CN111256729B - 一种差分带通式调频mems陀螺仪速率解析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陀螺仪信号处理技术领域，具体公开了一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置及方法。其中，装置包括模拟电路部分和数字电路部分。模拟电路部分用于实现MEMS陀螺仪的模拟信号采集。而数字电路部分包括数字信号测频电路、数字信号解调电路以及数字信号滤波电路。数字电路部分主要用于完成对MEMS陀螺仪信号的测频、解调以及滤波等处理。本发明中MEMS陀螺仪速率的解析工作均在数字电路中完成，因而能够有效避免在模拟电路区域大量引入晶体振荡器信号，从而保证装置拥有良好的电磁兼容性。同时由于数字电路不易受到环境影响的特性，因此，本发明在极端环境下仍能精准的解析陀螺角速率。另外，本发明中装置的信噪比得到提升。

Description

一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置及方法

技术领域

本发明属于陀螺仪信号处理技术领域，特别涉及一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，以及一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件。近年来，调幅式MEMS陀螺仪被广泛用于消费电子、工业制造以及军事领域，但是其导航精度仍有巨大的上升空间。众所周知，MEMS陀螺仪长期运行，以及MEMS陀螺仪受环境温度影响所产生的输出漂移，一直是影响其导航精度的关键问题所在。如何进一步提升MEMS陀螺仪在全温环境下长期运行的稳定性，一直是困扰业界的难题。对于MEMS陀螺仪输出的周期信号，其信号幅值易受干扰，而频率不易受到干扰，因此，调频式MEMS陀螺仪应运而生。但是，由于调频MEMS陀螺仪的实现难度较大，至今尚未有成熟的产品方案。目前已有的调频MEMS陀螺仪速率解析方案，其大致工作原理为：通常先用模拟振荡器电路，将MEMS陀螺输出的高频模拟正弦波信号转换为同频率的方波信号；再利用模拟锁相环电路，以多个高速晶体振荡器的信号作为参考信号，配合蝶形开关混频器进行倍频，对陀螺输出的高频信号加以追踪，以此来测量信号频率，在此过程中，伴随多级低通滤波器，以降低高频噪声信号的影响；在测得信号频率后，已有方案在模拟电路中，使用硬限幅器和触发器同步模拟信号，采用传统I/Q解调方式解析速率。

以上调频MEMS陀螺仪速率解析方案在实际应用中存在如下问题：1.传统方案的主要速率解析环节均在模拟电路中实现，由于模拟信号易受环境温度影响的特点，传统方案很难在全温环境下保持精准解析。2.传统方案多采用共模信号采集的方式，在实际电路运行过程中，共模信号采集会引入共模噪声信号的影响，不利于系统的整体信噪比。3.传统方案采用的模拟锁相环电路，需要在模拟电路区域中，为多个陀螺输出信号引入高速晶体振荡器信号，由于此信号的高速开关特性会导致信号边沿附加大量尖峰脉冲，进而引发大量电磁干扰，严重影响了模拟信号的正常流通，无疑会对信噪比产生不利影响，而蝶形开关混频器更是加剧了这一问题。4.由于MEMS陀螺仪的物理特性所限，解析装置需要为其提供直流信号来驱动起振，这就导致直流偏置量叠加在陀螺仪的输出信号上，传统方案只采用低通滤波滤除高频噪声信号，忽视了直流偏置噪声对系统的影响，进而影响装置的信噪比。5.传统方案采用普通的晶体振荡器，易受环境温度的影响产生误差。6.传统方案在解析速率之前，使用了模拟低通滤波器，由此引发了相位延时问题，仅采用触发器强硬同步信号，容易造成相位补偿不充分。7.传统的I/Q解调的低通滤波器不能有效滤除解调信号中叠加的高次谐波分量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，以保证在极端环境下能够精确的解析出MEMS陀螺仪输出的角速率信息，同时保证较高的信噪比。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，包括：

模拟信号采集电路，被配置为用于接收陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出的四路正弦波信号，经过去噪，得到分别与陀螺仪两路振动模态同频率的方波信号；

数字信号测频电路，被配置为用于接收模拟信号采集电路输出的与两路振动模态同频率的方波信号，并对方波信号进行测频处理得到两个振动模态的频率信息；

数字信号解调电路，被配置为用于接收两个振动模态的频率信息，并对两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号，然后对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号；

同相位信号中包含MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量；

数字信号滤波电路，被配置为用于接收数字信号解调电路输出的同相位信号，并将同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息。

