CN109708664A - 一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路及其检测方法，采用全数字化设计，将现有的陀螺模拟控制中除陀螺敏感器件、数模/模数转换外的所有模拟控制电路替代为可编程的数字电路，使用数字解调与控制的方式进行频率跟踪、X路信号幅度控制、Y路信号幅度解调的设计与实现，提高了系统精度，避免了模拟电路中器件的漂移带来的误差，数字控制环路受温度、磁场等影响小，提高了系统的抗干扰能力，简化了陀螺频差与耗散角检测电路，设计成本低，设计周期短，易维护调试。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路及其检测方法。
背景技术
现有的固体振动陀螺主要采用全模拟或半数字化方式的频差与耗散角检测电路，其电路通过复杂的模拟器件对固体振动陀螺谐振子进行信号读取、调理、解调、反馈控制以及频差与耗散角检测。使用模拟或半数字化方式对固体振动陀螺进行频差与耗散角检测有以下不足：
一、检测精度低：由于固体振动陀螺控制方式复杂，采用模拟方式进行解调控制以及频差与耗散角检测时需要使用数量众多的模拟器件，而每个模拟器件都会引入噪声，从而使得系统噪声较大。
二、温度适应性差：使用模拟方式对谐振子进行信号解调与控制以及频差与耗散角检测，由于每个模拟器件都会受到温度的影响，使得控制效果在不同的温度下不一致，容易使系统产生较大的温度漂移。
三、抗干扰能力差：模拟器件易受到除温度外的各种因素的影响，如电场、磁场等，且模拟电路中易产生模拟信号的串扰，使陀螺检测结果受到影响。
四、调试维护困难：模拟系统通过调节电阻电容值调整系统关键参数值，此种调节方式不能覆盖所有参数值，给调试维护带来难度。
五、设计复杂、周期长且灵活性差：用模拟器件来实现陀螺信号的解调与反馈控制以及频差与耗散角检测，电路设计较为复杂，且电路功能及性能验证需要制作实际电路才能进行验证，导致设计周期长，若需改变系统结构则需重新对电路进行设计制作及验证，灵活性差。
发明内容
本发明提供一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路及其检测方法，能够有效地提高陀螺的控制精度、检测精度及其稳定性，并且温度环境的变化对数字检测电路的精度影响小，电路抗干扰能力强，尤其适用于固体振动陀螺。
为了达到上述目的，本发明提供一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路，包含：
陀螺表头，其用于在腹点驱动信号和节点驱动信号的控制下振动产生腹点振动信号和节点振动信号，其中，腹点振动信号表征0°轴上的振动情况，节点振动信号表征45°轴上的振动情况；
切换电路，其连接陀螺表头，用于将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，并在切换前后分别检测和记录数据；
信号检测电路，其连接切换电路，检测得到与振动对应的X路信号和Y路信号，其中，X路信号表征振动幅度大的信号，Y路信号表征振动幅度小的信号；
模数转换电路，其连接信号检测电路，将电压模拟信号转换为数字信号；
频率跟踪电路，其连接模数转换电路，得到腹点谐振频率和节点谐振频率；
X路信号幅度解调与控制电路，其连接模数转换电路和频率跟踪电路，得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号；
Y路信号幅度解调电路，其连接模数转换电路和频率跟踪电路，得到Y路信号幅度解调信号；
数模转换电路，其连接X路信号幅度解调与控制电路，将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号；
驱动电路，其连接数模转换电路和切换电路，得到陀螺表头驱动信号。
所述的频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路、Y路信号幅度解调电路都位于同一个FPGA芯片内。
本发明还提供一种固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，包含以下步骤：
步骤S1、陀螺表头振动产生腹点振动信号和节点振动信号；
步骤S2、腹点振动信号和节点振动信号进入切换电路；
步骤S3、信号检测电路检测得到与腹点振动信号对应的X路信号和与节点振动信号对应的Y路信号；
步骤S4、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S5、频率跟踪电路产生与X路信号频率相同及相位相同或正交的腹点谐振频率，并将该腹点谐振频率输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S6、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S7、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S8、由X路信号幅度解调信号和Y路信号幅度解调信号运算得到耗散角；
步骤S9、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S10、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S11、切换电路产生腹点驱动信号，并将腹点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程；
步骤S12、切换电路将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，将驱动电路输出的驱动信号作为节点驱动信号；
步骤S13、信号检测电路检测得到与节点振动信号对应的X路信号和与腹点振动信号对应的Y路信号；
步骤S14、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S15、频率跟踪电路产生节点谐振频率，并将其输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S16、由腹点谐振频率和节点谐振频率运算得到陀螺频差；
