CN106092145A - 一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置 - Google Patents

一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，包括依次连接的表头板1，第一接插件2，屏蔽线7，第二接插件3，信号处理板4，供电引脚5，关键测试信号引脚6。本发明使得当有大批量的硅微机械陀螺需要进行测试的时候，不需要每次都重新焊接表头，只需要对表头板进行更换即可，从而方便对大批量陀螺关键信号的测试以及对板子的调试。

Description

一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置
技术领域
本发明涉及一种陀螺测控装置，特别是一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置。
背景技术
硅微陀螺仪是一类用于测量运动物体的姿态或转动角速度的传感器，无论在军事还是在民用方面，都发挥着巨大的作用。硅微角速率传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低、可批量生产、易于与电子线路集成等等优点，使其在高精度炮弹、炮弹的惯性导航系统、平衡车，日常电子设备等军民用领域均有着广泛的应用。
作为本专利基础的硅微陀螺仪的结构简图如图1所示，是一种典型的Z轴科里奥利陀螺仪。X轴方向为其驱动轴向，和驱动接口电路配合后构成振荡环路，提供产生哥氏力的速度基准信号。Y轴方向为其检测轴向，通过哥氏力引起的检测极板间电容的变化来检测Z轴方向的输入角速度，同时由于陀螺仪本身的机械误差驱动端的运动会耦合到检测端引起正交误差，也会引起检测极板间电容的变化，最终两检测极板构成差分电流is-，is+输出。
陀螺测控电路的设计通常都是将表头和信号处理模块，还有测试引脚等都放在同一块电路板上，而陀螺的焊接和拆卸十分麻烦，当有大批量的表头需要进行测试的时候，这样的电路板设计方案的测试效率很低，不便于对大批量陀螺关键信号的测试以及对板子的调试。
发明内容
本发明的一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，用于对大批量表头的测试。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，包括依次连接的表头板，第一接插件，屏蔽线，第二接插件，信号处理板，供电引脚和关键测试信号引脚；
所述表头板包含陀螺表头、检测端、驱动检测端的前置放大电路和驱动前端电路，所述检测端、驱动检测端的前置放大电路和驱动前端电路均与陀螺表头相连，表头板用于对表头信号的放大以及对陀螺的驱动；
所述第一接插件用于将表头板中的信号引出和第二接插件的连接；
所述屏蔽线为一根九线的屏蔽线，用于将第一接插件和第二接插件相连；
所述第二接插件用于将信号处理板的信号引出和第一接插件的连接；
所述信号处理板信号处理板包含驱动环路和检测环路，驱动环路用于驱动陀螺表头的Y轴方向的运动，检测环路用于陀螺表头的角速度检测；
所述供电引脚包含对整个测试平台的供电，包含有+12V，-12V，GND三个电压的输入；
所述关键测试信号引脚为对关键测试信号用插针引出，用于与测试仪器进行对接。
作为进一步改进，所述表头板中陀螺表头包含的信号引脚有：第一检测信号输出引脚，第二检测信号输出引脚，第一驱动检测输出引脚，第二驱动检测输出引脚，第一驱动信号引脚，第二驱动信号引脚，质量块偏置电压(-5V)；