优选地，模拟信号采集电路包括跨阻运算器、差分运算器以及比较运算器；

跨阻运算器为带通形式跨阻运算器，且被配置为用于将输入到该跨阻运算器的信号中混有的直流偏置噪声和高频噪声滤除；

跨阻运算器有四个，每个跨阻运算器的输入端分别有一路来自于陀螺仪的信号输入；

其中，来自于陀螺仪的信号包括陀螺仪的第一振动模态的正输出信号、第一振动模态的负输出信号、第二振动模态的正输出信号以及第二振动模态的负输出信号；

差分运算器有两个，即第一差分运算器和第二差分运算器；

对应第一振动模态的两个跨组运算器输出端分别连接第一差分运算器的正、负输入端；对应第二振动模态的两个跨组运算器输出端分别连接第二差分运算器的正、负输入端；

比较运算器有两个，即第一比较运算器和第二比较运算器；

第一差分运算器的输出端连接到第一比较运算器的输入端上，第二差分运算器的输出端连接到第二比较运算器的输入端上；两个比较运算器的输出端接入数字信号测频电路。

优选地，数字信号测频电路包括晶体振荡器、分频整形电路、闸门控制器、逻辑控制器、测频主门、计数器以及计算单元；其中，晶体振荡器采用温度补偿晶体振荡器；

晶体振荡器的输出端与分频整形电路的输入端相连，分频整形电路的输出端与闸门控制器的输入端相连，闸门控制器的输出端分别连接到测频主门和逻辑控制器的控制端；

测频主门的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的方波信号；

测频主门的输出端连接至计数器的输入端，计数器的输出端连接至计算单元的输入端；

计算单元被配置为用于计算单位时间内的脉冲数；

计算单元的输出端有两路，且每路分别用于输出一个振动模态的频率信息；

计算单元的两路输出分别连接到数字信号解调电路上。

优选地，数字信号解调电路包括加法器、I/Q解调电路以及数控振荡器；

其中，加法器有一个，即第一加法器；

第一加法器的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的频率信息；

第一加法器的输出端连接至I/Q解调电路上；

数控振荡器用于输出两路同源的正余弦信号作为I/Q解调电路的解调参考信号；

I/Q解调电路的输出端有两个，一个是同相位信号的输出端，另一个是正交相位信号的输出端；其中，I/Q解调电路的同相位信号输出端连接至数字信号滤波电路上。

优选地，数字信号滤波电路包括加法器、乘法器以及时延器；其中：

加法器有两个，即第二加法器和第三加法器；

乘法器有五个，即第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器；

时延器有两个，即为第一时延器以及第二时延器；

I/Q解调电路的同相位信号输出端分别连接至第二加法器和第一乘法器的输入端；第二加法器的输出端分别连接至第二乘法器的输入端以及第一时延器的输入端；

第二乘法器的输出端连接至第三加法器的输入端；

第一时延器的输出有三路；第一时延器的每路输出分别连接至第二时延器、第三乘法器以及第四乘法器的输入端；第二时延器的输出端连接至第五乘法器的输入端；

第三乘法器的输出端连接至第三加法器的输入端；

第四乘法器以及第五乘法器的输出端分别连接至第二加法器的输入端；

第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器的输入端还分别有一个常数值输入到对应的乘法器内；第三加法器的输出端为数字信号滤波电路的输出端。

优选地，跨阻运算器包括加法器、电容器、放大器以及电阻器；其中，加法器有两个，即第四加法器和第五加法器；电容器有两个，即第一电容器和第二电容器；

电阻器有八个，即第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器以及第八电阻器；

第四加法器的输入端与跨阻运算器的输入端相连；

第四加法器的输出端连接至第一电容器的输入端，第一电容器的输出端分别连接至第一电阻器、第二电容器的输入端以及放大器的正向输入端；

第一电阻器的输出端以及第二电容器的输出端分别连接至信号参考端；

放大器的输出端分别连接有第二电阻器和第六电阻器的输入端；

第二电阻器的输出端分别连接至第三电阻器和第四电阻器的输入端；第三电阻器的输出端连接至信号参考端；第四电阻器的输出端连接至第五加法器；

第五加法器的输出端有两路输出，一路连接至放大器的反向输入端，另一路输出连接至第五电阻器的输入端，第五电阻器的输出端连接至信号参考端；

第六电阻器的输出端分别连接至第七电阻器和第八电阻器的输入端；

第七电阻器的输出端连接至信号参考端；第八电阻器的输出端连接至第四加法器的输入端；放大器的输出端作为所述跨阻运算器的输出端。

优选地，跨阻运算器的输入端与第四加法器的输入端之间还设有一个等效杂散电容；

等效杂散电容的输出端连接至信号参考端。

优选地，跨阻运算器的输入端与第四加法器的输入端之间还串联一个等效匹配阻抗。

优选地，第五加法器的输出端还连接有一个由第五电阻器产生的寄生电容；

寄生电容的输出端连接至信号参考端；

放大器的输出端与第五加法器的输入端之间设有一与第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器产生的寄生电容等效的第一等效并联寄生电容；

放大器的输出端与第四加法器的输入端之间设有一与第六电阻器、第七电阻器和第八电阻器产生的寄生电容等效的第二等效并联寄生电容。

优选地，数字信号测频电路、数字信号解调电路以及数字信号滤波电路采用可编程器件实现，其中，可编程器件包括FPGA、单片机、DSP或计算机。

本发明还有一个目的在于提出一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，该方法基于上面提到的差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，其技术方案如下：

一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，包括如下步骤：

I.陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出四路正弦波信号；

其中，有两路正弦波信号为第一振动模态的正输出信号以及第一振动模态的负输出信号，有两路正弦波信号为第二振动模态的正输出信号以及第二振动模态的负输出信号；

以上四路正弦波信号分别经过一个跨阻运算器进行直流偏置噪声和高频噪声滤除处理，噪声滤除后，每个跨阻运算器输出稳定可传输的正弦波信号；

对应第一振动模态的两路正弦波信号分别输入到第一差分运算器的正、负输入端，对应第二振动模态的两路正弦波信号分别输入到第二差分运算器的正、负输入端；

在第一差分运算器内将正弦波信号由跨阻运算器向第一差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第一振动模态的正弦波信号；

