CN110906918A - 一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路 - Google Patents

一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路 Download PDF

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Abstract

一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，包括陀螺表头，陀螺表头的输出端连接微小电容检测模块，微小电容检测模块的输出端连接放大模块，放大模块的输出端连接带通滤波模块；陀螺表头，用于输出微小电容量；电容检测模块，用于将陀螺表头的微小电容量转化为电压；放大模块，用于将电容检测模块的输出电压进行放大；带通滤波模块，用于将放大模块输出的信号中通带外的噪声信号滤除。本发明能够可调带宽及品质因数、可控电压信号，低噪声、高精度地完成对微小电容信号检测的读出电路，精准的对工业机器人进行姿态测量。

Description

一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路
技术领域
本发明涉及硅微陀螺技术领域，特别涉及一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路。
背景技术
工业机器人在工作过程中要不断检测机器人的运动姿态，实现对机器人的精确控制，从而保证工业机器人正常工作，因此工业机器人的姿态测量技术成为研究热点，传统的姿态测量方法需要外部信息源作为引导，对机器人工作环境有一定的要求，使得工业机器人定位具有一定局限性，易受外部因素干扰。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，能够可调带宽及品质因数、可控电压信号，低噪声、高精度地完成对微小电容信号检测的读出电路，精准的对工业机器人进行姿态测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，包括陀螺表头1，陀螺表头1的输出端连接微小电容检测模块2，微小电容检测模块2的输出端连接放大模块3，放大模块3的输出端连接带通滤波模块4；
陀螺表头1，用于输出微小电容量；
电容检测模块2，用于将陀螺表头1的微小电容量转化为电压；
放大模块3，用于将电容检测模块2的输出电压进行放大；
带通滤波模块4，用于将放大模块3输出的信号中通带外的噪声信号滤除。
所述的微小电容检测模块2包括单载波Vrate，单载波Vrate一端与第一电阻R1连接，另一端与地连接；第一差分电容C1一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第一二极管D1连接；第二差分电容C2一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第二二极管D2连接；第三二极管D3一端与第二二极管D2连接，另一端与第一差分电容C1另一端连接；第四二极管D4一端与第一二极管D1连接，另一端与第二差分电容C2另一端连接；第三电容C3一端与第四二极管D4连接，另一端与地连接；第四电容C4一端与第三二极管D3连接，另一端与地连接；第二电阻R2一端与第三电容C3连接，另一端与地连接；第三电阻R3一端与第四电容C4连接，另一端与地连接。
所述的微小电容检测模块2的电路的输出电压为
Figure BDA0002301384820000021
其中△C为电容C1、C2的电容差，随着时间t的增大，
Figure BDA0002301384820000022
及
Figure BDA0002301384820000023
趋于0,故
Figure BDA0002301384820000024
所述的放大模块3包括第四电阻R4，第四电阻R4一端与微小电容检测模块输出端一端连接，另一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接；第五电阻R5一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接；第六电阻R6一端与微小电容检测模块输出端另一端连接，另一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；第七电阻R7一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；另一端与地GND连接。
所述的带通滤波模块4包括第八电阻R8，第八电阻R8一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接，另一端与第九电阻R9连接；第九电阻R9一端与第八电阻R8和第六电容C6一端连接，另一端与地连接；第五电容C5一端与第八电阻R8输出端连接，另一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接；第十电阻R10一端与第五电容C5输出端连接，另一端和第六电容C6另一端与第二运算放大器U2反相放大器输入端(第2引脚)连接；第二运算放大器U2正相输入端(第3引脚)与地连接；第十一电阻R11一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接，另一端与第十二电阻R12连接；第十二电阻R12一端与第十一电阻R11和第八电容C8一端连接，另一端与地连接；第七电容C7一端与第十一电阻R11输出端连接，另一端与第三运算放大器U3输出端(第1引脚)连接；第十三电阻R13一端与第七电容C7输出端连接，另一端和第八电容C8另一端与第三运算放大器U3反相放大器输入端(第2引脚)连接；第三运算放大器U3正相输入端(第3引脚)与地连接。
所述的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器可选用AD8676芯片。
本发明的有益效果：
前端使用环形二极管电容检测技术模拟开关检测出待测电容变化量并转化为电压信号，后续连接带通滤波放大电路先放大前端所得电压信号，再对此信号进行噪声滤除，使得信号精度更高，能根据所需求进行放大倍数、通带带宽及品质因数等参数调节，且其他模块不受影响。该发明的接口电路能够低噪声、高精度地读出微小的电容信号。
微小电容检测电路模块输出的信号V1，V2中包含高频载波和低频电容信号，通过放大电路放大电容信号，电压信号双端输入单端输出。根据基尔霍夫电流定律可得：
Figure BDA0002301384820000041
当
Figure BDA0002301384820000042
时，
Figure BDA0002301384820000043
可以通过改变第四电阻R4、第五电阻R5的阻值调节电压放大倍数。
放大电路模块输出信号中包含载波信号，通过四阶带通滤波电路模块滤除通带外信号，抑制噪声，输出高精度、低噪声的电压信号。带通滤波电路模块的中心截止频率为
Figure BDA0002301384820000044