所述驱动检测端的前置放大电路为对第一驱动检测输出引脚和第二驱动检测输出引脚的处理电路，第一驱动检测输出引脚和第二电阻、第三电容相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3A、第一电容、第一电阻并联组成的跨电容放大器，将第一驱动检测输出引脚的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一驱动检测放大信号引脚并连接到第一接插件，第二驱动检测输出引脚和第三电阻、第五电容相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3B、第六电容、第四电阻并联组成的跨电容放大器，将第二驱动检测输出引脚的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二驱动检测放大信号引脚并连接到第一接插件；
所述驱动检测端的前置放大电路为对第一检测信号输出引脚和第二检测信号输出引脚的处理电路，第一检测信号输出引脚直接经过芯片5A、第五电阻、第八电容并联组成的跨电容放大器，将第一检测信号输出引脚的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一检测放大信号引脚并连接到第一接插件，第二检测信号输出引脚直接经过芯片5B、第六电阻、第十二电容并联组成的跨电容放大器，将第二检测信号输出引脚的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二检测放大信号引脚并连接到第一接插件；
所述驱动前端电路为对输入到表头的第一驱动端输入信号引脚和第二驱动端输入信号引脚的处理电路，第一驱动端输入信号引脚由第一接插件输入，先和第十八电容相连，然后并联一个上拉第三十电阻连接到第一驱动信号引脚，用来对表头正极板的驱动，第二驱动端输入信号引脚由第一接插件输入，先和第十九电容相连，然后并联一个上拉第三十一电阻连接到第二驱动信号引脚，用来对表头负极板的驱动；
所述质量块偏置电压(-5V)由第六电源转换芯片和第七电源转换芯片来完成，第六电源转换芯片第四输出引脚和第七电源转换芯片负输入端相连，第六电源转换芯片接地引脚和第七电源转换芯片输出端相连并连接到质量块偏置电压(-5V)，最后连接到第十三电容，第十三电容另一端连接到地；
芯片中的+12V供电由第一接插件输入，并联两个电容进行高频滤波，第七电容和第九电容之后输入到其他芯片中进行供电；
芯片中的-12V供电由第一接插件输入，并联两个电容进行高频滤波，第十电容和第十一电容之后输入到其他芯片中进行供电。
作为进一步改进，所述表头板引出到第一接插件的信号引脚有第一驱动检测放大信号引脚、第二驱动检测放大信号引脚、第一检测放大信号引脚、第二检测放大信号引脚、第一驱动端输入信号引脚、第二驱动端输入信号引脚、+12V，-12V，GND九根引脚，通过屏蔽线和第二接插件直接相连，从而实现表头板分离并且将表头板的信号引出的功能。
作为进一步改进，所述关键测试信号引脚由需要测试的信号经过电压跟随器引出；需要测试的信号有陀螺检测信号，驱动检测信号，正交信号，PI控制信号，角速度检测输出测试信号，每个电压跟随器的结构都相同。
本发明与现有设计相比，其显著优点为：1)有大批量的硅微机械陀螺需要进行测试的时候，不需要每次都重新焊接表头，只需要对表头板进行更换即可，方便对大批量陀螺关键信号的测试以及对板子的调试；2)对关键测试信号进行引出，方便与测试仪器进行对接。
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
附图说明
图1是硅微陀螺结构示意图。
图2是表头板分离的硅微陀螺测控装置示意图。
图3是表头板结构。
图4表头板电路图。
图5是电压跟随器1的结构。
图6是信号处理板上的驱动环路。
图7是信号处理板上的检测电路。
图8是本发明的一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置图。
具体实施方式
结合图2，本发明的一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置包括依次连接的表头板1，第一接插件2，屏蔽线7，第二接插件3，信号处理板4，供电引脚5，关键测试信号引脚6；