在第二差分运算器内将正弦波信号由跨阻运算器向第二差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第二振动模态的正弦波信号；

第一振动模态的正弦波信号经第一比较运算器得到与第一振动模态同频率的方波信号，第二振动模态的正弦波信号经第二比较运算器得到与第二振动模态同频率的方波信号；

经由第一比较运算器和第二比较运算器输出的两路方波信号进入数字信号测频电路；

II.数字信号测频电路接收到与第一振动模态同频率的方波信号以及与第二振动模态同频率的方波信号后，分别对两路方波信号进行测频处理；

测频处理后分别得到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息；

以上两个振动模态的频率信息进入数字信号解调电路；

III.数字信号解调电路接收到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息后，将两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号；

对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号和正交相位信号；其中，I/Q解调得到的同相位信号中包含MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量；

将同相位信号输出到数字信号滤波电路；

IV.数字信号滤波电路接收到数字信号解调电路输出的同相位信号后，并将同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明提出了一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置及方法。其中装置的信号采集在模拟电路中完成，陀螺仪速率的解析工作均在数字电路中完成，因而能避免在模拟电路区域大量引入晶体振荡器信号，保证装置拥有良好的电磁兼容性。同时由于数字电路不易受到环境影响的特性，因此装置在极端环境下仍能精准的解析陀螺角速率。此外，在信号采集过程中，陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出信号，利于将信号中的直流偏置噪声和高频噪声等有效滤除，保证有效信号顺利通过，从而提升装置的信噪比。

附图说明

图1为本发明实施例1中差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中模拟信号采集电路的结构示意图；

图3为本发明实施例1中数字信号测频电路的结构示意图；

图4为本发明实施例1中数字信号解调电路的结构示意图；

图5为本发明实施例1中数字信号滤波电路的结构示意图；

图6为本发明实施例1中跨阻运算器的电路结构框图；

图7为本发明实施例1中跨阻运算器更为详细的电路结构示意图。

图8为本发明实施例2中差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法的流程示意图。

其中，1-跨阻运算器，2a-第一差分运算器，2b-第二差分运算器，3a-第一比较运算器，3b-第二比较运算器，4-晶体振荡器，5-分频整形电路，6-闸门控制器，7-逻辑控制器，8-测频主门，9-计数器，10-计算单元，11-第一加法器，12-数控振荡器，13-第二加法器，14-第三加法器，15-第一乘法器，16-第二乘法器，17-第三乘法器，18-第四乘法器，19-第五乘法器，20-第一时延器，21-第二时延器，22-第四加法器，23-第五加法器，24-放大器，25-等效杂散电容，26-等效匹配阻抗，27-第一等效并联寄生电容，28-第二等效并联寄生电容。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，本发明实施例1述及了一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，该装置包括模拟电路部分和数字电路部分。其中：

本发明将容易产生电磁干扰的晶体振荡器等器件放在数字电路中，从而将数字电路和模拟电路进行有效隔离，避免电磁干扰影响模拟信号，加强系统的电磁兼容性。

具体而言，模拟电路部分为模拟信号采集电路，用于采集MEMS陀螺仪的信号。而数字电路部分包括数字信号测频电路、数字信号解调电路以及数字信号滤波电路等。

数字电路部分，用于完成对MEMS陀螺仪信号的测频、解调以及滤波等解析处理。

本发明实施例中的数字信号测频电路、数字信号解调电路以及数字信号滤波电路采用可编程器件实现，其中，可编程器件例如包括FPGA、单片机、DSP或计算机等。

下面对本发明实施例中的各个电路作进一步详细描述：

模拟信号采集电路，被配置为用于接收陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出的四路正弦波信号，经过去噪，得到分别与陀螺仪两路振动模态同频率的方波信号。