品质因数为
Figure BDA0002301384820000045
故四阶带通滤波电路的品质因数：
Figure BDA0002301384820000046
通过调整第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8实现对中心截止频率的调整，从而改变品质因数及带宽，实现不同的频率的带通滤波。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是微小电容检测模块的电路原理图；
图3是放大模块的电路原理图。
图4是带通滤波模块的电路原理图。
图中符号说明：
1.陀螺表头；2.微小电容检测模块；3.放大模块；4.带通滤波模块；Vrate单载波；D1.第一二极管，D2第二二极管，D3第三二极管，D4二极管，C1.第一差分电容，C2.第二差分电容，C3.第三电容，C4第四电容，C5.第五差分电容，C6.第六差分电容，C7.第七电容，C8第八电容，R1.第一电阻，R2.第二电阻，R3.第三电阻，R4.第四电阻，R5第五电阻，R6第六电阻，R7第七电阻，R8第八电阻，R9第九电阻，R10第十电阻，R11第十一电阻，R12十二电阻，R13第十三电阻，U1.第一运算放大器，U2.第二运算放大器，U3.第三运算放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，陀螺表头1与微小电容检测模块2连接，放大模块3与微小电容检测模块2连接，带通滤波模块4与放大模块3连接。
机器人中陀螺表头1输出的微小电容量经电容检测模块2转化为电压，经放大模块3将检测模块2输出的电压进行放大，带通滤波模块4将放大模块3输出的信号中通带外的噪声信号滤除。
如图2所示，单载波Vrate一端与第一电阻R1连接，另一端与地连接；第一差分电容C1一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第一二极管D1连接；第二差分电容C2一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第二二极管D2连接；第三二极管D3一端与第二二极管D2连接，另一端与第一差分电容C1另一端连接；第四二极管D4一端与第一二极管D1连接，另一端与第二差分电容C2另一端连接；第三电容C3一端与第四二极管D4连接，另一端与地连接；第四电容C4一端与第三二极管D3连接，另一端与地连接；第二电阻R2一端与第三电容C3连接，另一端与地连接；第三电阻R3一端与第四电容C4连接，另一端与地连接。该电路的输出电压为
Figure BDA0002301384820000061
其中△C为电容C1、C2的电容差,随着时间t的增大，
Figure BDA0002301384820000062
及
Figure BDA0002301384820000063
趋于0,故
Figure BDA0002301384820000064
如图3所示，第四电阻R4一端与微小电容检测模块输出端一端连接，另一端与第已运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接；R五第五电阻一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接；第六电阻R6一端与微小电容检测模块输出端另一端连接，另一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；第七电阻R7一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；另一端与地GND连接。
微小电容检测电路模块输出的信号V1，V2中包含高频载波和低频电容信号，通过放大电路放大电容信号，电压信号双端输入单端输出。根据基尔霍夫电流定律可得：
Figure BDA0002301384820000071
当
Figure BDA0002301384820000072
时，
Figure BDA0002301384820000073
可以通过改变第四电阻R4、第五电阻R5的阻值调节电压放大倍数。
如图4所示，第八电阻R8一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接，另一端与第九电阻R9连接；第九电阻R9一端与第八电阻R8和第六电容C6一端连接，另一端与地连接；第五电容C5一端与第八电阻R8输出端连接，另一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接；第十电阻R10一端与第五电容C5输出端连接，另一端和第六电容C6另一端与第二运算放大器U2反相放大器输入端(第2引脚)连接；第二运算放大器U2正相输入端(第3引脚)与地连接；第十一电阻R11一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接，另一端与第十二电阻R12连接；第十二电阻R12一端与第十一电阻R11和第八电容C8一端连接，另一端与地连接；第七电容C7一端与第十一电阻R11输出端连接，另一端与第三运算放大器U3输出端(第1引脚)连接；第十三电阻R13一端与第七电容C7输出端连接，另一端和第八电容C8另一端与第三运算放大器U3反相放大器输入端(第2引脚)连接；第三运算放大器U3正相输入端(第3引脚)与地连接。
放大电路模块输出信号中包含载波信号，通过四阶带通滤波电路模块滤除通带外信号，抑制噪声，输出高精度、低噪声的电压信号。带通滤波电路模块的中心截止频率为
Figure BDA0002301384820000081
品质因数为
Figure BDA0002301384820000082
故四阶带通滤波电路的品质因数：
Figure BDA0002301384820000083
通过调整第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8实现对中心截止频率的调整，从而改变品质因数及带宽，实现不同的频率的带通滤波。
需要说明的是，第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器可选用AD8676芯片。
本技术姿态测量的原理是利用运动力学和牛顿力学对工业机器人进行定位，不需要额外施加信号便可以对运动物体进行检测，能够在任何环境下进行。
通常采用调制解调的检测方法提取出硅微陀螺微小待测电容的变化，利用高频载波对低频角速度信号进行调制，将调制后的信号差分放大，然后将信号解调还原为低频有用信号，电路结构较复杂，容易受寄生电容干扰；基于环形二极管的硅微陀螺电容检测技术利用二极管模拟开关控制电路的导通情况，使电容进行充放电进而检测待测电容的变化，电路只需一路载波和一个放大器，电路结构简单，不需要解调器，具有幅值频率更加稳定、调节更加灵活的优势，适用于硅微陀螺系统集成。利用环形二极管电容检测技术收集微小电荷变化量，通过读出电路将其转化为电压信号，是有效完成微小信号检测的一个重要方法。
有鉴于此，本发明提出一种适用于工业机器人姿态测量的信号读出电路，其输出电压具有较好的抗共模干扰特性、功耗低、精度高。