表头板1包含陀螺表头U4，检测端和驱动检测端的前置放大电路，驱动前端电路，用于对表头信号的放大以及对陀螺的驱动，在后期大批量的陀螺需要进行测试的时候，可以直接更换表头板，提高测试效率；第一接插件2用于将表头板1中的信号引出和第二接插件3的连接。
屏蔽线7为一根九线的屏蔽线，用于将第一接插件2和第二接插件3相连，用屏蔽线的目的是一方面可以降低外界环境的干扰(如振动试验中的电磁干扰)，另一方面方便更换表头板。
第二接插件3用于将信号处理板4的信号引出和第一接插件2的连接。
信号处理板信号处理板4包含有驱动环路和检测环路，驱动环路用于驱动陀螺表头U4的Y轴方向的运动，检测环路用于陀螺表头U4的角速度检测。
供电引脚5包含对整个测试平台的供电，包含有+12V，-12V，GND三个电压的输入。
关键测试信号引脚6为对关键测试信号用插针引出，方便与测试仪器进行对接。
结合图3，所述表头板1包含陀螺表头U4、驱动检测端的前置放大电路、检测端的前置放大电路、驱动前端电路；
陀螺表头U4包含的信号引脚有：第一检测信号输出引脚is+，第二检测信号输出引脚is-，第一驱动检测输出引脚ids+，第二驱动检测输出引脚ids-，第一驱动信号引脚vd+，第二驱动信号引脚vd-，质量块偏置电压-5V；
其电路连接图如图4所示，驱动检测端的前置放大电路即为对第一驱动检测输出引脚ids+和第二驱动检测输出引脚ids-的处理电路，第一驱动检测输出引脚ids+和第二电阻R2、第三电容C3相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3A(U3A)、第一电容C1、第一电阻R1并联组成的跨电容放大器，将第一驱动检测输出引脚ids+的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一驱动检测放大信号引脚VDS1+并连接到第一接插件2，第二驱动检测输出引脚ids-和第三电阻R3、第五电容C5相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3B(U3B)、第六电容C6、第四电阻R4并联组成的跨电容放大器，将第二驱动检测输出引脚ids-的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二驱动检测放大信号引脚VDS1-并连接到第一接插件2；
检测端的前置放大电路即为对第一检测信号输出引脚is+和第二检测信号输出引脚is-的处理电路，第一检测信号输出引脚is+直接经过芯片5A(U5A)、第五电阻R5、第八电容C8并联组成的跨电容放大器，将第一检测信号输出引脚is+的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一检测放大信号引脚VS1+并连接到第一接插件2，第二检测信号输出引脚is-直接经过芯片5B(U5B)、第六电阻R6、第十二电容C12并联组成的跨电容放大器，将第二检测信号输出引脚is-的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二检测放大信号引脚VS1-并连接到第一接插件2；
驱动前端电路即为对输入到表头的第一驱动端输入信号引脚VD1+和第二驱动端输入信号引脚VD1-的处理电路，第一驱动端输入信号引脚VD1+由第一接插件2输入，先和第十八电容C18相连，然后并联一个上拉第三十电阻R30连接到第一驱动信号引脚vd+，用来对表头正极板的驱动，第二驱动端输入信号引脚VD1-由第一接插件2输入，先和第十九电容C19相连，然后并联一个上拉第三十一电阻R31连接到第二驱动信号引脚vd-，用来对表头负极板的驱动；
质量块偏置电压(-5V)由第六电源转换芯片U6和第七电源转换芯片U7A来完成，第六电源转换芯片U6第四输出引脚VOUT和第七电源转换芯片U7A负输入端In-_7相连，第六电源转换芯片U6接地引脚GND1和第七电源转换芯片U7A输出端OutA_7相连并连接到质量块偏置电压(-5V)，最后连接到第十三电容C13，第十三电容C13另一端连接到地；