如图2所示，模拟信号采集电路包括跨阻运算器1、差分运算器以及比较运算器。

其中，跨阻运算器为带通形式跨阻运算器，用于将输入到该跨阻运算器的微小正弦波信号中的直流偏置噪声和高频噪声滤除，保证有效信号顺利通过，利于提升信噪比。

跨阻运算器1有四个，每个跨阻运算器的输入端分别有一路来自于陀螺仪的信号输入。

MEMS陀螺仪有两个振动模态，分别为第一振动模态和第二振动模态，为了方便描述，将第一振动模态简化为A模态进行表示，同样，第二振动模态简化为B模态。

以上两个振动模态分别以差分信号形式输出4路微小正弦波信号，即A模态的正输出信号、A模态的负输出信号、B模态的正输出信号以及B模态的负输出信号。

以上四路高频微小正弦波信号分别对应输入到一个跨阻运算器1的输入端。

每个跨阻运算器1的输出端分别输出一路稳定可传输的正弦波信号，此时的正弦波信号中的直流偏置噪声和高频噪声得到有效滤除。

差分运算器有两个，即第一差分运算器2a和第二差分运算器2b。

对应A模态的两个跨组运算器1输出端分别连接第一差分运算器2a的正、负输入端；对应B模态的两个跨组运算器输出端分别连接第二差分运算器2b的正、负输入端。

由于在跨阻运算器输出的信号向差分运算器传输过程中，信号上会有不同程度的共模传输噪声，因此，本发明通过差分运算器能够将共模传输噪声有效滤除。

比较运算器有两个，即第一比较运算器3a和第二比较运算器3b。

第一比较运算器3a和第二比较运算器3b中均含有滞回比较电路，本发明实施例通过合理设计滞回区域，利于降低采样的量化误差，输出同频率的方波信号。

第一差分运算器2a的输出端连接至第一比较运算器3a的输入端，第二差分运算器2b的输出端连接至第二比较运算器3b的输入端。

第一比较运算器3a和第二比较运算器3b的输出端分别连接至数字信号测频电路。

信号流在模拟信号采集电路中的走向为：

由MEMS陀螺仪的两个振动模态以差分信号形式输出4路正弦波信号；

以上4路正弦波信号分别经过一个跨阻运算器进行噪声滤除后，输出稳定可传输的正弦波信号，在跨阻运算器输出的信号向差分运算器传输过程中会产生共模传输噪声。

该共模传输噪声会在通过差分运算器时被滤除。

第一差分运算器2a输出与A模态同频率且为A模态2倍幅值的正弦波信号，第二差分运算器2b输出与B模态同频率且为B模态2倍幅值的正弦波信号。

第一差分运算器2a输出的信号经过第一比较运算器3a得到与A模态同频率的方波信号，其中，该方波信号中载有A模态的频率信息；同理，

第二差分运算器2b输出的信号经过第二比较运算器3b得到与B模态同频率的方波信号；其中，该方波信号中载有第二振动模态的频率信息。

经由第一比较运算器和第二比较运算器输出的两路方波信号进入数字信号测频电路。

本发明利用MEMS陀螺仪的固有机械特性，采用差模信号传输代替共模信号传输，设计了阻抗匹配模型，利于消除共模噪声信号，降低采样量化误差，提升信噪比。

数字信号测频电路，用于接收模拟信号采集电路输出的与两路振动模态同频率的方波信号，并对方波信号进行测频处理得到两个振动模态的频率信息。

如图3所示，数字信号测频电路包括晶体振荡器4、分频整形电路5、闸门控制器、逻辑控制器7、测频主门8、计数器9和计算单元10。

晶体振荡器4仅有一个，且优选采用温度补偿晶体振荡器，能够很好地控制全温环境下门控误差的同时，相比于传统方案可有效降低模拟电路中的电磁干扰问题。

晶体振荡器的输出端与分频整形电路的输入端相连，分频整形电路的输出端与闸门控制器6的输入端相连，闸门控制器的输出端分别连接到测频主门和逻辑控制器的控制端。

测频主门8的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的方波信号。

测频主门8的输出端连接至计数器9的输入端，计数器9的输出端连接至计算单元10的输入端。计算单元10用于计算单位时间内的脉冲数。

计算单元10的输出端有两路且每路分别用于输出一个振动模态的频率信息。

信号流在数字信号测频电路中的走向为：

晶体振荡器4产生一个频率测量参考信号，进入分频整形电路5处理，再进入闸门控制器6；闸门控制器6根据此信号，控制测频主门8和逻辑控制器7进行操作。

测频主门8有两路输入，分别用于接收A模态和B模态的方波信号。

在逻辑控制器7的控制下，计数器9分别将A模态和B模态的方波信号的脉冲数做计数处理，并分别输出至计算单元10。

计算单元10通过计算单位时间内的脉冲个数，计算出A模态和B模态的频率信息，将A模态和B模态的频率信息分别输出至数字信号解调电路。

数字信号解调电路，用于接收两个振动模态的频率信息，并对两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号，然后对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号。

如图4所示，数字信号解调电路包括加法器11、I/Q解调电路以及数控振荡器12。

其中，加法器有一个，即第一加法器11。第一加法器11的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的频率信息，即A模态的频率信息和B模态的频率信息。

第一加法器11的输出端连接至I/Q解调电路上。

数控振荡器12用于输出两路同源的正余弦信号作为I/Q解调电路的解调参考信号。

I/Q解调电路的输出端有两个，一个是同相位信号的输出端，另一个是正交相位信号的输出端；其中，I/Q解调电路的同相位信号输出端连接至数字信号滤波电路上。

其中，同相位信号内包含了MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量。

本发明在数字电路中采用数控振荡器直接产生同源信号用于I/Q解调，保证了信号的同步性，无需在模拟电路中采用模拟器件强行同步信号，保证了相位补偿的准确性。

信号流在数字信号解调电路中的走向为：

第一加法器11将A模态和B模态的频率信息相加，并作为待解调信号输出至I/Q解调电路；数控振荡器12输出两路同源的正余弦信号，作为解调参考信号；

I/Q解调电路根据解调参考信号，针对待解调信号进行解调处理，输出一路同相位信号Ix和一路正交相位信号Qx，同相位信号Ix输入至数字信号滤波电路中作进一步处理。

数字信号滤波电路，用于接收数字信号解调电路输出的同相位信号Ix，并将同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息。

如图5所示，数字信号滤波电路包括加法器、乘法器以及时延器。

加法器有两个，即第二加法器13和第三加法器14。

乘法器有五个，即第一乘法器15、第二乘法器16、第三乘法器17、第四乘法器18和第五乘法器19。时延器有两个，即第一时延器20以及第二时延器21。

I/Q解调电路的同相位信号输出端分别连接至第二加法器13和第一乘法器15的输入端；第二加法器13的输出端分别连接至第二乘法器16以及第一时延器的输入端。

第二乘法器16的输出端连接至第三加法器14的输入端。

第一时延器20的输出端有三路输出，且每路输出分别连接至第二时延器21的输入端、第三乘法器17的输入端以及第四乘法器18的输入端。

第二时延器21的输出端连接至第五乘法器19的输入端。

第三乘法器17的输出端连接至第三加法器14的输入端。

第四乘法器18以及第五乘法器19的输出端分别连接至第二加法器13的输入端。

第一乘法器15、第二乘法器16、第三乘法器17、第四乘法器18和第五乘法器19的输入端分别有一个给定的常数值k0、k1、k2、k3、k4输入到对应的乘法器内，如图5所示。

