CN115127534B - 一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法 - Google Patents
一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及石英陀螺,尤其涉及一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法。
背景技术
半球谐振陀螺是基于哥氏效应敏感外界角速度。相比传统机械陀螺,它结构简单,核心工作部件只有石英谐振子和电极基座,并且依靠微幅振动工作,无机械磨损,使其具有造价低、可靠性高、寿命长的特点。中国虽然是为数不多的能完全自主生产半球谐振陀螺的国家之一,但所生产的陀螺在性能、一致性等方面与美国、法国、俄罗斯等相比还存在差距,为了缩小国产陀螺与世界领先水平的差距,一方面要对陀螺和谐振子制造、加工工艺进行突破,另一方面则要对陀螺控制中伺服电路检测精度和检测速度提出更高的要求。
发明内容
半球谐振陀螺中控制线路中的检测线路存在相位误差。在检测通道上,由于电阻电容等器件的非理想性,温度和老化等环境的变化会导致阻值容值变化。这样,检测线路上对于信号的相位延时会产生变化,影响相位检测的准确性。因此本发明基于半球谐振陀螺的工作原理,采用载波调制正弦波相位检测补偿方法,消除了由于环境变化检测通道上产生的相位误差。
实现本发明目的技术方案, 本发明提供了一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法,包括如下步骤:
S1. 将DA芯片产生1MHz的零相位正弦载波信号,与陀螺电极检测信号叠加,接到AD输入端;
S4.将S3步骤中获得陀螺真实信号同相和正交分量通过滤波器滤除其中二倍频成分,将滤除二倍频成分后的陀螺真实信号同相和正交分量联立求解,获得陀螺在x电极上正弦波的真实信号相位及正弦波幅值、在y电极上正弦波的真实信号相位及正弦波幅值。
所述S3中陀螺振动在x电极真实信号为,其经过检测电路
处理后得到的信号为;陀螺振动在y电极真实信号为,经过检测线路处理后得到的信号为,由于
检测电路的延迟,陀螺在x电极真实信号相位经过的相移,检测电路得到的信号相
位,,在y电极真实信号相位经过的相移,检测电路得到的信
号相位,,为x电极上正弦波幅值,为y电极上正弦波幅值。
步骤S3中获得陀螺真实信号同相和正交分量为:
步骤S4中滤除二倍频成分后的陀螺真实信号同相和正交分量为:
步骤S1中DA芯片采用更新速率至少为50MSPS。
步骤S1中DA芯片采用最大分辨率至少为16bit。
本发明的有益效果是:
本发明基于半球谐振陀螺的工作原理,采用载波调制正弦波相位检测补偿方法,得到补偿后的检测信号相位,消除了由于环境变化检测通道上产生的相位误差,可实时且高精度获取陀螺振动位移数据,抑制通道相位漂移及电路非线性。
附图说明
图1是本发明检测电路原理图;
图2是本发明检测原始信号示意图;
图3是本发明DA生成信号示意图;
图4是本发明谐振运动轨迹模型。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
半球谐振陀螺谐振子的运动轨迹等效为一个二维摆。在恒定的外角速率下,其重心轨迹呈椭圆型,如图4所示。
为了获得谐振子运动状态,在x、y方向上分别设置谐振子检测电极,并采用锁相环作为外部参考信号发生器以跟踪谐振子的运动。谐振子在x、y方向上运动方程为
其中,为椭圆半长轴(主波振幅)、为椭圆半短轴(正交波振幅)、为半长轴转
角(驻波进动角)、为谐振子固有频率;为振动初始相位,为x电极上正弦波幅值,为y电极上正弦波幅值,为x电极上正弦波真实信号相位,为y电极上正弦波真实
信号相位。
电极检测信号通常是5000Hz(±200Hz)的正弦波信号,将x,y电极的输出模型抽象为公式(1)
对于电极的检测,经过运放电路,进入到AD端的信号变为,
相位补偿方法:
利用公式(2) (3) (4) (5),
滤除二倍频后得到
真实陀螺信号在x电极上的分量的同相部分为,正交部分为在y电极上的分
量的同相部分为,正交部分为,其中包含着陀螺在x电极上正弦波真实信号相位、
在y电极上正弦波真实信号相位、 在x电极上正弦波的幅值及在y电极上正弦波幅值。
由于为陀螺在x电极的输出信号,而为
陀螺在y电极的输出信号,均为已知信号,构建的参考信号和,由于可以通过公式(5)求得,也便为已知信号,故、及、
均可通过信号乘积求解,滤除二倍频后通过公式(12)(13)(14)(15)联立求解、、、。
载波信号误差分析:
1MHz载波的数据由matlab产生,并将数据经过量化后存储在FPGA的ROM中,作为查
找表。而查找表的载波生成在实现中是非理想的。本方法所需的估计精度为1e-6°以满
足陀螺检测信号的精度需求,根据公式(4)(5),得到的估计精度要达到2e-4°,所以产生
低噪声的载波信号也是本方法设计的目标,所以要对产生的载波信号进行误差分析。
理想查找表理想化数学模型,所谓的理想参数具备三个条件:
(1)没有相位舍入位误差,即相位累加器的N位输出都用于ROM寻址。
(2)没有幅度量化误差,即ROM输出值用于无限长的码来表示。
