为
特别是在处理低频小信号的应用中，对相位进行处理的同时，可以抑制大部分的高频干扰信号，其他需要的低频小信号可予以通过。
根据输入输出传递函数，其相移特性可表示为：
当热敏电阻R5选用PTC线性热敏电阻或者NTC线性热敏电阻时，在条件允许的温度范围内，信号通过本发明中的相位补偿电路所产生的相移会随着温度的变化而相应的改变。具体的相移变化量可通过对电路中的关键参数进行匹配而实现。
请参阅图3，本发明的相位补偿电路的温度—相移关系曲线图，其中电路中的热敏电阻R5选用PTC线性热敏电阻。所述坐标轴20的横轴22代表相位补偿电路所处的环境温度，所述坐标轴20的纵轴21代表在横轴22处的温度下，通过所述相位补偿电路产生的相移，曲线23代表所述温度—相移关系曲线，随着温度的增加，相位补偿电路的滞后相位也在随之增大。
请参阅图4，本发明的开关解调电路连接示意图，由反相器32、比较器31和模拟开关33组成，参考信号经过比较器31输出为方波信号，当参考信号在正半周期时，比较器31输出逻辑“1”电平；当参考信号在负半周期时，比较器31输出逻辑“-1”电平。待解调信号输入到模拟开关33之前，被分成两路：一路直接输出，一路则通过反相器32输出，两路信号同频反相。当待解调信号为正时，由于其相位与参考信号相同，此时参考信号输出也为正，作用于模拟开关33，使得待解调信号直接输出为正；而当待解调信号为负时，通过反相器32输出为正，此时参考信号输出也为负，作用于模拟开关33，使得待解调信号输出依然为正。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种提高常压封装硅微陀螺零偏性能的系统，其特征在于，包括硅微陀螺结构、驱动闭环电路和开环检测电路，
所述硅微陀螺结构包括驱动轴向结构和检测轴向结构；
驱动轴向结构和驱动闭环电路组成驱动闭环回路，驱动闭环回路用于保证驱动模态的等效质量沿X轴方向恒幅恒频振动；
检测轴向结构依次连接电容电压转换放大电路、开关解调电路和低通滤波器，驱动轴向结构通过相位补偿电路连接至开关解调电路，驱动轴向结构上并联驱动闭环电路；
所述开环检测电路包括电容电压转换放大电路、相位补偿电路、开关解调电路和低通滤波器；
所述电容电压转换放大电路用于将检测模态的电容变化量转化为电压信号并进行放大；
所述相位补偿电路用于补偿品质因数较小而产生的附加相位，使得电容电压转换放大电路输出的待解调信号与驱动轴向结构输出的参考信号始终满足解调相位关系；
所述开关解调电路接入待解调信号与参考信号后将电容电压转换放大电路输出的信号转换成一个直流信号和一个二倍频信号，通过该直流信号提取出角速度信息；
所述低通滤波器用于滤除开关解调电路输出的二倍频信号，保留直流信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相位补偿电路由运算放大器U1A、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和热敏电阻R5组成。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述相位补偿电路的输入端和输出端之间依次连接电阻R1、电阻R2和运算放大器U1A，电阻R1和电阻R2之间引出第一支路连接电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R1和电阻R2之间引出第二支路依次连接电阻R4、热敏电阻R5、电容C2和运算放大器U1A的输出端，电阻R1和电阻R2之间引出第三支路经电阻R3连接至运算放大器U1A的输出端，热敏电阻R5和电容C2之间引出一支路连接到运算放大器U1A的负输入端，运算放大器U1A的正输入端接地。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述开关解调电路由反相器、比较器和模拟开关组成，参考信号经过比较器输出为方波信号，当参考信号在正半周期时，比较器输出逻辑1电平；当参考信号在负半周期时，比较器输出逻辑-1电平；待解调信号输入到模拟开关之前被分成两路：一路直接输出，另一路通过反相器输出，两路信号同频反相。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，当待解调信号为正时，其相位与参考信号相同，此时参考信号输出也为正，作用于模拟开关，使得待解调信号直接输出为正；当待解调信号为负时，通过反相器输出为正，此时参考信号输出也为负，作用于模拟开关，使得待解调信号输出依然为正。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，系统的电路输入输出的传递函数表示为：
式中，G(s)是零初始条件下线性系统响应的拉普拉斯变换与激励量的拉普拉斯变换之比，s是可变复参量，VOUT和VIN分别为该系统的电路的输出和输入电压，R1～R5为电阻R1～R5的电阻值，C1和C2分别为电容C1和C2的电容值，
上述传递函数的截止频率表示为
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，系统的相移特性表示为：
，
式中，为信号通过系统后产生的附加相移，ω为输入的信号角频率，arctan为反三角函数中的反正切。
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