CN115143946B - 半球谐振陀螺用开关的切换设计方法 - Google Patents

半球谐振陀螺用开关的切换设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半球谐振陀螺应用技术领域，提供一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，包括如下步骤：S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排。本发明通过基于分时复用控制模式对模拟开关进行选型和电路设计，实现降低由于通开关切换导致的增益误差和相位误差，提高了半球谐振陀螺控制精度。

Description

半球谐振陀螺用开关的切换设计方法
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺应用技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法。
背景技术
半球谐振陀螺是基于哥氏效应感测外界角速度，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。
由于半球谐振子和电极加工工艺的限制及电子器件的不一致性，半球谐振陀螺的开关切换过程中的过渡会引入额外误差；驱动通道与检测通道均存在电极增益和时延的不一致性；驱动与检测的同时进行，也存在着驱动信号对检测信号的耦合干扰，严重影响半球谐振陀螺的控制精度。
发明内容
本发明提供一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，用以解决现有技术中开关切换对半球谐振陀螺电极信号的影响，导致降低半球谐振陀螺的控制精度的缺陷，实现降低了由于开关切换导致的增益误差和相位误差，提高了半球谐振陀螺控制精度。
本发明提供一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，包括如下步骤：
S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；
S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；
S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；
S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S10步骤中，所述模拟开关的型号为MAX4603。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S10步骤中，还包括：
计算模拟开关的导通电阻曲线的平坦度。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S30步骤中，还包括：
分别确定模数转换器和数模转换器的型号。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述模数转换器的型号为ADS1281，最高采样率为125kSPS，分辨率为32bit，所述模数转换器为单通道的模数转换器。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述数模转换器的型号为LTC2666，分辨率为16bit，所述数模转换器为八通道数模转换器。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
确定检测状态和激励状态的时序，将检测状态设置于激励状态之前。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
通过切换模拟开关，控制第一电极和第二电极切换至检测状态或激励状态；
通过模数转换器间断采集第一电极和第二电极输出的振动位移电信号。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
在第一电极和第二电极由检测状态切换至激励状态或由激励状态切换至检测状态之间，设置空闲间隔。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
在模拟开关上设计用以将第一电极和第二电极上的残余电荷进行释放的电荷释放电路。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，包括如下步骤：S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排，通过基于分时复用控制模式对模拟开关进行选型和电路设计，实现降低由于通开关切换导致的增益误差和相位误差，提高了半球谐振陀螺控制精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中分时复用控制模式的结构示意图；
图2是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中分时复用控制模式的正弦示意图；
图3是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中分时复用控制时序示意图；
图4是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中检测电路的原理示意图；
图5是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中激励电路的原理示意图；
图6是本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法中分时复用状态时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1至图6描述本发明的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，包括如下步骤：
S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；
S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；
S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；
S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S10步骤中，所述模拟开关的型号为MAX4603。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S10步骤中，还包括：
计算模拟开关的导通电阻曲线的平坦度。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S30步骤中，还包括：
分别确定模数转换器和数模转换器的型号。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述模数转换器的型号为ADS1281，最高采样率为125kSPS，分辨率为32bit，所述模数转换器为单通道的模数转换器。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述数模转换器的型号为LTC2666，分辨率为16bit，所述数模转换器为八通道数模转换器。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
确定检测状态和激励状态的时序，将检测状态设置于激励状态之前。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
通过切换模拟开关，控制第一电极和第二电极切换至检测状态或激励状态；
通过模数转换器间断采集第一电极和第二电极输出的振动位移电信号。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
