CN115580229B - 一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路、方法及系统 - Google Patents

一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路、方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于半球谐振陀螺驱动领域，更具体地，涉及一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路、方法及系统，通过方波生成器代替现有的高压驱动电路，并在前置放大电路和驱动级电路之间加入移相单元，以及幅值恒定的方波激励，能够实现半球谐振陀螺幅度控制，避免了复杂的交流高压驱动电路，有利于控制单元的小型化、低功耗和降成本。采用幅值恒定的方波驱动，可以避免DAC的非线性误差、量化噪声以及DAC后级滤波电路的相移给驱动信号带来幅值和相位的影响，进一步有利于抑制陀螺输出漂移，减少陀螺输出的上电稳定时间。

Description

一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路、方法及系统
技术领域
本发明属于半球谐振陀螺驱动领域，更具体地，涉及一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路、方法及系统。
背景技术
半球谐振陀螺凭借高精度、高可靠和长寿命，有望取代现有光学陀螺甚至静电陀螺，已成为未来惯性敏感器领域发展的趋势和重点。半球谐振陀螺主要利用科里奥利力原理，通过振动来诱导和探测科里奥利力，从而对角速度进行测量。
从已有的资料分析，半球谐振陀螺驱动方案主要采用带自动增益控制(AGC)的自激振荡驱动环路，或者锁相环路(PLL)。它们使驱动模块自动跟踪谐振子的谐振频率，振动时能够以最小的能量获得最大的振幅。同时AGC调节驱动电压，保持主振型的振幅恒定。
半球谐振陀螺工作时，谐振子的振动依靠静电力来驱动。由于是电容式驱动，且谐 振子的驱动需要很大的静电力，因此需要很大的交流和直流乘积项
Figure 248117DEST_PATH_IMAGE001
才能满足驱动力 大小要求。通常情况，固定谐振子上的直流偏置电压
Figure 497833DEST_PATH_IMAGE002
，调整
Figure 951948DEST_PATH_IMAGE003
来控制静电力大小。较大 的静电力，需要设计交流高压驱动电路，这不仅增加了电路的复杂性，也不利于电路模块的 小型化。
另一方面，半球谐振陀螺驱动电路中通常使用数模转换+滤波电路的组合方式，当温度变化时，DAC的非线性误差、量化噪声以及DAC后级滤波电路的相移会给驱动信号带来幅值和相位的影响，进而导致陀螺输出发生漂移。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，减少交流高压驱动电路设计的复杂性，同时避免谐振频率变化造成信号相移变化带来的陀螺输出漂移。
本发明提供一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，包括以下步骤：
S1. 半球谐振陀螺的谐振子将电极上电荷的变化量传递给电容/电压转换模块， 电容/电压转换模块通过测量检测电极上电荷的变化量，输出信号
Figure 183078DEST_PATH_IMAGE004
；
S2.自动增益控制模块通过S1步骤的输出信号
Figure 988223DEST_PATH_IMAGE004
，输出相移控制信号
Figure 510471DEST_PATH_IMAGE005
；
S3.模数转换器将步骤S2中相移控制信号
Figure 350251DEST_PATH_IMAGE005
由模拟量转换成数字量，提供给相位 单元，获得相移量Ф；
S4.步骤S1中电容/电压转换模块的输出信号
Figure 565332DEST_PATH_IMAGE004
通过过零比较器由正弦波信号转 换成方波信号
Figure 44724DEST_PATH_IMAGE006
；
S5.将步骤S4过零比较器的方波信号
Figure 636242DEST_PATH_IMAGE006
和相位单元输出原始相位信号
Figure 64949DEST_PATH_IMAGE007
， 通过鉴相器鉴相和低通滤波器滤波后，获得用于锁相跟踪的低频直流信号
Figure 450931DEST_PATH_IMAGE008
；
S6.压控振荡器根据步骤S5低通滤波器的低频直流信号
Figure 230668DEST_PATH_IMAGE008
，实时调整输出频率，并 将输出频率传递给相位单元，获得原始相位；
S7.相位单元将步骤S6获得的原始相位与步骤S3获得的相移量Ф相叠加，得到调整相位，并将其输出给方波生成器；
S8.方波生成器根据步骤S7的调整相位形成方波驱动信号，通过方波驱动信号改变激励效率控制谐振子的振幅。
根据本发明提供的步骤S2中自动增益控制模块将S1步骤的输出信号
Figure 94719DEST_PATH_IMAGE004
经半波整 流测得与谐振子振幅相关的脉动直流信号
Figure 909091DEST_PATH_IMAGE009
，将脉动直流信号
Figure 652925DEST_PATH_IMAGE009
和参考设定值
Figure 388800DEST_PATH_IMAGE010
的比 较差值，传递给PI控制器调节后输出相移控制信号
Figure 56542DEST_PATH_IMAGE005
。
根据本发明提供的步骤S7中调整相位为TTL电平信号。
根据本发明提供的步骤S8中方波生成器根据相位单元输出的TTL电平信号，利用模拟开关，形成方波驱动信号。
根据本发明提供的所述方波生成器的方波输出电平为±
Figure 991000DEST_PATH_IMAGE011
。
根据本发明提供的所述方波生成器的模拟电源引脚采用高压直流电源供电。
本发明还提供一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，包括方波生成器，所述方波生成器形成方波驱动信号实现如上述基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法的步骤。
根据本发明提供的还包括锁相环模块，所述锁相环模块包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器及相位单元，所述锁相环模块为在FPGA芯片内部基于Verilog语言实现。
根据本发明提供的所述压控振荡器及所述相位单元分别为第一DDS模块及第二 DDS模块，第一DDS模块及第二DDS模块的输出频率保持一致，均由低通滤波器的输出来控 制，相位单元的第一DDS模块相对压控振荡器的第二DDS模块的相移，由自动增益控制模块 的输出
