CN106053958A - 基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试方法及装置，所述装置包括：FPGA控制模块、衰减器、两个混频器和AD采样模块，FPGA控制模块提供参考时钟，经衰减器产生高频正弦信号，两路信号经含有压电陀螺的π网络产生不同频率信号，作为混频器的输入端；混频器产生方波和直流信号，方波送入FPGA相位检测电路，检测π网络两端相位差；直流信号由AD采样模块获得；当两路信号的相位差为零时，即得到压电陀螺的谐振频率。本发明为压电陀螺的等效电路提供了许多重要参数，提高了压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，对压电陀螺的研究具有重要的价值。

Description

基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试法及装置

技术领域

本发明涉及一种压电陀螺的等效电路的测量方法和装置，具体地，涉及一种基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试法及装置。

背景技术

陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，是惯性测量单元(IMU)中的核心器件，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点，使其不仅在航空、航天、船舶等传统工业领域部分替代了传统陀螺仪，而且能够在汽车工业、工业自动化控制、消费电子的姿态稳定控制等市场领域以惊人的速度拓展。

等效电路指的是同一个电路的不同的表示方法。当电路中某一部分用其等效电路代替之后，未被代替的部分电压和电流均不发生变化，也就是说电压和电流不变的部分只是等效部分以外的电路，故称“对外等效”。元件的种类和位置都相同，但是在画电路时有不同的画线方法，就是等效电路。在许多情况下，人们常利用作用的效果相同，来认识和处理复杂的问题。现代电子技术中，在分析一些复杂电路时，人们常常只关注整个电路(或电路的某一部分)的输入、输出关系，即电流和电压的变化关系。这样就可以用一个等效电路代替复杂电路，使问题得到简化。

压电器件等效电路的参数测量方法有传输法、阻抗计法等，其中：传输法是把压电元件插入一个传输线路中，测量整个网络的最大和最小传输频率，从而得到要测量的频率等参数；传输法具有测量方法简单、精确度比较高等优点，在压电材料和压电器件的研制和生产过程中，得到了非常广泛的应用。阻抗计法是最方便的测量方法之一，当测量某一特定频率附近的石英晶体时了预先适当地调整振荡回路电子元件的参数就可以比较精确地测量石英晶体的谐振频率等参数，但测量的精度相对较低。

压电圆盘微陀螺是一种基于科氏加速度效应的微机械振动陀螺，陀螺采用圆盘状的谐振结构，利用压电方式驱动和检测，工作在模态匹配的状态下。该陀螺的特别之处在于该陀螺的工作模态是厚度剪切方向上的振动，且驱动模态和检测模态为振型一样、相位正交的驻波振动。该圆盘表面有多个电极，其中有监测电极，驱动电极，检测电极和平衡电极。为了提高压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，提出一种高可靠性的压电陀螺的等效电路参数的测量方法及装置是十分有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试法及装置，以提高压电圆盘微陀螺在驱动或检测等电路中的可分析性。

根据本发明的一个方面，提供一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，包括：FPGA控制模块、衰减器、第一混频器、第二混频器和AD采样模块，其中：所述FPGA控制模块包括测相电路和DDS控制器；

衰减器，其输入端连接FPGA控制模块，接收FPGA控制模块产生的正弦信号，进行衰减处理，得到衰减信号，并通过输出端将信号传给π网络和第一混频器；

第一混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和衰减器，接收来自DDS控制器的第二高频正弦信号和来自衰减器的衰减信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路；

第二混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和π网络，接收来自DDS控制器的第二高频正弦信号和π网络的输出信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路；

AD采样模块，其输入端连接两个混频器，接收方波信号，将模拟信号转换成数字信号，并通过输出端将该信号传给FPGA控制模块；

FPGA控制模块，其输入端连接两个混频器的输出端，接收两个混频器输出的信号，检测两个方波信号的相位差，同时还接收AD采样模块得到的直流信号，检测该直流信号的电平大小，并且所述FPGA控制模块能够产生高频正弦信号传给衰减器和两个混频器。