在第一电极和第二电极由检测状态切换至激励状态或由激励状态切换至检测状态之间，设置空闲间隔。
根据本发明提供的一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，所述S40步骤中，还包括：
在模拟开关上设计用以将第一电极和第二电极上的残余电荷进行释放的电荷释放电路。
本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，具体包括如下步骤：
S10、模拟开关的选型，以降低信号失真
模拟开关的导通电阻曲线的平坦度高，且具有轨到轨的工作特性，模拟开关通过或阻断幅度小于或等于电源电压的输入信号，通过将输入信号范围内的模拟开关导通电阻绝对值保持在尽可能低，以及导通电阻平坦度特性保持在尽可能高的水平，可将信号失真降至最低。
本实施例中模拟开关的型号为MAX4603。
S20、设计模拟开关的检测电路
计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，保证第一电极的信号和第二电极的信号的一致性。
需要说明的是，设定第一电极为X电极，即0度电极，第二电极为Y电极，即45度电极。
如图4所示，模拟开关MAX4603，13管脚连接+12V电源，4管脚连接-12V电源，12管脚连接数字电源+5V，5管脚连接电源地，X电极的X_SENSE信号经过R2电阻（10欧姆）连接至2管脚，Y电极的Y_SENSE信号经过R4电阻（10欧姆）连接至6管脚，X-SELECT为开关芯片的控制信号，1，8管脚，XY_GND开关芯片的控制信号，连接至9管脚、16管脚，X_SENSE通过电阻R3（1M欧姆）连接至15管脚，Y_SENSE通过电阻R1（1M欧姆）连接至10管脚，14管脚、11管脚连接电源地；
通过控制MAX4603的1，8管脚（图6中X-SELECT引脚），当X-SELECT为输出高电平且X-Control_SELECT和Y-Control_SELECT输出低电平时，AD芯片接收到来自X电极的X_SENSE信号；
当X-SELECT为输出低电平且X-Control_SELECT和Y-Control_SELECT输出低电平时，AD芯片接收到来自Y电极的X_SENSE信号。在空闲间隔时间通过XY_GND信号输出低电平使X、Y电极上激励的残余电荷通过1M电阻向地释放。
S30、设计模拟开关的激励电路
由于第一电极和第二电极相当于电容器，第一电极和第二电极激励信号导致在第一电极和第二电极上形成残余电荷，会导致对第一电极和第二电极的检测引入误差，因此需要减小第一电极和第二电极上的残余电荷对检测的影响，在模拟开关上设计将第一电极和第二电极释放残余电荷电路，并同时通过控制检测状态与激励状态的时序，将检测状态放在激励状态之前，延长残余电荷的释放时间，防止激励状态对检测状态造成影响。
本实施例中，模数转换器的型号为ADS1281，最高采样率为125kSPS，分辨率为32bit，且选用单通道的模数转换器；数模转换器的型号为LTC2666，分辨率为16bit，且选用八通道数模转换器。
如图5所示，模拟开关MAX4603，13管脚连接+12V电源，4管脚连接-12V电源，12管脚连接数字电源+5V，5管脚连接电源地，X电极的X_Control施力信号经过R10电阻（10欧姆）连接至2管脚，Y电极的Y_Control施力信号经过R11电阻（10欧姆）连接至6管脚，X_Control_SELECT为开关芯片的控制信号，1管脚，X_Control_SELECT开关芯片的控制信号，连接至8管脚；
当X-Control_SELECT输出高电平时，DA输出给X电极的激励信号；当Y-Control_SELECT输出高电平时，DA输出给Y电极的激励信号。
S40、基于分时复用控制模式，设计模拟开关控制时序编排
通过切换模拟开关，使得第一电极和第二电极在时间轴上均匀的工作在激励状态或检测状态，有效抑制了多通道控制回路的增益不均和增益变化对谐振子工作状态带来的漂移影响。如图1和图2所示，其中，A为0度电极激励正信号；a为0度电极检测正信号；A1为0度电极激励负信号；a1为0度电极检测负信号。
在单一时刻下，谐振子工作模态下的第一电极和第二电极均用于激励状态或者检测状态，有效提高检查信号信噪比和驱动效率。
在单一时刻下，谐振子仅工作在激励状态或检测状态，并且在激励状态和检测状态切换过程中，设置空闲间隔，有效抑制了在激励状态和检测状态切换过程中激励通道和检测通道之间的耦合干扰和检查信号不稳定的问题。
具体的，如图3所示，根据时序交替，使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲间隔时间r，工作状态为：X-Sense，r，X-Control，r，Y-Sense，r，Y-Control，r，循环往复。
如图6所示，通过控制模拟开关的1，8管脚，当X-SELECT引脚为置高，且X-Control_SELECT引脚和Y-Control_SELECT引脚置低时，模数转换器接收到来自X电极的X_SENSE信号；
当X-SELECT引脚为置低且X-Control_SELECT引脚和Y-Control_SELECT引脚置低时，模数转换器接收到来自Y电极的X_SENSE信号。在空余间隔，通过XY_GND信号拉低使X电极、Y电极上激励的残余电荷通过1M电阻向地释放；
当X-Control_SELECT引脚置高时，数模转换器输出给X电极激励信号，当Y-Control_SELECT置高时，数模转换器输出给Y电极激励信号。
本发明提供的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，包括如下步骤：S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排，通过基于分时复用控制模式对模拟开关进行选型和电路设计，实现降低由于通开关切换导致的增益误差和相位误差，提高了半球谐振陀螺控制精度。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、计算模拟开关的通过或阻断幅度小于或等于电源电压输入信号，确定模拟开关的型号；
S20、计算模拟开关的通道之间的导通电阻差值小于或等于0.5欧，确定模拟开关的检测电路；
S30、基于模数转换器和数模转换器的工作状态的时序编排，确定模拟开关的激励电路；其中，在模拟开关上设计将第一电极和第二电极释放残余电荷电路，并同时通过控制检测状态与激励状态的时序，将检测状态放在激励状态之前，延长残余电荷的释放时间；模数转换器选用单通道的模数转换器；数模转换器选用八通道数模转换器；
S40、基于分时复用控制模式，通过切换模拟开关，对第一电极和第二电极进行工作状态的时序编排；其中，通过切换模拟开关，控制第一电极和第二电极切换至检测状态或激励状态；通过模数转换器间断采集第一电极和第二电极输出的振动位移电信号；在第一电极和第二电极由检测状态切换至激励状态或由激励状态切换至检测状态之间，设置空闲间隔。
2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，所述S10步骤中，所述模拟开关的型号为MAX4603。
3.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，所述S10步骤中，还包括：
计算模拟开关的导通电阻曲线的平坦度。
4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，所述S30步骤中，还包括：
分别确定模数转换器和数模转换器的型号。
5.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，所述模数转换器的型号为ADS1281，最高采样率为125kSPS，分辨率为32bit。
6.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺用开关的切换设计方法，其特征在于，所述数模转换器的型号为LTC2666，分辨率为16bit。
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