(3) DAC的分辨率无穷大、并且DAC具有理想的数模转换特性。
实际载波生成并不满足以上3个条件,由于查找表的全数字化结构,因而实际的载波的查找表实现存在着固有的误差。其主要误差来源于三个:
(1)相位截断误差:在实际电路中,为了取得一定的频率分辨率,通常相位累加器的位数N取得很大,如N = 24,32,48等,但受体积和成本的限制,ROM的容量却远小于2^N,因此寻址ROM时,累加器输出相位序列的低B位就被舍去,而只用其输出的高M(M = N -B)位去寻址,这样就不可避免地引入误差。量化的目的是减小查找表的存储空间,其代价是降低了频谱纯度。
(2)幅度量化误差:ROM中存储着正弦波样点的幅值编码,任何一个幅值要用无限长的比特流才能精确表示,而实际中ROM的输出位D是个有限值,这样就引入了幅度量化误差。
(3) DAC转换误差:DAC的有限分辨率、非线性特性、瞬间毛刺及转换速率等非理想转换特性会影响查找表输出频谱的纯度,产生杂散分量,我们使用SFDR(无杂散动态范围)来评价这一指标。
因为第(3)是外部器件引入的,现在只对前面两个误差来进行分析
(1)无误差模型:累加器是20bit,输出的相位也是20bit,且查找表不进行量化相当于查找表的位宽无限大,这样没有任何精度损失,这样算得SFDR为319.31dB
(2)相位截断误差引起的杂散。累加器是20bit,输出的相位是10bit,且查找表不进行量化相当于查表的位宽无限大,这样只反映了相位截断误差引起的杂散。相位截断误差引起的杂散。累加器是20bit,输出的相位是10bit,且查找表不进行量化相当于查表表的位宽无限大,这样只反映了相位截断误差引起的杂散。这样算得SFDR为60.20dB。
(3)在实际FPGA实现的过程中,在相位截断的情况下肯定也会存在幅度量化引发的误差。累加器是20bit,输出的相位是10bit,查找表的位宽为7bit。这时SFDR为50.73dB。
由此可见,相位位宽决定了SFDR的最大性能,数据位宽降低会降低SFDR性能。
在相位截断的方法实现查找表时,由于量化操作引入相位误差。相位误差是周期性序列,误差造成的影响反应在频谱上就是出现非期望的谱线。可以通过加性随机信号来打破查找表地址误差的规律性。随机信号序列称为抖动,是一个方差近似等于相位累加器最低整数位的噪声序列,在高精度累加器输出送入量化器之前加上抖动序列,实现相位抖动的查找表。与截断方法相比,相位抖动相当于有12dB左右的附加无杂散动态范围。
所以在实现时,需要根据以上分析,设计合理的相位位宽和数据位宽。另外使用相位抖动方法,以提高SFDR性能。
(3)基于载波调制的正弦波相位检测补偿线路方案
检测电路如图1所示:AD采用采样率为41MSPS的AD芯片(检查),具有12bit分辨率。DA采用具有50MSPS更新速率,最大16bit的分辨率,选择分辨率高的DA和更新速率快的DA的目的是为了提高SFDR。DA的分辨率大小限制了最大SFDR的水平;DA的更新率越大,可以获得更大的相位位宽,从而提高最大SFDR的水平
在检测阶段,FPGA通过查找表产生1MHz初始零相位的正弦信号。输入时钟为40MHz。产生1MHz的频率,要求分辨率达到10μHz。根据公式(16)
其中符号代表向上取整,为输入时钟,为10uHz频率的分辨率,算出相位
分辨率为42bit,根据DA分辨率16bit设置查找表数据输出位宽为16bit。初始相位
设置为0,为得到输出频率1MHz,根据频率生成公式
晶振选取恒温晶振,时钟为50MHz。其频率温度稳定性可以达到0.01ppm,从而使载
波频率的稳定性达到0.01ppm/℃。电路实现如图1所示,载波通过FPGA送入到DA中。原始输
入信号形式如图2所示,DA信号与输入信号相叠加,结果如图3所示。经运算放大器
后进入AD芯片输入端。在FPGA中通过锁相环,分别对1MHz和输入信号的频率(一般是5000Hz
左右)进行锁频锁相,便得到公式(4)中的,此时输入信号的频率为检测信号频率。
本发明基于半球谐振陀螺的工作原理,采用载波调制正弦波相位检测补偿方法,消除了由于环境变化检测通道上产生的相位误差,可实时且高精度获取陀螺振动位移数据,抑制通道相位漂移及电路非线性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1. 将DA芯片产生1MHz的零相位正弦载波信号,与陀螺电极检测信号叠加,接到AD输入端;
S4.将S3步骤中获得陀螺真实信号同相和正交分量通过滤波器滤除其中二倍频成分,将滤除二倍频成分后的陀螺真实信号同相和正交分量联立求解,获得陀螺在x电极上正弦波的真实信号相位及正弦波幅值、在y电极上正弦波的真实信号相位及正弦波幅值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法,其特征在于,步骤S1中DA芯片采用更新速率至少为50MSPS。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法,其特征在于,步骤S1中DA芯片采用最大分辨率至少为16bit。
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