芯片中的+12V供电由第一接插件2输入，并联两个电容进行高频滤波，第七电容C7和第九电容C9之后输入到其他芯片中进行供电；
芯片中的-12V供电由第一接插件2输入，并联两个电容进行高频滤波，第十电容C10和第十一电容C11之后输入到其他芯片中进行供电。
表头板1引出到第一接插件2的信号引脚有第一驱动检测放大信号引脚VDS1+、第二驱动检测放大信号引脚VDS1-、第一检测放大信号引脚VS1+、第二检测放大信号引脚VS1-、第一驱动端输入信号引脚VD1+、第二驱动端输入信号引脚VD1-、+12V，-12V，GND九根引脚，通过屏蔽线7和第二接插件3直接相连，从而实现表头板分离并且将表头板的信号引出的功能。
关键测试信号引脚6由需要测试的信号经过电压跟随器引出；需要测试的信号有陀螺检测信号(VSJC)，驱动检测信号(VDSJC)，正交信号(Q)，PI控制信号(PI)，角速度检测输出测试信号(I)；每个电压跟随器的结构都相同，以电压跟随器1(U2A)(U2A)为例，如图5所示，电压跟随器1(U2A)由运放芯片2A(U2A)来完成功能，运放芯片2A(U2A)采用的芯片为AD8642，需要检测的信号VDSJC0与运放芯片2A(U2A)的正相输入端(IN+)相连，运放芯片2A(U2A)的反相输入端(IN-)和运放芯片2A(U2A)的输出端OUTA_2相连并同时连接到陀螺检测信号(VSJC)，用插针引出，与测试仪器进行对接，增加电压跟随器是因为电路调试过程中，万用表、示波器探头对某些关键信号可能会产生影响，所以需要增加电压跟随器进行隔离。
实施例
陀螺的测控电路有两条环路，其中一条为驱动环路，另外一条为检测环路。
下面通过对两条环路的连接，功能实现以及信号的引出来对本发明进行更为实际的描述。
驱动环路包含陀螺表头U4的第一驱动检测输出引脚ids+，第二驱动检测输出引脚ids-，陀螺表头U4的第一驱动信号引脚vd+，第二驱动信号引脚vd-，驱动检测端的前置放大电路，驱动前端电路，以及信号处理模块中的驱动环路，其中信号处理模块中的驱动环路包含有对差分信号转成单端信号模块、全波整流U2B、低通滤波U7B、PI控制器U5A、乘法器U6、单端转成差分对第一驱动端输入信号引脚VD1+、第二驱动端输入信号引脚VD1-几个环节，最终形成陀螺的闭环驱动环路；陀螺表头U4的第一驱动检测输出引脚ids+，第二驱动检测输出引脚ids-经过表头板上的驱动检测端的前置放大电路处理之后，将信号引出到第一接插件2的第一驱动检测放大信号引脚VDS1+、第二驱动检测放大信号引脚VDS1-，通过屏蔽线7和第二接插件3直接相连，之后送入到信号处理模块中的驱动环路进行处理，如图6所示，首先是差分信号转成单端信号，即为将驱动检测放大信号对第一驱动检测放大信号引脚VDS1+、第二驱动检测放大信号引脚VDS1-转成单端信号VDS，然后分别经过全波整流、低通滤波、PI控制器、乘法器四个环节之后，得到驱动陀螺的驱动单端信号VD，然后通过器件AD8642(U4A,U4B)将驱动单端信号VD转换成差分信号对第一驱动信号引脚vd+，第二驱动信号引脚vd-，仍然通过第一接插件2返回到表头板中，经过驱动前端电路处理之后得到陀螺表头U4的第一驱动信号引脚vd+，第二驱动信号引脚vd-，输入到陀螺中进行驱动；将单端信号VDS通过电压跟随器1(U2A)(U2A)输出到驱动检测信号(VDSJC)，在硬件上用插针进行引出，与测试仪器进行对接；将PI控制器的输出端通过电压跟随器2(U5B)输出到PI控制信号测试(PI)，在硬件上用插针进行引出，与测试仪器进行对接；电路中的电源+12V，-12V，GND通过电路板中的电源层，由供电引脚5输入，给环路中的芯片供电同时输出到第二接插件3，通过屏蔽线7输入到表头板1中对表头板进行供电。
