CN111964655A - 一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路 - Google Patents

一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路，包括驱动检测电路(2)、驱动信号调理电路(3)、处理器电路(4)、驱动信号调理电路(5)；所述驱动检测电路(2)用于将石英音叉传感器(1)由压电效应产生表征驱动叉指位移量的电荷信号转换为电压信号，输出驱动位移信号(11)；所述驱动信号调理电路(3)用于将驱动位移信号(11)转换为电平与处理器(4)电平相匹配的驱动检测信号(12)；所述处理器电路(4)实现驱动幅值的自动增益控制，产生与驱动位移信号(11)同频率的驱动控制信号(16)；所述驱动信号调理电路(5)生成驱动石英音叉传感器的驱动信号(17)。本发明实现了驱动电路小体积、低功耗。

Description

一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路
技术领域
本发明专利属于石英音叉陀螺仪测控电路技术领域，特别是涉及一种用于石英音叉陀螺仪驱动回路。
背景技术
石英音叉陀螺仪属于一种典型的MEMS惯性仪表，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，目前已在短时导航、姿态控制、小型无人机等领域得到了广泛应用。传统石英音叉陀螺仪多为模拟输出，即输出信号为模拟电压量，以此表征所敏感到角速度大小，在用户时均需对其输出信号进行模数转换，此种应用环境存在传输过程易受干扰、模数转换精度要求高等缺点，而数字化输出的石英音叉陀螺仪在使用中则无上述问题，因此目前数字化已成为石英音叉陀螺仪发展的趋势。
石英音叉陀螺仪测控电路主要包含驱动电路和检测电路两部分，驱动电路目前实现方法主要有自激振荡+增益控制和锁相环+增益控制两种，其中自激振荡+增益控制多为模拟电路实现，锁相环+增益控制多为数字电路实现。基于锁相环+增益控制方案的数字化陀螺驱动电路主要存在以下不足：
(1)电路体积大。基于锁相环+增益控制的电路方案需选用专用锁相环芯片或采用设计相应的锁相环电路，两种方式均会导致电路器件增多、体积增大。此种方式由于需要进行高频采样，因此处理器多选用DSP或FPGA，目前市场常用DSP或FPGA体积均相对较大，不符合MEMS惯性器件小体积的要求。
(2)电路功耗大。基于锁相环+增益控制的数字驱动电路由于选用了锁相环电路和高性能DSP或者FPGA等功耗较大器件，导致陀螺仪整体功耗增加，通常可达W量级，与MEMS惯性器件低功耗的发展趋势与应用需求相悖。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种石英音叉陀螺仪的数字化驱动电路，在保证电路小体积、低功耗的前提下实现石英音叉陀螺仪的驱动闭环控制。
为解决上述技术问题，本发明采取技术方案如下：
一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路，包括驱动检测电路、驱检信号调理电路、处理器电路、驱动信号调理电路，所述驱动检测电路、驱动信号调理电路的输入、输出端分别与石英音叉传感器的输入、输出端分别与连接；
所述驱动检测电路用于将石英音叉传感器由压电效应产生表征驱动叉指位移量的电荷信号转换为电压信号，输出驱动位移信号；
所述驱检信号调理电路用于将驱动位移信号转换为电平与处理器电平相匹配的驱动检测信号送至所述处理器电路；
所述处理器电路实现驱动幅值的自动增益控制，产生与驱动位移信号同频率的驱动控制信号；
所述驱动信号调理电路将驱动控制信号幅值放大后生成驱动石英音叉传感器的驱动信号。
进一步地，所述处理器包括模数转换器、DMA、幅值检测模块、PI模块、比较器和数模转换器；
所述驱动检测信号分为两路，一路信号经模数转换器转换后通过DMA送至幅值检测模块，生成驱动幅值信号送至PI模块，与PI模块内部预设的驱动幅值参考信号对比产生的误差信号，通过PI算法生成PI控制信号，用于控制数模转换器输出的驱动控制信号的幅值；另一路信号送至比较器，生成用于触发数模转换器输出的时钟信号，用于触发数模转换器输出。
进一步地，所述驱动电路由一片四通道运算放大器、一片处理器芯片和外围阻容构成，其中，所述驱动检测电路、驱检信号调理电路以及驱动信号调理电路通过一片四通道运算放大器实现。
本发明提出了一种基于自激振荡+增益控制的石英音叉陀螺仪数字驱动电路设计方法，与现有技术对比，有益效果如下：
1)通过改进电路设计方案、充分利用处理器内置外设，大幅降低驱动电路的复杂程度，本发明中，驱动检测电路、驱检信号调理电路以及驱动信号调理电路均可由运算放大器构建，因此实现了石英音叉陀螺仪数字驱动电路的小型化设计。
2)通过改进模数转换的控制方法、优化幅值检测和PI控制算法降低了数字驱动电路对处理器的要求，选用目前常用的微处理器即可实现驱动回路控制，降低了电路整体功耗。
附图说明
图1是本发明实施例的石英音叉陀螺仪数字化驱动电路示意图；
图中：1.石英音叉，2.驱动检测电路，3.驱检信号调理电路，4.处理器电路，5.驱动信号调理电路，41.模数转换器，42.DMA，43.幅值检测模块，44.PI模块，45.比较器，46.数模转换器，11.驱动位移信号，12.驱动检测信号，13.时钟信号，14.驱动幅值，15.PI控制信号，16.驱动控制信号，17.驱动信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例中，一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路由被控对象石英音叉传感器1、驱动检测电路2、驱检信号调理电路3、处理器电路4、驱动信号调理电路5组成。其中石英音叉传感器通常包含一个输入端和一个输出端，分别与驱动检测电路2、驱动信号调理电路5的输入、输出端连接。
驱动检测电路2用于将石英音叉传感器由压电效应产生表征驱动叉指位移量的电荷信号(该电荷量变化正比于驱动振动位移)转换为电压信号，通常采用电荷放大器实现，输出驱动位移信号11。
为提高石英音叉传感器增益，通常需使驱动位移信号11保持在一定电压值，通常在3～5V范围内，此信号与本实施例中处理器电路4的电压范围(通常为3.3V)不匹配，因此需对驱动位移信号11进行调理，驱动位移信号11经过驱检信号调理电路3后生成与处理器电路4的电压匹配的驱动检测信号12。
驱动检测信号12分为两路，一路送至处理器电路4中的模数转换器41转换为处理器可识别的数字量，该数字量由处理器内部DMA送至幅值检测模块43，生成驱动幅值信号14，驱动幅值信号14送至PI模块44，与PI模块内部预设的驱动幅值参考信号对比产生的误差信号，通过PI算法生成PI控制信号15，该控制信号用于控制数模转换器46输出的驱动控制信号16的幅值，实现驱动幅值的自动增益控制；另一路驱动检测信号12送至比较器45，生成用于触发数模转换器46输出的时钟信号13，在处理器内4部用于触发数模转换器46输出，从而产生与驱动位移信号11同频率的驱动控制信号，实现驱动回路自激振荡。模数转换器41、比较器45、数模转换器46均为处理器4内置外设，处理器4可选用通用微处理器。
处理器电路4输出的驱动控制信号16幅值范围为0～3.3V，为提高石英音叉传感器增益，需使驱动信号17保持在0～5V范围内，因此需对驱动控制信号16进行调理，驱动信号调理电路5将驱动控制信号16幅值放大后生成驱动石英音叉传感器的驱动信号17。
进一步地，本实施例中，所述驱动电路由一片四通道运算放大器、一片处理器芯片和外围阻容构成，其中，所述驱动检测电路2、驱检信号调理电路3以及驱动信号调理电路5通过一片四通道运算放大器实现，从而实现了石英音叉陀螺仪数字驱动电路的小型化设计。