步骤S17、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S18、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S19、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S20、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S21、切换电路产生节点驱动信号，并将节点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程。
所述的频率跟踪电路使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪X路信号的谐振频率变化，得到腹点谐振频率或节点谐振频率。
所述的X路信号幅度解调与控制电路使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式保持陀螺振动幅度稳定。
所述的Y路信号幅度解调电路使用数字解调方式对Y路信号进行解调。本发明具有如下的有益效果：
1、采用全数字化设计，将现有的陀螺模拟控制中除陀螺敏感器件、数模/模数转换外的所有模拟控制电路替代为可编程的数字电路。
2、使用数字解调与控制的方式进行频率跟踪、X路信号幅度控制、Y路信号幅度解调的设计与实现，提高了系统精度，避免了模拟电路中器件的漂移带来的误差。
3、数字控制环路受温度、磁场等影响小，提高了系统的抗干扰能力。
4、简化了陀螺频差与耗散角检测电路，设计成本低，设计周期短，易维护调试。
附图说明
图1是本发明提供的一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路的结构示意图。
图2是本发明提供的一种固体振动陀螺频差与耗散角检测方法的流程图。
具体实施方式
以下根据图1和图2具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路，包含：
陀螺表头1，其用于在腹点驱动信号和节点驱动信号的控制下振动产生腹点振动信号和节点振动信号，其中，腹点振动信号表征0°轴上的振动情况，节点振动信号表征45°轴上的振动情况；
切换电路2，其连接陀螺表头1，用于将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，并在切换前后分别检测和记录数据；
信号检测电路3，其连接切换电路2，检测得到与振动对应的X路信号和Y路信号，其中，X路信号表征振动幅度大的信号，Y路信号表征振动幅度小的信号；
模数转换电路4，其连接信号检测电路3，将电压模拟信号转换为数字信号；
频率跟踪电路5，其连接模数转换电路4，得到腹点谐振频率和节点谐振频率；
X路信号幅度解调与控制电路6，其连接模数转换电路4和频率跟踪电路5，得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号；
Y路信号幅度解调电路7，其连接模数转换电路4和频率跟踪电路5，得到Y路信号幅度解调信号；
数模转换电路8，其连接X路信号幅度解调与控制电路6，将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号；
驱动电路9，其连接数模转换电路8和切换电路2，得到陀螺表头驱动信号。
所述的频率跟踪电路5、X路信号幅度解调与控制电路6、Y路信号幅度解调电路7都位于一个FPGA(Field－Programmable Gate ArraY，现场可编程门阵列)芯片内。
所述的频率跟踪电路5使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪X路信号的谐振频率变化，得到腹点谐振频率或节点谐振频率。
所述的X路信号幅度解调与控制电路6使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式保持陀螺振动幅度稳定。
所述的Y路信号幅度解调电路7使用数字解调方式对Y路信号进行解调。
如图2所示，本发明还提供一种固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，包含以下步骤：
步骤S1、陀螺表头振动产生腹点振动信号和节点振动信号；
步骤S2、腹点振动信号和节点振动信号进入切换电路；
步骤S3、信号检测电路检测得到与腹点振动信号对应的X路信号和与节点振动信号对应的Y路信号；
步骤S4、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S5、频率跟踪电路产生与X路信号频率相同及相位相同或正交的腹点谐振频率，并将该腹点谐振频率输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S6、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S7、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S8、由X路信号幅度解调信号和Y路信号幅度解调信号运算得到耗散角；
步骤S9、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S10、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S11、切换电路产生腹点驱动信号，并将腹点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程；
步骤S12、切换电路将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，将驱动电路输出的驱动信号作为节点驱动信号；
步骤S13、信号检测电路检测得到与节点振动信号对应的X路信号和与腹点振动信号对应的Y路信号；
步骤S14、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S15、频率跟踪电路产生节点谐振频率，并将其输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S16、由腹点谐振频率和节点谐振频率运算得到陀螺频差；
步骤S17、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S18、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S19、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S20、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S21、切换电路产生节点驱动信号，并将节点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程。