检测环路包含陀螺表头U4的第一检测信号输出引脚is+，第二检测信号输出引脚is-，检测端的前置放大电路，以及信号处理模块中的检测电路，其中信号处理模块中的检测电路包含有对差分信号转成单端信号模块、低通滤波、两路乘法解调模块，两路乘法解调模块一路解调出正交信号Q，一路解调出正交信号I；陀螺表头U4的第一检测信号输出引脚is+，第二检测信号输出引脚is-为一对包含有角速度信号和正交信号的叠加电流差分对，经过检测端的前置放大电路处理之后，将信号引出到第一接插件2的第一检测放大信号引脚VS1+、第二检测放大信号引脚VS1-，通过屏蔽线7和第二接插件3直接相连，完成表头板分离的功能；之后将第一检测放大信号引脚VS1+、第二检测放大信号引脚VS1-送入到信号处理模块中的检测电路进行处理，如图7所示，首先是差分信号转成单端信号，即为将第一检测放大信号引脚VS1+、第二检测放大信号引脚VS1-转成单端信号VS0，然后分别滤波之后得到单端信号VS；VS通过电压跟随器3(U11B)得到陀螺检测信号测试信号VSJC，用于测试检测信号输出是否正常，在硬件上用插针进行引出，与测试仪器进行对接；VS通过和VDS进行乘法解调，在解调器U8中完成，之后经过两个滤波环节(U9A,U9B)之后得到正交信号测试Q，用于对输入到陀螺的正交误差的检测，在硬件上用插针进行引出，与测试仪器进行对接；另外一路VDS经过90°移相环节(U14A，U14B)之后和VS相乘，在解调器(U12)中进行，之后经过两个滤波环节(U13A,U13B)之后得到角速度检测输出测试(I)，用于对输入到陀螺的角速度信号的检测，在硬件上用插针进行引出，与测试仪器进行对接；电路中的电源+12V，-12V，GND通过电路板中的电源层，由供电引脚5输入，给环路中的芯片供电同时输出到第二接插件3，通过屏蔽线7输入到表头板1中对表头板进行供电。
从而完成了1)陀螺的测控电路的表头板的分离，通过第一接插件2，第二接插件3以及屏蔽线来完成分离的功能以及信号的连接；2)对陀螺检测信号测试(VSJC)，驱动检测信号测试(VDSJC)，正交信号测试(Q)，PI控制信号测试(PI)，角速度检测输出测试(I)关键信号的引出，方便板子的调试以及与测试仪器的对接。

Claims (4)

1.一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，其特征在于，包括依次连接的表头板(1)，第一接插件(2)，屏蔽线(7)，第二接插件(3)，信号处理板(4)，供电引脚(5)和关键测试信号引脚(6)；
所述表头板(1)包含陀螺表头(U4)、检测端、驱动检测端的前置放大电路和驱动前端电路，所述检测端、驱动检测端的前置放大电路和驱动前端电路均与陀螺表头(U4)相连，表头板(1)用于对表头信号的放大以及对陀螺的驱动；
所述第一接插件(2)用于将表头板(1)中的信号引出和第二接插件(3)的连接；
所述屏蔽线(7)为一根九线的屏蔽线，用于将第一接插件(2)和第二接插件(3)相连；
所述第二接插件(3)用于将信号处理板(4)的信号引出和第一接插件(2)的连接；
所述信号处理板信号处理板(4)包含驱动环路和检测环路，驱动环路用于驱动陀螺表头(U4)的Y轴方向的运动，检测环路用于陀螺表头(U4)的角速度检测；
所述供电引脚(5)包含对整个测试平台的供电，包含有+12V，-12V，GND三个电压的输入；
所述关键测试信号引脚(6)为对关键测试信号用插针引出，用于与测试仪器进行对接。
2.根据权利要求1所述一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，其特征在于，所述表头板(1)中陀螺表头(U4)包含的信号引脚有：第一检测信号输出引脚(is+)，第二检测信号输出引脚(is-)，第一驱动检测输出引脚(ids+)，第二驱动检测输出引脚(ids-)，第一驱动信号引脚(vd+)，第二驱动信号引脚(vd-)，质量块偏置电压(-5V)；