第三加法器14的输出端作为数字信号滤波电路的输出端。

信号流在数字信号滤波电路中的走向为：

1.同相位信号同时进入第二加法器13和第一乘法器15；

在第一乘法器15内同相位信号与常数值k0相乘，并输出至第三加法器14；

在第二加法器13内同相位信号分别与第四乘法器18和第五乘法器19输出的信号相加，同时输出至第二乘法器16和第一时延器20。

2.第二加法器13的信号输入到第二乘法器16内与常数值k1相乘并输出至第三加法器14；第二加法器13的信号输入到第一时延器20内等待下一个周期动作。

下一个周期来临时，第一时延器20内的信号分三路输出，分别输出至第三乘法器17、第四乘法器18以及另一个时延器，即第二时延器21。

3.第一时延器20的信号在第三乘法器17内与常数值k2相乘并输出至第三加法器14；第一时延器20的信号在第四乘法器18内与常数值k3相乘并输出至第二加法器13；第一时延器20还有一路输出信号在第二时延器21内等待下一个周期动作。

下一个周期来临时，第二时延器21的信号输出至第五乘法器19，在第五乘法器19内与常数值k4相乘，并输出至第二加法器13。

4.至此为止完成一次滤波循环，第三加法器14将输入的三号信号相加并输出，输出后的信号即为滤除高次谐波分量后的陀螺仪角速率信号。

针对传统方案输出角速率中包含的高次谐波分量，本发明数字滤波电路引入了反馈机制，实现了闭环设计算法，并且适合于传递函数的零点和极点实现。

数字信号信号滤波电路滤除高次谐波分量的原理为：本发明实施例设计的数字滤波电路为高阶低延时数字滤波电路，其传递函数幅频特性拥有良好的低通性能，可针对高次谐波的频段进行常数值设定，最大程度地衰减高次谐波分量，以达到滤除的目的。

相比于其他滤波电路，本发明中的数字滤波电路为高阶滤波，可充分压缩滤波过渡带，最大程度地滤除高频段的谐波分量；通过调整前馈部分的运算顺序，改善了滤波器的延时问题，从而使得本发明中数字滤波电路能够达到更高的运算速度和滤波效率。

下面对本发明给出的跨阻运算器的结构作进一步详细说明：

如图6所示，跨阻运算器包括输入、输出端，加法器，电容器，放大器24以及电阻器。

加法器有两个，即第四加法器22和第五加法器23。

电容器有两个，即第一电容器C1和第二电容器C3。

电阻器有八个，即第一电阻器R2、第二电阻器R4、第三电阻器R5、第四电阻器R6、第五电阻器R7、第六电阻器R8、第七电阻器R9以及第八电阻器R10。

第四加法器22的输入端与跨阻运算器的输入端相连。

第四加法器22的输出端连接至第一电容器C1的输入端，第一电容器C1的输出端分别连接至第一电阻器R2、第二电容器C3的输入端以及放大器24的正向输入端。

第一电阻器R2的输出端以及第二电容器C3的输出端分别连接至信号参考端。其中，此处的信号参考端例如可以是模拟信号零位参考。

放大器24的输出端分别连接有第二电阻器R4和第六电阻器R8的输入端。

第二电阻器R4的输出端分别连接至第三电阻器R5和第四电阻器R6的输入端；第三电阻器的输出端连接至信号参考端；第四电阻器的输出端连接至第五加法器23。

第五加法器23的输出端有两路输出，一路连接至放大器24的反向输入端，另一路输出连接至第五电阻器R7的输入端，第五电阻器R7的输出端连接至信号参考端。

第六电阻器R8的输出端分别连接至第七电阻器R9和第八电阻器R10的输入端。

第七电阻器R9的输出端连接至信号参考端；第八电阻器R10的输出端连接至第四加法器22的输入端；放大器24的输出端作为跨阻运算器的输出端。

信号流在跨阻运算器的走向(以陀螺仪输出的一路微小正弦波信号为例)为：

1.MEMS陀螺仪输出的一路微小高频正弦波信号通过机电接口进入跨阻运算器的输入端，第四加法器22将第八电阻器R10的输出信号与输入端信号相加并输出至第一电容器C1。

2.第一电容器C1的输出信号按顺序分别进入第一电阻器R2、第二电容器C3和放大器24的同相输入端。该信号进入第一电阻器R2和第二电容器C3后分别输出至信号参考端。