本发明具有如下的有益效果：
1、采用全数字化设计，将现有的陀螺模拟控制中除陀螺敏感器件、数模/模数转换外的所有模拟控制电路替代为可编程的数字电路。
2、使用数字解调与控制的方式进行频率跟踪、X路信号幅度控制、Y路信号幅度解调的设计与实现，提高了系统精度，避免了模拟电路中器件的漂移带来的误差。
3、数字控制环路受温度、磁场等影响小，提高了系统的抗干扰能力。
4、简化了陀螺频差与耗散角检测电路，设计成本低，设计周期短，易维护调试。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种固体振动陀螺频差与耗散角检测电路，其特征在于，包含：
陀螺表头(1)，其用于在腹点驱动信号和节点驱动信号的控制下振动产生腹点振动信号和节点振动信号，其中，腹点振动信号表征0°轴上的振动情况，节点振动信号表征45°轴上的振动情况；
切换电路(2)，其连接陀螺表头(1)，用于将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，并在切换前后分别检测和记录数据；
信号检测电路(3)，其连接切换电路(2)，检测得到与振动对应的X路信号和Y路信号，其中，X路信号表征振动幅度大的信号，Y路信号表征振动幅度小的信号；
模数转换电路(4)，其连接信号检测电路(3)，将电压模拟信号转换为数字信号；
频率跟踪电路(5)，其连接模数转换电路(4)，得到腹点谐振频率和节点谐振频率；
X路信号幅度解调与控制电路(6)，其连接模数转换电路(4)和频率跟踪电路(5)，得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号；
Y路信号幅度解调电路(7)，其连接模数转换电路(4)和频率跟踪电路(5)，得到Y路信号幅度解调信号；
数模转换电路(8)，其连接X路信号幅度解调与控制电路(6)，将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号；
驱动电路(9)，其连接数模转换电路(8)和切换电路(2)，得到陀螺表头驱动信号。
2.如权利要求1所述的固体振动陀螺频差与耗散角检测电路，其特征在于，所述的频率跟踪电路(5)、X路信号幅度解调与控制电路(6)、Y路信号幅度解调电路(7)都位于同一个FPGA芯片内。
3.一种利用如权利要求2所述的固体振动陀螺频差与耗散角检测电路进行固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、陀螺表头振动产生腹点振动信号和节点振动信号；
步骤S2、腹点振动信号和节点振动信号进入切换电路；
步骤S3、信号检测电路检测得到与腹点振动信号对应的X路信号和与节点振动信号对应的Y路信号；
步骤S4、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S5、频率跟踪电路产生与X路信号频率相同及相位相同或正交的腹点谐振频率，并将该腹点谐振频率输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S6、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S7、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S8、由X路信号幅度解调信号和Y路信号幅度解调信号运算得到耗散角；
步骤S9、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S10、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S11、切换电路产生腹点驱动信号，并将腹点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程；
步骤S12、切换电路将腹点振动信号和节点振动信号互换，同时将腹点驱动信号和节点驱动信号互换，将驱动电路输出的驱动信号作为节点驱动信号；
步骤S13、信号检测电路检测得到与节点振动信号对应的X路信号和与腹点振动信号对应的Y路信号；
步骤S14、模数转换电路将电压模拟信号转换为数字信号输入频率跟踪电路、X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S15、频率跟踪电路产生节点谐振频率，并将其输入X路信号幅度解调与控制电路和Y路信号幅度解调电路；
步骤S16、由腹点谐振频率和节点谐振频率运算得到陀螺频差；
步骤S17、X路信号幅度解调与控制电路得到X路信号幅度控制信号和X路信号幅度解调信号，并将X路信号幅度控制信号输入数模转换电路；
步骤S18、Y路信号幅度解调电路得到Y路信号幅度解调信号；
步骤S19、数模转换电路将X路信号幅度控制信号转换为模拟信号输入驱动电路；
步骤S20、将驱动电路的输出作为与X路信号对应驱动信号输入切换电路；
步骤S21、切换电路产生节点驱动信号，并将节点驱动信号输入陀螺表头，这样完成固体振动陀螺的X路信号幅度控制过程。
4.如权利要求3所述的固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，其特征在于，所述的频率跟踪电路使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪X路信号的谐振频率变化，得到腹点谐振频率或节点谐振频率。
5.如权利要求3所述的固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，其特征在于，所述的X路信号幅度解调与控制电路使用数字解调方式对X路信号进行解调，并用数字控制方式保持陀螺振动幅度稳定。
6.如权利要求3所述的固体振动陀螺频差与耗散角检测方法，其特征在于，所述的Y路信号幅度解调电路使用数字解调方式对Y路信号进行解调。
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| GR01 | Patent grant | ||
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