CN114427854B - 一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，包括：C/V转换电路、放大电路、可调移相电路、相敏解调电路、控制器以及反馈加力电路；C/V转换电路根据检测电容阵列产生的电流信号转换成电压信号；放大电路与C/V转换电路连接以放大电压信号；可调移相电路用于相位调整输出解调波；相敏解调电路分别与放大电路和可调移相电路连接以根据放大后的电压信号和解调波进行相敏解调；控制器与相敏解调电路连接以根据相敏解调后的电压信号输出控制信号；反馈加力电路与控制器连接以根据控制信号向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中微机电陀螺的正交耦合误差大导致微机电陀螺的综合性能降低的技术问题。

Description

一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路

技术领域

本发明涉及微机电陀螺误差抑制技术领域，尤其涉及一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路。

背景技术

近十年来，硅微机电陀螺以小体积、低功耗、高精度和低成本等特点，在国内外的工业稳定平台、工业无人机、测绘等领域得到了快速发展及应用。以挪威Sensonor公司的经典型号STIM300 IMU为例，其内部的陀螺仪在±400°/s量程下已经达到0.3°/h的零偏稳定性。在国内，主流的硅微机电陀螺样机的零偏稳定性也达到1°/h～10°/h。陀螺精度的进一步提升受到微加工工艺误差、测控电路误差和工作环境变化等因素影响，制约零偏稳定度、噪声水平、全温零位变化等指标的进一步提升，现有技术中微机电陀螺的正交耦合误差较大导致微机电陀螺的综合性能降低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，该微机电陀螺正交耦合误差抑制电路包括：C/V转换电路、放大电路、可调移相电路、相敏解调电路、控制器以及反馈加力电路；C/V转换电路根据检测电容阵列产生的电流信号转换成电压信号；放大电路与C/V转换电路连接以放大电压信号；可调移相电路用于相位调整输出解调波；相敏解调电路分别与放大电路和可调移相电路连接以根据放大后的电压信号和解调波进行相敏解调；控制器与相敏解调电路连接以根据相敏解调后的电压信号输出控制信号；反馈加力电路与控制器连接以根据控制信号向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。

进一步地，可调移相电路采用可变时延法或两级单回路构成的变容二极管调相电路。

进一步地，两级单回路构成的变容二极管调相电路包括耦合电阻、第一耦合电容和变容二极管电路，驱动检测电压输入Ui依次经过耦合电阻和第一耦合电容进入变容二极管电路。

进一步地，变容二极管电路包括第一级谐振调相电路、第二级谐振调相电路和第二耦合电容，第一级谐振调相电路与第一耦合电容连接，第二耦合电容将第一级谐振调相电路的调相输出耦合至第二级谐振调相电路，第二级谐振调相电路输出解调波。

进一步地，第一级谐振调相电路包括第一电阻、第一电感、第一变容二极管和第一电容，第一电阻与第一电感并联后与第一电容串联，再与第一变容二极管并联；第二级谐振调相电路包括第二电阻、第二电感、第二变容二极管和第二电容，第二电阻与第二电感并联后与第二电容串联，再与第二变容二极管并联，，第二变容二极管的负极输出解调波。

进一步地，变容二极管电路还包括第三电容、第三电阻和第四电阻，调制信号Uw依次通过第三电容和第三电阻耦合至第一变容二极管和第二变容二极管的负极，直流偏置电压Udc通过第四电阻加载至第一变容二极管和第二变容二极管的负极。

进一步地，相敏解调电路包括乘法器和低通滤波器，乘法器分别与放大电路、可调移相电路和低通滤波器连接。

进一步地，控制器采用数字PI控制器或模拟PI控制器。

进一步地，控制器采用基于单神经元的智能数字PID控制器，基于单神经元的智能数字PID控制器包括状态转换器、学习算法模块和比例放大器，低通滤波器输出的信号Ue经过状态转换器后生成多个误差信号，学习算法模块生成的多个加权系数，多个误差信号与多个加权系数一一对应，多个误差信号分别与各自对应的加权系数相乘后进行叠加，再通过比例放大器生成控制信号Uf发送给反馈加力电路。

