CN108562286B

CN108562286B - 可重构的mems陀螺数字测控系统中数字锁相环电路

Info

Publication number: CN108562286B
Application number: CN201810605652.6A
Authority: CN
Inventors: 童紫平; 贺克军; 吴传奇; 唐兴刚; 张紫乾
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2024-02-23
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN108562286A

Abstract

本发明公开了一种可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，输入模式选择器根据输入的信号幅值的大小自动判断输出完整的数字正弦信号或输出数字信号的符号；鉴相器检测输入参考信号和反馈信号之间的相位差；环路滤波器的输出控制数控振荡器输出正、余弦信号的频率；数控振荡器的两路输出同时经过相位补偿器进行相位补偿。本发明的输入模式选择器，当输入信号幅值较小时，模式选择器选择输出信号的符号，极大地缩短锁相环锁定时间；当输入信号幅值较大时，模式选择器选择输出完整的信号，以提高锁相环的输出噪声性能。本发明的相位补偿器能够对陀螺的两通道信号进行适当的相位补偿，以减小角速度信号中的正交误差影响。

Description

可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路

技术领域

本发明涉及一种数字锁相环电路，属于电路技术领域。

背景技术

随着MEMS传感器技术的发展，市场对高性能陀螺的要求越来越高，数字陀螺测控系统由于其参数设计精准以及可实现复杂算法等优点成为MEMS惯性器件领域的研究热点。在数字陀螺驱动系统中采用自激锁相闭环驱动技术不仅能够维持驱动模态的恒幅振动，还能为敏感相敏解调提供高精度的解调参考信号，因此数字陀螺驱动系统中通常都会采用数字锁相环电路。

图1所示是现有的数字陀螺测控系统中常用的数字锁相环原理图，它包括数模转换ADC、乘法鉴相器、低通滤波器、比例积分放大器以及数控振荡器。其工作原理为当陀螺处于谐振状态时，前端模拟检测电路检测到该谐振运动并将其转化为正弦电压信号；该正弦电压信号经过模数转换器(ADC)后变成数字信号，并作为鉴相器的一个输入参考信号；鉴相器检测正弦输入参考信号和反馈信号之间的相位差；并经过后面的低通滤波器过滤掉其中的高频纹波信号；比例积分放大器进一步抑制低通滤波器输出信号中的高频成分，并放大其中的直流信号；比例积分放大器的输出信号用来控制数控振荡器的输出三角函数信号频率。数控振荡器的工作原理是根据输入信号生成一定频率的正、余弦信号；正、余弦信号的频率与输入信号成线性比例关系。常见的合成数字正、余弦信号的算法有直接数字式频率合成技术(DDS)以及基于坐标旋转数字计算方法(Cordic)。

现有的数字锁相环应用在陀螺测控系统中有些固有的缺点：其一，数字锁相环的乘法鉴相器等效增益与输入信号幅值相关，当输入信号幅值很小时，鉴相器增益很低，此时锁相环锁定时间很长，锁定范围变小，而陀螺在激励信号作用下刚启动时的幅值恰恰是很小的，此时若陀螺谐振频率与锁相环中心频率相差较大，由于锁定范围变小，锁相环锁定时间很长甚至根本无法锁定，陀螺也就无法完成自激起振；其二，传统锁相环的输出是严格跟踪陀螺驱动信号的相位的，在陀螺测控系统中，由于各种原因陀螺驱动环路和敏感环路之间存在着相位失配，当使用锁相环输出进行角速度相敏解调时会导致角速度信号中含有较大的正交误差；其三，传统的锁相环形成ASIC之后，其电路结构和环路参数特性往往是固定的，难以满足不同陀螺结构以及不同陀螺谐振频率的应用需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，包括模数转换器、输入模式选择器、鉴相器、环路滤波器、数控振荡器和相位补偿器；

输入的陀螺运动状态的正弦电压信号由模数转换器转换为数字正弦信号；

输入模式选择器根据输入的信号幅值的大小自动判断输出完整的数字正弦信号或输出数字信号的符号；

鉴相器检测输入参考信号和反馈信号之间的相位差；并经过环路滤波器滤除鉴相器输出信号中的高频信号，同时放大低频的相位误差信号；

环路滤波器的输出控制数控振荡器输出正、余弦信号的频率；

数控振荡器的两路输出同时经过相位补偿器进行相位补偿，其中余弦输出经过补偿后作为反馈信号反馈到鉴相器的输入端。

输入模式选择器包括三条输入信号支路、幅度判断模块、符号判断器sgn以及二选一开关SW1；输入信号支路1与幅值判断模块的输入相连；输入信号支路2与二选一开关SW1的第1输入端相连；输入信号支路3与符号判断器sgn的输入端相连；符号判断器sgn的输出与二选一开关SW1的第2输入端相连；幅值判断模块的输出与二选一开关SW1的控制端SEL1相连。