Claims (3)

1.一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路，其特征在于，包括驱动检测电路(2)、驱检信号调理电路(3)、处理器电路(4)、驱动信号调理电路(5)，所述驱动检测电路(2)、驱动信号调理电路(5)的输入、输出端分别与石英音叉传感器(1)的输入、输出端分别与连接；
所述驱动检测电路(2)用于将石英音叉传感器(1)由压电效应产生表征驱动叉指位移量的电荷信号转换为电压信号，输出驱动位移信号(11)；
所述驱检信号调理电路(3)用于将驱动位移信号(11)转换为电平与处理器(4)电平相匹配的驱动检测信号(12)送至所述处理器电路(4)；
所述处理器电路(4)实现驱动幅值的自动增益控制，产生与驱动位移信号(11)同频率的驱动控制信号(16)；
所述驱动信号调理电路(5)将驱动控制信号(16)幅值放大后生成驱动石英音叉传感器的驱动信号(17)。
2.如权利要求1所述的一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路，其特征在于，所述处理器(4)包括模数转换器(41)、DMA(42)、幅值检测模块(43)、PI模块(44)、比较器(45)和数模转换器(46)；
所述驱动检测信号(12)分为两路，一路信号经模数转换器(41)转换后通过DMA(42)送至幅值检测模块(43)，生成驱动幅值信号(14)送至PI模块(44)，与PI模块(44)内部预设的驱动幅值参考信号对比产生的误差信号，通过PI算法生成PI控制信号(15)，用于控制数模转换器(46)输出的驱动控制信号(16)的幅值；另一路信号送至比较器(45)，生成用于触发数模转换器(46)输出的时钟信号(13)，用于触发数模转换器(46)输出。
3.如权利要求1所述的一种石英音叉陀螺仪数字驱动电路，其特征在于，所述驱动电路由一片四通道运算放大器、一片处理器芯片和外围阻容构成，其中，所述驱动检测电路(2)、驱检信号调理电路(3)以及驱动信号调理电路(5)通过一片四通道运算放大器实现。
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