进一步地，反馈加力电路对控制信号进行功率放大和正反相分组后向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。

应用本发明的技术方案，提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，该微机电陀螺正交耦合误差抑制电路的可调移相电路进行相位调整输出解调波，相敏解调电路根据C/V转换电路和放大电路输出的信号以及解调波进行相敏解调，控制器根据相敏解调后的信号输出控制信号，通过反馈加力电路输出正交抑制电压到微机电陀螺的检测电容阵列。该电路能有效抑制正交耦合误差，提高微机电陀螺的综合性能指标。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中微机电陀螺的正交耦合误差较大导致微机电陀螺的综合性能降低的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路的原理示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的两级单回路构成的变容二极管调相电路的原理示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的基于单神经元的智能数字PID控制器的原理示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、刚度耦合力；2、微机电陀螺的检测电容阵列；3、微机电陀螺正交耦合误差抑制电路；31、C/V转换电路；32、放大电路；33、可调移相电路；34、乘法器；35、低通滤波器；36、控制器；37、反馈加力电路；4；耦合电阻；5、第一耦合电容；6、第一电阻；7、第一电感；8、第一变容二极管；9、第二耦合电容；10、第二电阻；11、第二电感；12、第二变容二极管；13、第二电容；14、第四电阻；15、第一电容；16、第三电阻；17、第三电容；18、状态转换器；19、学习算法模块；20、比例放大器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，该微机电陀螺正交耦合误差抑制电路包括：C/V转换电路31、放大电路32、可调移相电路33、相敏解调电路、控制器36以及反馈加力电路37；C/V转换电路31根据检测电容阵列产生的电流信号转换成电压信号；放大电路32与C/V转换电路31连接以放大电压信号；可调移相电路33用于相位调整输出解调波；相敏解调电路分别与放大电路32和可调移相电路33连接以根据放大后的电压信号和解调波进行相敏解调；控制器36与相敏解调电路连接以根据相敏解调后的电压信号输出控制信号；反馈加力电路37与控制器36连接以根据控制信号向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。

应用此种配置方式，提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，该微机电陀螺正交耦合误差抑制电路的可调移相电路33进行相位调整输出解调波，相敏解调电路根据C/V转换电路31和放大电路32输出的信号以及解调波进行相敏解调，控制器36根据相敏解调后的信号输出控制信号，通过反馈加力电路37输出正交抑制电压到微机电陀螺的检测电容阵列。该电路能有效抑制正交耦合误差，提高微机电陀螺的综合性能指标。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中微机电陀螺的正交耦合误差较大导致微机电陀螺的综合性能降低的技术问题。

进一步地，在本发明中，C/V转换电路31采用跨阻放大形式实现，使用低噪声、低温漂和高输入阻抗运放，反相输入端与陀螺检测电极连接，在C/V转换电路31的运放反相输入端和输出端跨接一个电容和电阻，将电容变化转换成电压变化。

此外，在本发明中，放大电路32采用反相放大形式实现，可配置为一级放大电路，在一级放大电路的运放输入端和上一级C/V转换电路31的输出连接一个放大输入电阻，一级放大电路的运放输入端和输出端之间连接一个放大反馈电阻，实现对C/V转换电路31输出电压信号的放大。

进一步地，在本发明中，可调移相电路33可采用可变时延法或两级单回路构成的变容二极管调相电路，以根据C/V转换电路31和放大电路32的输出信号的相位特性实现90°±90°范围内线性化的相位调整，满足陀螺调相90°±10°的要求。

作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，两级单回路构成的变容二极管调相电路包括耦合电阻4、第一耦合电容5和变容二极管电路，驱动检测电压输入Ui依次经过耦合电阻4和第一耦合电容5，进入变容二极管电路。变容二极管电路包括第一级谐振调相电路、第二级谐振调相电路和第二耦合电容9，第一级谐振调相电路与第一耦合电容5连接，第二耦合电容9将第一级谐振调相电路的调相输出耦合至第二级谐振调相电路，第二级谐振调相电路输出解调波。