当输入信号≥0时，符号判断器sgn输出+1；当输入信号<0时，符号判断器sgn输出-1；当二选一开关SW1控制信号SEL1为’0’时，二选一开关SW1接通第2输入端；当二选一开关SW1控制信号SEL1为’1’时，二选一开关SW1接通第1输入端；

幅度判断模块由幅度检测、数值比较器以及预先设置数字参考值Nref组成；当幅度检测模块检测到输入信号幅度小于数字参考值Nref时，幅度判断模块输出控制信号SEL1为’0’；当幅度检测模块检测到输入信号幅度大于等于数字参考值Nref时，幅度判断模块输出控制信号SEL1为’1’。

数控振荡器由可变增益K_NCO、可变中心频率ω₀、第一加法器、数字积分器以及三角函数求解模块组成。

可变增益K_NCO以及可变中心频率ω₀均可通过寄存器进行重新配置，以满足不同谐振频率的陀螺应用需求。

相位补偿器由依次连接的三个单位延迟单元、四选一开关SW2以及双通路二选一开关SW3组成；第一单位延迟单元的输出同时作为四选一开关SW2中的第2支路的输入；第二单位延迟单元的输出同时作为四选一开关SW2中的第3支路的输入；第三单位延迟单元的输出作为四选一开关SW2中的第4支路的输入。

四选一开关SW2的控制信号SEL2由两位二进制数组成；当控制信号SEL2＝’00’时，第1支路导通，使相位补偿器被短路；当控制信号SEL2＝’01’时，第2支路导通；当控制信号SEL2＝’10’时，第3支路导通；当控制信号SEL2＝’11’时，第4支路导通。

双通路二选一开关SW3的控制信号SEL3为一位二进制数；当控制信号SEL3＝‘0’时，两路开关同时接通各自的第1输入，使输出实现相位超前功能；当控制信号SEL3＝’1’时，两路开关同时接通各自的第2输入，使输出实现相位延迟功能。

四选一开关SW2和双通路二选一开关SW3的控制信号SEL2、SEL3均由寄存器进行配置，实现对相位补偿器的结构进行重构。

四选一开关SW2为单通道四选一开关。

本发明所达到的有益效果：

对数字锁相环电路进行改进，旨在减短陀螺启动时锁相环锁定时间，使陀螺顺利完成自激起振；同时在锁相环内部进行适当的相位补偿，减小角速度信号中的正交误差；另外对锁相环环路结构采用可重构设计，通过参数的配置可改变锁相环的环路结构、增益、带宽、中心频率等特性。

本发明在鉴相器输入端设计一个输入模式选择器，它能够根据输入信号幅值大小自动选择不同的输入信号模式。当输入信号幅值较小时，模式选择器选择输出信号的符号，极大地缩短锁相环锁定时间；当输入信号幅值较大时，模式选择器选择输出完整的信号，以提高锁相环的输出噪声性能。

本发明在基于Cordic算法的数控振荡器输出端设计两个结构完全相同的相位补偿器，能够在一定范围内补偿锁相环输出信号的相位，从而减小相敏解调时角速度信号中的正交误差。

本发明中的锁相环环路滤波器、数控振荡器以及相位补偿器的参数均可通过芯片内部寄存器进行重新配置，从而改变锁相环结构以及性能指标，满足不同的陀螺结构应用场景。

本发明的相位补偿器能够对陀螺的两通道信号进行适当的相位补偿，以减小角速度信号中的正交误差影响。

附图说明

图1为现有数字锁相环原理图。

图2为本发明所述本方案数字锁相环原理图。

图3为本发明所述本幅度判断模块原理图。

图4为本发明所述本二阶级联型IIR型数字滤波器原理框图。

图5为本发明所述典型的二阶IIR型数字滤波器直接型实现结构。

图6为本发明所述本数字锁相环中相位补偿器原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图2是本微机械陀螺数字测控系统中采用的数字锁相环原理图。它主要包括模数转换器(ADC)、输入模式选择器、乘法鉴相器、环路滤波器、数控振荡器、相位补偿器以及寄存器。其工作原理为：陀螺在外加激励下做简谐运动时，前端电容－电压转换电路检测陀螺的运动状态并将其转换为正弦电压信号，该正弦电压信号经过ADC后转换为数字正弦信号；输入模式选择器根据输入信号幅值的大小可自动判断应该输出完整的数字正弦信号还是输出数字信号的符号；乘法鉴相器检测输入参考信号和反馈信号之间的相位差；并经过环路滤波器滤除鉴相器输出信号中的高频无用成分，同时放大低频的相位误差信号；环路滤波器的输出可控制数控振荡器(NCO)输出正、余弦信号的频率；数控振荡器的两路输出同时经过相位补偿器进行相位补偿，其中余弦输出经过补偿后反馈到鉴相器的输入端；经过锁相环的闭环控制，最终鉴相器的两个输入信号相位将相差90度。数字锁相环各个模块采用可重构参数化设计，通过参数的重新配置可以改变锁相环的结构以及性能指标，从而达到与不同陀螺表头最优匹配的目的。