优选地，所述FPGA控制模块进一步包括采样系统、状态寄存器和I/O控制器；其中：

采样系统：观察AD采样模块中得到数字信号,并用数字滤波器进行滤波,将二进制的信号数据转化为十进制的信号数据进行存储,最后得到直流信号；

测相电路：测量两个方波信号的相位差；当相位差为零时，FPGA控制模块产生的第一高频正弦信号频率为要得到的结果；

状态寄存器：存储指令地址，以及存储检测到的相位差和直流信号数据；

I/O控制器：对数据和地址端口进行定义。

优选地，所述的π网络为放入压电陀螺的电路网络，由对称的双π型回路组成，三个电阻R1、R2和R3构成输入衰减器，另外三个电阻R4、R5和R6构成输出衰减器，它们的作用是使π网络的阻抗与测量仪表的阻抗相匹配，衰减来自测量装置的反射信号。

本发明中，将压电陀螺置于π网络的三个电阻构成的输入衰减器和输出衰减器的中间，当压电处于谐振状态时，π网络为一个纯电阻网络，其阻抗最小；当两路方波信号的相位差为零时，得到压电陀螺的谐振频率。通过谐振频率，再由测量的电平、频率可计算出被测压电陀螺的等效电路的各个参数。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试方法，所述方法包括如下步骤：

S1：采用FPGA数字合成技术为系统提供参考时钟，经衰减器产生两路高频正弦信号；

S2：两路高频正弦信号经含有压电陀螺的π网络产生不同频率信号，作为两个混频器的输入端，两个混频器产生方波和直流信号；

S3：方波信号送入FPGA控制模块的相位检测电路，检测π网络两端相位差；直流信号由AD采样获得；

S4：当检测到π网络两端相位差为零时，FPFA控制模块产生的高频正弦信号的频率即为压电陀螺等效电路的频率，再由测量得到的直流信号的电平，计算出压电陀螺等效电路中的静态电容、动态电容、动态电阻和动态电阻的值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试法，当两路信号的相位差为零时，得到压电陀螺的谐振频率。通过谐振频率，再由测量的电平、频率可计算出被测压电陀螺的等效电路的各个参数。

本发明的凭借FPGA强大的时序控制能力及数字信号处理，能够快速并且准确地测量压电陀螺等效电路的谐振频率，从而得到等效电路中的静态电容、动态电容、动态电阻和动态电阻的值。同时本发明能够做到高达200MHz测量频率，而普通的阻抗分析仪只能达到1M左右的测量频率。总的来说，本发明的测量精度，测量速度和频率测量范围都领先于现有技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的结构示意图；

图2为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的等效电路的结构示意图；

图3为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的π网络结构示意图；

图4为本发明一实施例基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试法示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图4所示，一种基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试装置，包括：包括：FPGA控制模块、衰减器、第一混频器、第二混频器和AD采样模块，所述FPGA控制模块包括测相电路和DDS控制器；其中：

FPGA控制模块的DDS控制器产生两个高频正弦信号，第一高频正弦信号经衰减器，进入第一混频器和π网络，π网络输出的信号进入第二混频器；第二高频正弦信号直接进入第一混频器和第二混频器，两个混频器产生方波和直流信号，其中：方波送入FPGA控制模块的测相电路，检测π网络两端相位差；直流信号由AD采样模块获得；当两路信号的相位差为零时，即得到压电陀螺的谐振频率。根据测得的直流信号电平的大小计算出压电陀螺等效电路中静态电容，动态电容，动态电阻和动态电阻的值。

具体的，第一混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和衰减器，接收来自由DDS控制器的第二高频正弦信号和来自衰减器的衰减信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路；

第二混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和π网络，接收来自由DDS控制器的第二高频正弦信号和π网络的输出信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路。

在一优选实施例中，所述FPGA控制模块包括采样系统，测相电路，DDS控制器，状态寄存器和I/O控制器；其中：

采样系统：观察AD采样模块中得到数字信号,并用数字滤波器进行滤波，将二进制的信号数据转化为十进制的信号数据进行存储,最后得到直流信号；

测相电路：测量两个方波信号的相位差；当相位差为零时，FPGA控制模块产生的第一高频正弦信号DDS1的频率为要得到的结果；

DDS控制器：为衰减器、两个混频器提供高频的正弦信号；

状态寄存器：存储指令地址，以及存储检测到的相位差和直流信号等数据；

I/O控制器：对数据和地址端口进行定义。

本实施例中，所述的陀螺采用的是压电材料。压电材料在外部力的作用下会产生电场，相反，当该晶体在外加电压作用下会伸展或收缩，这种特性被称为压电效应。压电效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性，从而导致形成电偶极子，在整个晶体内，这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化，从而在材料内部产生电场。只有缺少对称中心的晶体才显现出压电特性。