第一级谐振调相电路包括第一电阻6、第一电感7、第一变容二极管8和第一电容15，第一电阻6与第一电感7并联后与第一电容15串联，再与第一变容二极管8并联。第二级谐振调相电路包括第二电阻10、第二电感11、第二变容二极管12和第二电容13，第二电阻10与第二电感11并联后与第二电容13串联，再与第二变容二极管12并联，第二变容二极管12的负极输出U₀解调波。

变容二极管电路还包括第三电容17、第三电阻16和第四电阻14，调制信号Uw依次通过第三电容17和第三电阻16耦合至第一变容二极管8和第二变容二极管12的负极，直流偏置电压Udc通过第四电阻14加载至第一变容二极管8和第二变容二极管12的负极。调制信号Uw的正负和大小分别决定了相位调节的方向和大小。

该两级单回路构成的变容二极管调相电路调相范围为90°±90°，满足陀螺调相90°±10°的要求。调制信号Uw可以通过数字控制24位DAC(数模转换器)输出获得，确保精细度满足调相的分辨率要求。

此外，在本发明中，相敏解调电路包括乘法器34和低通滤波器35。乘法器34可以采用专用乘法器芯片，分别与放大电路32、可调移相电路33和低通滤波器35连接，一个输入为驱动检测信号经过可调移相电路33后的解调波，另一个输入为一级放大电路放大后的电压信号，输入传递至低通滤波器35。低通滤波器35可采用模拟二阶或四阶低通滤波器实现，滤波器型式可以为巴特沃斯或切比雪夫等类型。

进一步地，在本发明中，控制器36采用数字PI控制器或模拟PI控制器，控制器36与低通滤波器35连接，以低通滤波器35输出的信号作为控制器36的输入，与参考信号比较后，形成控制误差并经过PI运算后，生成输出控制信号。

如图3所示，控制器36可采用基于单神经元的智能数字PID控制器，基于单神经元的智能数字PID控制器包括状态转换器、学习算法模块和比例放大器，低通滤波器35输出的信号Ue经过状态转换器18后生成多个误差信号，学习算法模块19生成的多个加权系数，多个误差信号与多个加权系数一一对应，多个误差信号分别与各自对应的加权系数相乘后进行叠加，再通过比例放大器20生成控制信号Uf，控制信号Uf发送给反馈加力电路37。学习算法模块19可以采用有监督的Delta学习或有监督的Hebb学习实现。

作为本发明的一个具体实施例，可设置低通滤波器35输出的信号Ue经过状态转换器18后生成三个误差信号x1、x2和x3，相应地，学习算法模块19生成的三个加权系数w1、w2和w3，三个误差信号x1、x2和x3与三个加权系数w1、w2和w3分别一一对应。

此外，在本发明中，反馈加力电路37与控制器36连接，控制器36输出的控制信号经过反馈加力电路37功率放大和正反相分组后输出正交抑制电压，施加到对应的微机电陀螺的检测电容阵列2上，即微机电陀螺的正交矫正电极上。

在本发明中，正交耦合误差产生的刚度耦合力1作用在微机电陀螺的检测电容阵列2上，检测电容阵列2产生的电流信号传递至本发明的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，反馈加力电路37输出正交抑制电压后施加到检测电容阵列2上。

本发明的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路设计了精密、可调的移相电路，能够产生精确可调相移信号，受电路增益误差、环境温度和元器件参数误差等因素影响，实际测得的正交信号与敏感轴检测信号相位不一定差90°，而是存在一定偏差，本发明的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路中的正交误差解调信号可根据实际情况进行自动调整，自动产生准确的90°相移信号，保证了精准解调。本发明的电路能够适应驱动检测信号与敏感轴检测之间的非理想相位差，在90°±90°范围内进行线性化相位调整，使正交耦合误差被精确解调，避免了相位泄露。