由于陀螺起振时振荡幅值很小，而现有锁相环在小信号时锁定时间很长，甚至可能出现无法锁定的问题，导致陀螺无法自激起振。为解决这一问题，本发明中设计了一个输入模式选择器。它能够在输入正弦信号幅值很小时选择输出数字正弦信号的符号而不是完整的数字正弦信号，由于符号位信号是满摆幅的，因此此时数字锁相环的锁定时间将非常快，帮助陀螺快速起振；待陀螺振荡信号幅值达到一定要求后再选择输出完整的数字正弦信号。这样既能保证陀螺起振时数字锁相环的快速锁定、又能保证陀螺稳定后数字锁相环的输出精度。

输入模式选择器由三条输入信号支路、幅度判断模块、符号判断器sgn以及二选一开关SW1组成。输入信号支路1与幅值判断模块的输入相连；输入信号支路2与开关SW1的第1输入端相连；输入信号支路3与符号判断器sgn的输入端相连；符号判断器sgn的输出与开关SW1的第2输入端相连；幅值判断模块的输出与开关SW1的控制端SEL1相连。

sgn是一个符号判断器，当其输入信号≥0时，符号判断器sgn输出+1；当其输入信号<0时，符号判断器sgn输出-1。SW1是一个二选一开关，其控制信号为SEL1，当SEL1＝’0’时，开关接通第2输入端；当SEL1＝’1’时，开关接通第1输入端。幅度判断模块由幅度检测、数值比较器以及预先设置数字参考值Nref组成，原理如图3所示，当幅度检测模块检测到输入信号幅度小于数字参考值Nref时，幅度判断模块输出SEL1＝’0’；当幅度检测模块检测到输入信号幅度大于等于数字参考值Nref时，幅度判断模块输出SEL1＝’1’。

鉴相器的功能是检测输入正弦信号与反馈信号之间的相位差，本方案采用数字乘法器来实现鉴相器的功能。

环路滤波器的功能是滤除鉴相器输出信号中的高频纹波信号并放大直流信号。本方案中设计了一个二阶级联型结构IIR型数字滤波器来实现环路滤波器的功能，其原理框图如图4所示。滤波器在z域的传递函数可表示为：

其中，a_i、b_i、c_i、d_i(i＝0,1,2)表示滤波器系数，并且可通过寄存器进行修改重载，z表示复变量。

一般地单个二阶IIR型结构的数字滤波器的实现结构有很多种，都可以达到相同效果。这里给出传递函数H₁(z)的一种典型的直接型结构实现原理图，如图5所示，其中a_i、b_i(i＝0,1,2)表示滤波器系数。传递函数H₂(z)也可以采用相同结构实现。

该数字环路滤波器具有可重构的特性，当通过寄存器设置a₀＝b₀＝1、a₁＝a₂＝b₁＝b₂＝0，其它系数正常求解时，环路滤波器可实现二阶数字滤波器；当设置a₂＝b₂＝0，其它系数正常求解时，环路滤波器可实现三阶数字滤波器；当所有滤波器系数正常求解时，环路滤波器可实现四阶数字滤波器。锁相环的阶数是环路滤波器的阶数加一，不同阶数的锁相环拥有不同的特性：阶数越高、谐波失真越小但环路越不稳定，阶数越低、环路越稳定但谐波失真越大，需要根据系统的不同需求对环路滤波器阶数进行选择。

数字环路滤波器的系数求解可根据模拟锁相环环路滤波器传递函数进行等效转换得到。在模拟锁相环中环路滤波器的种类主要包括无源超前－滞后滤波器、有源超前－滞后滤波器以及有源比例积分滤波器等等。以四阶有源比例积分放大器为例，它的s域传递函数可表示为：

其中T_i(i＝1…5)表示滤波器时间常数，并且满足关系T₂>T₃>T₄>T₅，s表示复平面。s域传递函数H₁(s)与z域传递函数H₁(z)可通过关系式进行转换，其中f_s为系统时钟频率，H₂(s)与H₂(z)同理。而且当T₁≠0、T₃≠0、T₄＝0、T₅＝0时，H(s)表示二阶滤波器；当T₁≠0、T₃≠0、T₄≠0、T₅＝0时，H(s)表示三阶滤波器；当T₁≠0、T₃≠0、T₄≠0、T₅≠0时，H(s)表示四阶滤波器，刚好与数字环路滤波器的可重构特性相对应。