本发明上述测试装置适用于压电陀螺，如图1所示，在一实施例中，压电陀螺是一种基于科氏加速度效应的微机械振动陀螺，陀螺采用圆盘状的谐振结构，利用压电方式驱动和检测，工作在模态匹配的状态下。该陀螺的特别之处在于该陀螺的工作模态是厚度剪切方向上的振动，且驱动模态和检测模态为振型一样、相位正交的驻波振动。该圆盘表面有多个电极，其中M1，M2，M3为监测电极，Dr1,Dr2,Dr3为驱动电极，S1，S2，S3为检测电极，B1，B2，B3为平衡电极。当然，在其他实施例中也可以是其他类型的压电陀螺。

如图2所示，为现有压电陀螺的等效电路(涵盖上述图1所示的压电陀螺)，所述压电陀螺的等效电路包括一个静态电容C0以及动态电阻R1，动态电感L1和动态电容C1。由动态电容、动态电感和动态电阻串联组成支路，静态电容与这条支路并联。静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。该等效电路是本发明测试进行的基础，最终得到的测试结果就是该等效电路中的电容值、电感值和电阻值。

本发明在测量时，该等效电路等价于压电陀螺，它有两个端口，其中任意一个端口与π网络中的输入衰减器连接，另外一个端口与π网络中的输出衰减器连接，从而形成完整的测量系统。

如图3所示，压电圆盘微陀螺的π网络等相位测试法的基本原理，π网络由对称的双π型回路组成，三个电阻R1，R2和R3构成输入衰减器，另三个电阻R4，R5和R6构成输出衰减器，其中电阻R3位于左边π型回路的上部，电阻R1和电阻R2分布在左边π型回路的两旁，电阻R6位于右边π型回路的上部，电阻R4和电阻R5分布在右边π型回路的两旁，将压电陀螺置于两个π型回路中间。输入衰减器和输出衰减器的作用是使π网络的阻抗与测量仪表的阻抗相匹配，衰减来自测量装置的反射信号，Va为π网络输入矢量电压信号，Vb为输出矢量电压信号。在测量时，通过不断改变Va的频率，并检测Vb的幅值以及Va和Vb的相位差，当Vb幅值达到最大或者相位差为时，π网络处于谐振状态，此时Vb信号的频率就为压电陀螺的串联谐振频率。

在上述测试装置的基础上，一种基于FPGA的压电陀螺等效电路的π网络等相位测试方法，所述方法包括如下步骤：

S1：采用FPGA数字合成技术为系统提供参考时钟，经衰减器产生两路高频正弦信号；

S2：两路高频正弦信号经含有压电陀螺的π网络产生不同频率信号，作为两个混频器的输入端，两个混频器产生方波和直流信号；

S3：方波信号送入FPGA控制模块的相位检测电路，检测π网络两端相位差即两个方波信号的相位差；直流信号由AD采样获得；

S4：当检测到π网络两端相位差为零时，FPFA控制模块产生的高频正弦信号的频率即为压电陀螺等效电路的频率，再由测量得到的直流信号的电平，计算出压电陀螺等效电路中的静态电容、动态电容、动态电阻和动态电阻的值。

上述方法中，两路高频正弦信号：第一高频正弦信号DDS1经衰减器，进入第一混频器和π网络，π网络输出的信号进入第二混频器；第二高频正弦信号DDS2直接进入第一混频器和第二混频器。混频器将两路信号进行混频后分别两个信号，一个为方波，另一个为反映信号幅度的直流信号。