所述驱动检测端的前置放大电路为对第一驱动检测输出引脚(ids+)和第二驱动检测输出引脚(ids-)的处理电路，第一驱动检测输出引脚(ids+)和第二电阻(R2)、第三电容(C3)相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3A(U3A)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)并联组成的跨电容放大器，将第一驱动检测输出引脚(ids+)的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一驱动检测放大信号引脚(VDS1+)并连接到第一接插件(2)，第二驱动检测输出引脚(ids-)和第三电阻(R3)、第五电容(C5)相连，组成一个RC滤波电路，滤除低频信号，然后经过芯片3B(U3B)、第六电容(C6)、第四电阻(R4)并联组成的跨电容放大器，将第二驱动检测输出引脚(ids-)的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二驱动检测放大信号引脚(VDS1-)并连接到第一接插件(2)；
所述驱动检测端的前置放大电路为对第一检测信号输出引脚(is+)和第二检测信号输出引脚(is-)的处理电路，第一检测信号输出引脚(is+)直接经过芯片5A(U5A)、第五电阻(R5)、第八电容(C8)并联组成的跨电容放大器，将第一检测信号输出引脚(is+)的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第一检测放大信号引脚(VS1+)并连接到第一接插件(2)，第二检测信号输出引脚(is-)直接经过芯片5B(U5B)、第六电阻(R6)、第十二电容(C12)并联组成的跨电容放大器，将第二检测信号输出引脚(is-)的电流信号放大并转换成电压信号，连接到第二检测放大信号引脚(VS1-)并连接到第一接插件(2)；
所述驱动前端电路为对输入到表头的第一驱动端输入信号引脚(VD1+)和第二驱动端输入信号引脚(VD1-)的处理电路，第一驱动端输入信号引脚(VD1+)由第一接插件(2)输入，先和第十八电容(C18)相连，然后并联一个上拉第三十电阻(R30)连接到第一驱动信号引脚(vd+)，用来对表头正极板的驱动，第二驱动端输入信号引脚(VD1-)由第一接插件(2)输入，先和第十九电容(C19)相连，然后并联一个上拉第三十一电阻(R31)连接到第二驱动信号引脚(vd-)，用来对表头负极板的驱动；
所述质量块偏置电压(-5V)由第六电源转换芯片(U6)和第七电源转换芯片(U7A)来完成，第六电源转换芯片(U6)第四输出引脚(VOUT)和第七电源转换芯片(U7A)负输入端(In-_7)相连，第六电源转换芯片(U6)接地引脚(GND1)和第七电源转换芯片(U7A)输出端(OutA_7)相连并连接到质量块偏置电压(-5V)，最后连接到第十三电容(C13)，第十三电容(C13)另一端连接到地；
芯片中的+12V供电由第一接插件(2)输入，并联两个电容进行高频滤波，第七电容(C7)和第九电容(C9)之后输入到其他芯片中进行供电；
芯片中的-12V供电由第一接插件(2)输入，并联两个电容进行高频滤波，第十电容(C10)和第十一电容(C11)之后输入到其他芯片中进行供电。
3.根据权利要求1所述一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，其特征在于，所述表头板(1)引出到第一接插件(2)的信号引脚有第一驱动检测放大信号引脚(VDS1+)、第二驱动检测放大信号引脚(VDS1-)、第一检测放大信号引脚(VS1+)、第二检测放大信号引脚(VS1-)、第一驱动端输入信号引脚(VD1+)、第二驱动端输入信号引脚(VD1-)、+12V，-12V，GND九根引脚，通过屏蔽线(7)和第二接插件(3)直接相连，从而实现表头板分离并且将表头板的信号引出的功能。
4.根据权利要求1所述一种基于表头板分离的硅微陀螺测控装置，其特征在于，所述关键测试信号引脚(6)由需要测试的信号经过电压跟随器引出；需要测试的信号有陀螺检测信号(VSJC)，驱动检测信号(VDSJC)，正交信号(Q)，PI控制信号(PI)，角速度检测输出测试信号(I)，每个电压跟随器的结构都相同。
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