数控振荡器(NCO)主要由可变增益K_NCO、可变中心频率ω₀、第一加法器、数字积分器以及三角函数求解模块组成。可变增益K_NCO以及可变中心频率ω₀均可通过寄存器进行重新配置，以满足不同谐振频率的陀螺应用需求。第一加法器的输出ω直接决定了三角函数求解模块的输出信号频率，它与K_NCO以及ω₀的关系满足：

ω＝ω₀+K_NCO·y

其中y表示数字环路滤波器的输出。

数字积分器通过对第一加法器的输出ω进行积分可以获得三角函数求解模块所需要的相位信号θ：

θ＝∫ω·dt

在本发明中三角函数求解模块利用基于坐标旋转数字计算方法(Cordic)实现对相位θ的三角函数计算。

在微机械陀螺数字测控系统中，驱动环路和敏感环路之间由于电路参数的不同以及数字算法的复杂度不同导致两个环路之间存在一定的相位失配，尤其是当敏感环路采用闭环检测时由于环路增益的不同造成相位失配更大。而陀螺敏感角速度解调算法是基于相敏解调而设计的，当敏感检测信号与解调参考信号(数字锁相环的正、余弦输出)之间存在较大的相位误差时，会导致解调输出信号中含有较大的正交误差信号，降低陀螺输出信号的精度。因此，为了减小解调参考信号与陀螺敏感检测信号之间的相位失配，在数字锁相环中引入相位补偿器，其原理图如图6所示。

相位补偿器由三个单位延迟单元、一个四选一开关SW2以及一个双通路二选一开关SW3组成。SW2是单通道四选一开关，其控制信号SEL2由两位二进制数组成。当SEL2＝’00’时，支路1导通；当SEL2＝’01’时，支路2导通；当SEL2＝’10’时，支路3导通；当SEL2＝’11’时，支路4导通。特别地，当SEL2＝’00’时，相位补偿器相当于被短路。

SW3是一个双通道二选一开关，其控制信号SEL3为一位二进制数。当SEL3＝‘0’时，两路开关同时接通各自的输入1，此时锁相环输出可实现相位超前功能；当SEL3＝’1’时，两路开关同时接通各自的输入2，此时锁相环输出可实现相位延迟功能。

开关SW2和SW3的控制信号SEL2和SEL3均由寄存器进行配置，根据不同的应用场景可对相位补偿器的结构进行重构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，包括模数转换器、输入模式选择器、鉴相器、环路滤波器、数控振荡器和相位补偿器；

数控振荡器的两路输出同时经过相位补偿器进行相位补偿，其中余弦输出经过补偿后作为反馈信号反馈到鉴相器的输入端；

输入模式选择器包括三条输入信号支路、幅度判断模块、符号判断器sgn以及二选一开关SW1；输入信号支路1与幅值判断模块的输入相连；输入信号支路2与二选一开关SW1的第1输入端相连；输入信号支路3与符号判断器sgn的输入端相连；符号判断器sgn的输出与二选一开关SW1的第2输入端相连；幅值判断模块的输出与二选一开关SW1的控制端SEL1相连；

2.根据权利要求1所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，数控振荡器由可变增益K_NCO、可变中心频率ω₀、第一加法器、数字积分器以及三角函数求解模块组成。

3.根据权利要求1所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，可变增益K_NCO以及可变中心频率ω₀均可通过寄存器进行重新配置，以满足不同谐振频率的陀螺应用需求。

4.根据权利要求1所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，相位补偿器由依次连接的三个单位延迟单元、四选一开关SW2以及双通路二选一开关SW3组成；第一单位延迟单元的输出同时作为四选一开关SW2中的第2支路的输入；第二单位延迟单元的输出同时作为四选一开关SW2中的第3支路的输入；第三单位延迟单元的输出作为四选一开关SW2中的第4支路的输入。

5.根据权利要求4所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，四选一开关SW2的控制信号SEL2由两位二进制数组成；当控制信号SEL2＝’00’时，第1支路导通，使相位补偿器被短路；当控制信号SEL2＝’01’时，第2支路导通；当控制信号SEL2＝’10’时，第3支路导通；当控制信号SEL2＝’11’时，第4支路导通。

6.根据权利要求5所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，双通路二选一开关SW3的控制信号SEL3为一位二进制数；当控制信号SEL3＝‘0’时，两路开关同时接通各自的第1输入，使输出实现相位超前功能；当控制信号SEL3＝’1’时，两路开关同时接通各自的第2输入，使输出实现相位延迟功能。

7.根据权利要求4所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，四选一开关SW2和双通路二选一开关SW3的控制信号SEL2、SEL3均由寄存器进行配置，实现对相位补偿器的结构进行重构。

8.根据权利要求4所述的可重构的MEMS陀螺数字测控系统中数字锁相环电路，其特征是，四选一开关SW2为单通道四选一开关。