Claims (6)

1.一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，包括陀螺表头(1)，陀螺表头(1)的输出端连接微小电容检测模块(2)，微小电容检测模块(2)的输出端连接放大模块(3)，放大模块(3)的输出端连接带通滤波模块(4)；
陀螺表头(1)，用于输出微小电容量；
电容检测模块(2)，用于将陀螺表头(1)的微小电容量转化为电压；
放大模块(3)，用于将电容检测模块(2)的输出电压进行放大；
带通滤波模块(4)，用于将放大模块(3)输出的信号中通带外的噪声信号滤除。
2.根据权利要求1所述的一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，所述的微小电容检测模块(2)包括单载波Vrate，单载波Vrate一端与第一电阻R1连接，另一端与地连接；第一差分电容C1一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第一二极管D1连接；第二差分电容C2一端与第一电阻R1另一端连接，另一端与第二二极管D2连接；第三二极管D3一端与第二二极管D2连接，另一端与第一差分电容C1另一端连接；第四二极管D4一端与第一二极管D1连接，另一端与第二差分电容C2另一端连接；第三电容C3一端与第四二极管D4连接，另一端与地连接；第四电容C4一端与第三二极管D3连接，另一端与地连接；第二电阻R2一端与第三电容C3连接，另一端与地连接；第三电阻R3一端与第四电容C4连接，另一端与地连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，所述的微小电容检测模块(2)的电路的输出电压为
Figure FDA0002301384810000021
Figure FDA0002301384810000022
其中△C为电容C1、C2的电容差，随着时间t的增大，
Figure FDA0002301384810000023
及
Figure FDA0002301384810000024
趋于0,故
Figure FDA0002301384810000025
Figure FDA0002301384810000026
4.根据权利要求1所述的一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，所述的放大模块(3)包括第四电阻R4，第四电阻R4一端与微小电容检测模块输出端一端连接，另一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接；第五电阻R5一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接；第六电阻R6一端与微小电容检测模块输出端另一端连接，另一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；第七电阻R7一端与第一运算放大器U1正相输入端(第3引脚)连接；另一端与地GND连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，所述的带通滤波模块(4)包括第八电阻R8，第八电阻R8一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接，另一端与第九电阻R9连接；第九电阻R9一端与第八电阻R8和第六电容C6一端连接，另一端与地连接；第五电容C5一端与第八电阻R8输出端连接，另一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接；第十电阻R10一端与第五电容C5输出端连接，另一端和第六电容C6另一端与第二运算放大器U2反相放大器输入端(第2引脚)连接；第二运算放大器U2正相输入端(第3引脚)与地连接；第十一电阻R11一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接，另一端与第十二电阻R12连接；第十二电阻R12一端与第十一电阻R11和第八电容C8一端连接，另一端与地连接；第七电容C7一端与第十一电阻R11输出端连接，另一端与第三运算放大器U3输出端(第1引脚)连接；第十三电阻R13一端与第七电容C7输出端连接，另一端和第八电容C8另一端与第三运算放大器U3反相放大器输入端(第2引脚)连接；第三运算放大器U3正相输入端(第3引脚)与地连接。
6.根据权利要求5所述的一种适用于工业机器人姿态测量的硅微陀螺接口电路，其特征在于，所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3选用AD8676芯片。
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