3.该信号经过放大器24后，放大器24的输出信号同时分为三路输出：

一路输出至跨阻运算输出端；一路朝向放大器24的反相输入端输出至第二电阻器R4；一路朝向放大器24同相输入端输出至第六电阻器R8，第六电阻器为精密电阻器。

4.朝放大器24反相输入端的信号经过第二电阻器R4后，同时输出至第三电阻器R5和第四电阻器R6；第三电阻器R5的输出信号输出至信号参考端。

第四电阻器R6的输出信号输出至第四加法器23，该第四加法器23的一个输出端输出至放大器24的反相输入端，另一个输出端输出至第五电阻器R7，再输出至信号参考端。

5.朝放大器24同相输入端的信号经过第六电阻器R8后，同时输出至第七电阻器R9和第八电阻器R10。第七电阻器R9的输出信号输出至信号参考端。

第八电阻器R10的输出信号输出至第四加法器22，与上面1中提及的输入端信号相加。

通过以上带通式跨阻运算器设计，可同时衰减直流偏置量和高频噪声，因而能消除微小高频正弦波信号中的直流偏置噪声和高频噪声，保证有效信号顺利通过，提升信噪比。

跨阻运算器对直流偏置量和高频噪声进行衰减，保证有效信号通过的原理为：

在本发明实施例设计的带通式跨阻运算器电路中，由第六电阻器R8、第七电阻器R9和第八电阻器R10构成的星形网络、跨阻运算器输入端附近的等效杂散电容和第二电容器C3，用于衰减高频段信号；而第一电容器C1和第一电阻器R2，用于衰减直流偏置量。

此外，由于以上带通式跨阻运算器的设计，使得本发明同时还可以针对不同批次的MEMS陀螺表头设计不同的通带频率，以达到对不同陀螺表头的完美适配。

本发明充分考虑各类因素对信号传输和运算造成的影响，在以上跨阻运算器电路的基础上添加一些非理想因素所构成的运算环节，构成考虑多种因素影响的跨阻运算器。

1.如图7所示，本发明充分考虑由机电接口、元器件及其载体等客观因素所引起的杂散电容问题，由于杂散电容多数为并联关系，所以将其电容值相加，并在跨阻运算的输入端和第四加法器22的输入端之间添加一个等效杂散电容25，输入信号进入该等效杂散电容，并输出至信号参考端。该等效杂散电容对输入信号表现出电容器的性质。

2.如图7所示，本发明充分考虑4路微小正弦波信号在差分传输中的匹配阻抗问题和信号延时问题。为了保证4路微小正弦波信号的并行数据采集并削弱信号延时的影响，本发明在跨阻运算的输入端和第四加法器22的输入端之间加入一个等效匹配阻抗26，其对输入信号表现出电阻器的性质。在实际电路中，充分考虑了信号流通过程中因为高频信号反射等因素引起的阻抗变化，设计合理阻抗匹配模型，以保证4路跨阻运算器的匹配阻抗相同。

3.如图7所示，本发明充分考虑了电阻器的非理想因素，其寄生电容作为一种容性阻抗，会影响信号的传输及运算。理论上应当在每一个电阻器上均并联一个寄生电容。然而本发明考虑到运算的复杂性，对寄生电容的添加做了等效简化处理。

第一电阻器R2与第二电容器C3并联，所以其寄生电容相当于与C3电容器的电容值相加，寄生电容的容值往往很小，因此无需考虑R2电阻器的寄生电容对电路造成的影响。

第二电阻器R4、第三电阻器R5以及第四电阻器R6构成的星形网络较为复杂，因此将此三者的寄生电容等效为第一等效并联寄生电容，即图7中所示的等效并联寄生电容E1。

第一等效并联寄生电容27的输入端与第二电阻器R4的输入端相连，第一等效并联寄生电容27的输出端与第五加法器23的输入端相连。

在第五电阻器R7附近添加寄生电容R7，寄生电容R7的输入端与第四加法器23的输出端相连，寄生电容R7的输出端与信号参考端相连。

由于第六电阻器R8、第七电阻器R9以及第八电阻器R10构成的星形网络较为复杂，因此将此三者的寄生电容等效为第二等效并联寄生电容28，即图7中等效并联寄生电容E2。

第二等效并联寄生电容28的输入端与第六电阻器R8的输入端相连，第二等效并联寄生电容28的输出端与第四加法器22的输入端相连。

4.如图7所示，本发明考虑了电阻器的噪声增益模型，电阻阻值、环境温度、信号频率、热温度系数等因素的影响。由于电阻器的噪声随着阻值、温度的增加而增加。因此，在极端高温条件下，阻值较大的电阻会有更多噪声。为了解决此问题，本发明设计了由等效并联寄生电容E1、第二电阻器R4、第三电阻器R5和第四电阻器R6构成的星形网络，以及由等效并联寄生电容E2、第六电阻器R8、第七电阻器R9和第八电阻器R10构成的星形网络。通过分析电阻噪声增益模型，在每个跨阻运算器中引入两个星形网络，各个星形网络通过较小阻值的电阻器进行串并联(通过压低各个电阻器阻值的方式，减小电阻噪声增益)，等效为一个大阻值的电阻，从而保证极端高温条件下装置的信噪比，进而提升装置的实用价值。

本发明通过以上考虑多种因素影响的跨阻运算器设计，利于保证运算结果的准确性。

实施例2

本发明实施例2述及了一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，该方法基于上述实施例1述及的差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置。