所述测量方法通过FPFA控制模块控制测量频率范围为1至200MHz，对π网络相位差测量数据进行分析与建模，采用迭代法和对分法相结合的快速测量算法。

本发明为压电陀螺的等效电路提供了许多重要参数，提高了压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，对压电陀螺的研究具有重要的价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，其特征在于，包括：FPGA控制模块、衰减器、第一混频器、第二混频器和AD采样模块，其中：所述FPGA控制模块包括测相电路和DDS控制器；

衰减器，其输入端连接FPGA控制模块，接收FPGA控制模块产生的正弦信号，进行衰减处理，得到衰减信号，并通过输出端将信号传给π网络和第一混频器；

第一混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和衰减器，接收来自DDS控制器的第二高频正弦信号和来自衰减器的衰减信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路；

第二混频器，输入端连接FPGA控制模块中的DDS控制器和π网络，接收来自DDS控制器的第二高频正弦信号和π网络的输出信号，进行混频处理，得到直流信号和方波信号，并通过输出端将直流信号传给AD采样模块，将方波信号传给FPGA控制模块中的测相电路；

AD采样模块，其输入端连接两个混频器，接收方波信号，将模拟信号转换成数字信号，并通过输出端将该信号传给FPGA控制模块；

FPGA控制模块，其输入端连接两个混频器的输出端，接收两个混频器输出的信号，检测两个方波信号的相位差，同时还接收AD采样模块得到的直流信号，检测该直流信号的电平大小，并且所述FPGA控制模块能够产生高频正弦信号传给衰减器和两个混频器。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，其特征在于，所述FPGA控制模块进一步包括采样系统、状态寄存器和I/O控制器；其中：

采样系统：观察AD采样模块中得到数字信号,并用数字滤波器进行滤波,将二进制的信号数据转化为十进制的信号数据进行存储,最后得到直流信号；

测相电路：测量两个方波信号的相位差；当相位差为零时，FPGA控制模块产生的第一高频正弦信号频率为要得到的结果；

状态寄存器：存储指令地址，以及存储检测到的相位差和直流信号数据；

I/O控制器：对数据和地址端口进行定义。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，其特征在于，所述的π网络为放入压电陀螺的电路网络，由对称的双π型回路组成，三个电阻R1、R2和R3构成输入衰减器，另外三个电阻R4、R5和R6构成输出衰减器，它们的作用是使π网络的阻抗与测量仪表的阻抗相匹配，衰减来自测量装置的反射信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，其特征在于，将压电陀螺置于π网络的三个电阻构成的输入衰减器和输出衰减器的中间，当压电处于谐振状态时，π网络为一个纯电阻网络，其阻抗最小；当两路方波信号的相位差为零时，得到压电陀螺的谐振频率；通过谐振频率，再由测量的电平、频率可计算出被测压电陀螺的等效电路的各个参数。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试装置，其特征在于，所述装置的测量频率范围为1至200MHz。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述装置的基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：采用FPGA数字合成技术为系统提供参考时钟，经衰减器产生两路高频正弦信号；

S2：两路高频正弦信号经含有压电陀螺的π网络产生不同频率信号，作为两个混频器的输入端，两个混频器产生方波和直流信号；

S3：方波信号送入FPGA控制模块的相位检测电路，检测π网络两端相位差即两个方波信号的相位差，直流信号由AD采样获得；

S4：当检测到π网络两端相位差为零时，FPFA控制模块产生的高频正弦信号的频率即为压电陀螺等效电路的频率，再由测量得到的直流信号的电平，计算出压电陀螺等效电路中的静态电容、动态电容、动态电阻和动态电阻的值。

7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试方法，其特征在于，通过FPFA控制模块控制测量频率范围为1至200MHz，对π网络相位差测量数据进行分析与建模，采用迭代法和对分法相结合的快速测量算法。

8.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的压电陀螺等效电路π网络等相位测试方法，其特征在于，所述方法采用压电陀螺的等效电路，所述压电陀螺的等效电路包括一个静态电容C0以及动态电阻R1，动态电感L1和动态电容C1；由动态电容、动态电感和动态电阻串联组成支路，静态电容与这条支路并联；静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量；

在测量时，该等效电路等价于压电陀螺，它有两个端口，其中任意一个端口与π网络中的输入衰减器连接，另外一个端口与π网络中的输出衰减器连接，从而形成完整的测量系统。