本发明设计了具有良好工程适应能力的控制器，本发明的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路中的控制器可以是数字PI控制器或模拟PI控制器，与常规开环的正交误差抑制电路相比，能够有效根据陀螺自身的结构误差、电路增益特性以及外部环境如温度、振动等变化，实时产生不同的反馈加力，具有良好的环境适应性和工程实用价值。

综上所述，本发明提供了一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，该微机电陀螺正交耦合误差抑制电路的可调移相电路进行相位调整输出解调波，相敏解调电路根据C/V转换电路和放大电路输出的信号以及解调波进行相敏解调，控制器根据相敏解调后的信号输出控制信号，通过反馈加力电路输出正交抑制电压到微机电陀螺的检测电容阵列。该电路能有效抑制正交耦合误差，提高微机电陀螺的综合性能指标。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中微机电陀螺的正交耦合误差较大导致微机电陀螺的综合性能降低的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述微机电陀螺正交耦合误差抑制电路包括：C/V转换电路、放大电路、可调移相电路、相敏解调电路、控制器以及反馈加力电路；所述C/V转换电路根据检测电容阵列产生的电流信号转换成电压信号；所述放大电路与所述C/V转换电路连接以放大电压信号；所述可调移相电路用于相位调整输出解调波；所述相敏解调电路分别与所述放大电路和所述可调移相电路连接以根据放大后的电压信号和解调波进行相敏解调；所述控制器与所述相敏解调电路连接以根据相敏解调后的电压信号输出控制信号；所述反馈加力电路与所述控制器连接以根据控制信号向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述可调移相电路采用可变时延法或两级单回路构成的变容二极管调相电路。

3.根据权利要求2所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述两级单回路构成的变容二极管调相电路包括耦合电阻、第一耦合电容和变容二极管电路，驱动检测电压输入Ui依次经过所述耦合电阻和所述第一耦合电容进入所述变容二极管电路。

4.根据权利要求3所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述变容二极管电路包括第一级谐振调相电路、第二级谐振调相电路和第二耦合电容，所述第一级谐振调相电路与所述第一耦合电容连接，所述第二耦合电容将所述第一级谐振调相电路的调相输出耦合至所述第二级谐振调相电路，所述第二级谐振调相电路输出解调波。

5.根据权利要求4所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述第一级谐振调相电路包括第一电阻、第一电感、第一变容二极管和第一电容，第一电阻与第一电感并联后与第一电容串联，再与第一变容二极管并联；所述第二级谐振调相电路包括第二电阻、第二电感、第二变容二极管和第二电容，第二电阻与第二电感并联后与第二电容串联，再与第二变容二极管并联，所述第二变容二极管的负极输出解调波。

6.根据权利要求5所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述变容二极管电路还包括第三电容、第三电阻和第四电阻，调制信号Uw依次通过第三电容和第三电阻耦合至第一变容二极管和第二变容二极管的负极，直流偏置电压Udc通过第四电阻加载至第一变容二极管和第二变容二极管的负极。

7.根据权利要求1所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述相敏解调电路包括乘法器和低通滤波器，乘法器分别与放大电路、可调移相电路和低通滤波器连接。

8.根据权利要求1所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，控制器采用数字PI控制器或模拟PI控制器。

9.根据权利要求1所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，控制器采用基于单神经元的智能数字PID控制器，所述基于单神经元的智能数字PID控制器包括状态转换器、学习算法模块和比例放大器，低通滤波器输出的信号Ue经过所述状态转换器后生成多个误差信号，所述学习算法模块生成的多个加权系数，多个误差信号与多个加权系数一一对应，多个误差信号分别与各自对应的加权系数相乘后进行叠加，再通过所述比例放大器生成控制信号Uf发送给所述反馈加力电路。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机电陀螺正交耦合误差抑制电路，其特征在于，所述反馈加力电路对控制信号进行功率放大和正反相分组后向微机电陀螺的检测电容阵列输出正交抑制电压。

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