如图8所示，一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，包括如下步骤：

陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出四路正弦波信号。

其中，有两路正弦波信号为第一振动模态的正输出信号以及第一振动模态的负输出信号，有两路正弦波信号为第二振动模态的正输出信号以及第二振动模态的负输出信号。

以上四路正弦波信号分别经过一个跨阻运算器1进行直流偏置噪声和高频噪声滤除处理，噪声滤除后，每个跨阻运算器输出稳定可传输的正弦波信号。

对应第一振动模态的两路正弦波信号分别输入到第一差分运算器2a的正、负输入端，对应第二振动模态的两路正弦波信号分别输入到第二差分运算器2b的正、负输入端。

在第一差分运算器2a内将正弦波信号由跨阻运算器向第一差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第一振动模态的正弦波信号。

在第二差分运算器2b内将正弦波信号由跨阻运算器向第二差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第二振动模态的正弦波信号。

第一振动模态的正弦波信号经第一比较运算器3a得到与第一振动模态同频率的方波信号，第二振动模态的正弦波信号经第二比较运算器3b得到与第二振动模态同频率的方波信号。

经由第一比较运算器和第二比较运算器输出的两路方波信号进入数字信号测频电路。

通过该步骤完成了信号的采集工作，且将信号中的直流偏置噪声、高频噪声以及传输过程中产生的共模传输噪声等有效滤除，保证有效信号顺利通过，利于提升装置的信噪比。

II.数字信号测频电路接收到与第一振动模态同频率的方波信号以及与第二振动模态同频率的方波信号后，分别对两路方波信号进行测频处理。

测频处理后分别得到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息，具体过程如上述实施例1中信号流在数字信号测频电路中的走向，此处不再详细赘述。

以上两个振动模态的频率信息进入数字信号解调电路。

III.数字信号解调电路接收到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息后，将两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号；对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号和正交相位信号；其中，I/Q解调得到的同相位信号中包含MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量；将同相位信号输出到数字信号滤波电路；

数字信号解调电路的处理流程为上述实施例1中信号流在数字信号解调电路中的走向。

IV.数字信号滤波电路接收到数字信号解调电路输出的同相位信号后，并将同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息。其中，高次谐波分量的滤除过程可参照上述实施例1中信号在数字信号滤波电路中的走向，此处不再赘述。

通过以上差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，保证本发明在极端环境下仍能够精确的解析出MEMS陀螺仪输出的角速率信息，同时保证本发明具有较高的信噪比。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

包括模拟信号采集电路，被配置为用于接收陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出的四路正弦波信号，经过去噪，得到分别与陀螺仪两路振动模态同频率的方波信号；

数字信号测频电路，被配置为用于接收所述模拟信号采集电路输出的与两路振动模态同频率的方波信号，并对所述方波信号进行测频处理得到两个振动模态的频率信息；

数字信号解调电路，被配置为用于接收两个振动模态的频率信息，并对两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号，然后对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号；

同相位信号中包含MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量；

数字信号滤波电路，被配置为用于接收数字信号解调电路输出的同相位信号，并将所述同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息；

所述模拟信号采集电路包括跨阻运算器、差分运算器以及比较运算器；

所述跨阻运算器为带通形式跨阻运算器，且被配置为用于将输入到该跨阻运算器的信号中混有的直流偏置噪声和高频噪声滤除；

所述跨阻运算器有四个，每个跨阻运算器的输入端分别有一路来自于陀螺仪的信号输入；

其中，来自于陀螺仪的信号包括陀螺仪的第一振动模态的正输出信号、第一振动模态的负输出信号、第二振动模态的正输出信号以及第二振动模态的负输出信号；

第一振动模态和第二振动模态为陀螺仪的两个振动模态；

差分运算器有两个，即第一差分运算器和第二差分运算器；

对应第一振动模态的两个跨组运算器输出端分别连接第一差分运算器的正、负输入端；对应第二振动模态的两个跨组运算器输出端分别连接第二差分运算器的正、负输入端；

比较运算器有两个，即第一比较运算器和第二比较运算器；

第一差分运算器的输出端连接到第一比较运算器的输入端上，第二差分运算器的输出端连接到第二比较运算器的输入端上；两个比较运算器的输出端分别接入数字信号测频电路；

所述数字信号测频电路包括晶体振荡器、分频整形电路、闸门控制器、逻辑控制器、测频主门、计数器以及计算单元；其中，晶体振荡器采用温度补偿晶体振荡器；

晶体振荡器的输出端与分频整形电路的输入端相连，分频整形电路的输出端与闸门控制器的输入端相连，闸门控制器的输出端分别连接到测频主门和逻辑控制器的控制端；

测频主门的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的方波信号；

测频主门的输出端连接至计数器的输入端，计数器的输出端连接至计算单元的输入端；

所述计算单元被配置为用于计算单位时间内的脉冲数；

所述计算单元的输出端有两路，且每路分别用于输出一个振动模态的频率信息；所述计算单元的两路输出分别连接到所述数字信号解调电路上。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述数字信号解调电路包括加法器、I/Q解调电路以及数控振荡器；

其中，加法器有一个，即第一加法器；

第一加法器的输入端有两个，分别对应输入一个振动模态的频率信息；

第一加法器的输出端连接至I/Q解调电路上；

数控振荡器用于输出两路同源的正余弦信号作为I/Q解调电路的解调参考信号；

I/Q解调电路的输出端有两个，一个是同相位信号的输出端，另一个是正交相位信号的输出端；其中，I/Q解调电路的同相位信号输出端连接至数字信号滤波电路上。

3.根据权利要求1所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述数字信号滤波电路包括加法器、乘法器以及时延器；其中：

加法器有两个，即第二加法器和第三加法器；

乘法器有五个，即第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器；

时延器有两个，即为第一时延器以及第二时延器；

I/Q解调电路的同相位信号输出端分别连接至第二加法器和第一乘法器的输入端；第二加法器的输出端分别连接至第二乘法器的输入端以及第一时延器的输入端；

第二乘法器的输出端连接至第三加法器的输入端；

第一时延器的输出有三路；第一时延器的每路输出分别连接至第二时延器、第三乘法器以及第四乘法器的输入端；第二时延器的输出端连接至第五乘法器的输入端；

第三乘法器的输出端连接至第三加法器的输入端；

第四乘法器以及第五乘法器的输出端分别连接至第二加法器的输入端；

第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器和第五乘法器的输入端还分别有一个常数值输入到对应的乘法器内；第三加法器的输出端为数字信号滤波电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述跨阻运算器包括加法器、电容器、放大器以及电阻器；其中，加法器有两个，即第四加法器和第五加法器；电容器有两个，即第一电容器和第二电容器；

电阻器有八个，即第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器以及第八电阻器；

第四加法器的输入端与跨阻运算器的输入端相连；

第四加法器的输出端连接至第一电容器的输入端，第一电容器的输出端分别连接至第一电阻器、第二电容器的输入端以及放大器的正向输入端；

第一电阻器的输出端以及第二电容器的输出端分别连接至信号参考端；

放大器的输出端分别连接有第二电阻器和第六电阻器的输入端；

第二电阻器的输出端分别连接至第三电阻器和第四电阻器的输入端；第三电阻器的输出端连接至信号参考端；第四电阻器的输出端连接至第五加法器；

第五加法器的输出端有两路输出，一路连接至放大器的反向输入端，另一路输出连接至第五电阻器的输入端，第五电阻器的输出端连接至信号参考端；

第六电阻器的输出端分别连接至第七电阻器和第八电阻器的输入端；

第七电阻器的输出端连接至信号参考端；第八电阻器的输出端连接至第四加法器的输入端；放大器的输出端作为所述跨阻运算器的输出端。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述跨阻运算器的输入端与第四加法器的输入端之间还设有一个等效杂散电容；

等效杂散电容的输出端连接至信号参考端。

6.根据权利要求4所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述跨阻运算器的输入端与第四加法器的输入端之间还串联一个等效匹配阻抗。

7.根据权利要求4所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述第五加法器的输出端还连接有一个由第五电阻器产生的寄生电容；

寄生电容的输出端连接至信号参考端；

所述放大器的输出端与第五加法器的输入端之间设有一与第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器产生的寄生电容等效的第一等效并联寄生电容；

所述放大器的输出端与第四加法器的输入端之间设有一与第六电阻器、第七电阻器和第八电阻器产生的寄生电容等效的第二等效并联寄生电容。

8.根据权利要求1所述的陀螺仪速率解析装置，其特征在于，

所述数字信号测频电路、数字信号解调电路以及数字信号滤波电路采用可编程器件实现，其中，所述可编程器件包括FPGA、单片机、DSP或计算机。

9.一种差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析方法，基于权利要求1至8任一项所述的差分带通式调频MEMS陀螺仪速率解析装置，其特征在于，所述方法包括步骤：

I.陀螺仪的两个振动模态分别以差分信号形式输出四路正弦波信号；

其中，有两路正弦波信号为第一振动模态的正输出信号以及第一振动模态的负输出信号，有两路正弦波信号为第二振动模态的正输出信号以及第二振动模态的负输出信号；

以上四路正弦波信号分别经过一个跨阻运算器进行直流偏置噪声和高频噪声滤除处理，噪声滤除后，每个跨阻运算器输出稳定可传输的正弦波信号；

对应第一振动模态的两路正弦波信号分别输入到第一差分运算器的正、负输入端，对应第二振动模态的两路正弦波信号分别输入到第二差分运算器的正、负输入端；

在第一差分运算器内将正弦波信号由跨阻运算器向第一差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第一振动模态的正弦波信号；

在第二差分运算器内将正弦波信号由跨阻运算器向第二差分运算器传输过程中产生的共模传输噪声滤除，得到同频率且2倍幅值的第二振动模态的正弦波信号；

第一振动模态的正弦波信号经第一比较运算器得到与第一振动模态同频率的方波信号，第二振动模态的正弦波信号经第二比较运算器得到与第二振动模态同频率的方波信号；

经由第一比较运算器和第二比较运算器输出的两路方波信号进入数字信号测频电路；

II.数字信号测频电路接收到与第一振动模态同频率的方波信号以及与第二振动模态同频率的方波信号后，分别对两路方波信号进行测频处理；

测频处理后分别得到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息；

以上两个振动模态的频率信息进入数字信号解调电路；

III.数字信号解调电路接收到第一振动模态的频率信息和第二振动模态的频率信息后，将两个振动模态的频率信息相加得到作为待解调信号；

对待解调信号进行I/Q解调得到同相位信号和正交相位信号；其中，I/Q解调得到的同相位信号中包含MEMS陀螺仪输出的角速率信息和高次谐波分量；

将同相位信号输出到数字信号滤波电路；

IV.数字信号滤波电路接收到数字信号解调电路输出的同相位信号后，并将同相位信号中的高次谐波分量滤除掉，得到MEMS陀螺仪输出的角速率信息。

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