Figure 705402DEST_PATH_IMAGE005
控制。
本发明还提供一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制系统，包括：半球谐振陀螺和用于形成方波驱动信号的如上述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，所述方波驱动信号用于改变激励效率，控制所述半球谐振陀螺的谐振子的振幅。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明通过在前置放大电路和驱动级电路之间加入移相单元，以及幅值恒定的方波激励，能够实现半球谐振陀螺幅度控制，避免了复杂的交流高压驱动电路，有利于控制单元的小型化、低功耗和降成本。
采用幅值恒定的方波驱动，可以避免DAC的非线性误差、量化噪声以及DAC后级滤波电路的相移给驱动信号带来幅值和相位的影响，进一步有利于抑制陀螺输出漂移，减少陀螺输出的上电稳定时间。
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是本发明的原理框图；
图2是本发明的电容/电压转换模块的电路图；
图3是本发明的过零比较器的电路图；
图4是本发明的鉴相器的电路图；
图5是本发明的鉴相器的波形图；
图6是本发明的自动增益控制模块的电路图；
图 7是本发明的方波生成器的电路图。
其中：
100．电容/电压转换模块，200．过零比较器，300．鉴相器，400．低通滤波器（LPF），500．自动增益控制模块（AGC），600．模数转换器（ADC），700．压控振荡器（VCO），800．相位单元（PE），900．方波生成器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。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-图7描述本发明实施例提出的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路。
本发明的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路构成总框图如图1所示，包括电容/电压转换模块100、过零比较器200、鉴相器300、低通滤波器（LPF）400、自动增益控制模块（AGC）500、模数转换器（ADC）600、压控振荡器（VCO）700、相位单元（PE）800、方波生成器900。
电容/电压转换模块100的组成如图2所示。谐振子上施加直流偏置电压
Figure 459732DEST_PATH_IMAGE002
，它和 检测电极之间形成检测电容CS100。检测电容可以等效为一平板电容器，其一端振动，另外 一端固定，由于电容极板间的距离不断改变，会引起电容大小的改变，因此可以通过测量检 测电容的大小的改变来计算出谐振子的振动位移和相位。根据电容电荷量计算公式
Figure 931165DEST_PATH_IMAGE012
，检测电容两端电压保持不变，检测电极上的电荷量和检测电容的大小成正比。运 算放大器OP100和电容C100组成电荷放大器，可以测量出检测电极上电荷的变化量，因此运 算放大器OP100的输出信号
Figure 454550DEST_PATH_IMAGE013
能反映谐振子的振动情况，一般是
Figure 290919DEST_PATH_IMAGE014
的交流信号。考虑 到电容C100电荷的泄放和加入直流负反馈以稳定工作减少零漂的需要，在电容C100两端并 联电阻R100。
过零比较器200的组成如图3所示。为防止输入信号穿越0V时比较器CP200输出
Figure 532544DEST_PATH_IMAGE015
出现多次翻转抖动，将
Figure 791356DEST_PATH_IMAGE015
通过电容C200和电阻R200反馈至其正输入端。
鉴相器300的组成如图4所示，其波形如图5所示。将过零比较器的输出信号
Figure 903669DEST_PATH_IMAGE015
和相位单元输出信号
Figure 504414DEST_PATH_IMAGE016
分别加到RS触发器的S端和R端，Q=1的脉宽B与
Figure 436598DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 702363DEST_PATH_IMAGE016
的 相位差
Figure 403603DEST_PATH_IMAGE017
相对应。将Q端的输出送入低通滤波器400，滤波后的输出
Figure 175250DEST_PATH_IMAGE018
与脉宽B成正比。
低通滤波器400将鉴相器300输出的脉宽信号转换成低频直流信号，并传递给压控振荡器700，用来调整其输出频率。
压控振荡器700和相位单元800可以利用两个DDS模块来实现，分别为第一DDS模块 及第二DDS模块，第一DDS模块及第二DDS模块的输出频率保持一致，都由低通滤波器的输出 来控制，相位单元的第二DDS模块相对压控振荡器的第一DDS模块的相移，由自动增益控制 模块的输出
Figure 860309DEST_PATH_IMAGE019
控制。
自动增益控制模块500的组成如图6所示。自动增益控制模块包含半波整流电路和 PI控制器两部分。半波整流电路由电阻R501、电阻R502、整流二极管V501、整流二极管V502 和运算放大器OP501组成，半波整流电路将电容/电压转换模块的输出信号
Figure 742815DEST_PATH_IMAGE013
变换成半波 信号，经电容C501滤波后为脉动直流信号
Figure 16670DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 959218DEST_PATH_IMAGE020
与电容/电压转换模块的输出信号
Figure 865994DEST_PATH_IMAGE013
的幅值成正比，用来表示谐振子的振幅。然后，由电阻R503、电阻R504、电容C502和运算放大 器OP502构成PI控制器，使
Figure 286611DEST_PATH_IMAGE020
与运算放大器OP502正输入端的参考设定值
Figure 493602DEST_PATH_IMAGE021
相等。PI控制 器的输出
Figure 75893DEST_PATH_IMAGE019
经过模数转换器600后变成数字量，输入到锁相环模块（PLL）中，用来调整相位 单元的相移大小，通过改变激励效率来控制谐振子的振幅。需要指出的是，锁相环模块包括 鉴相器、低通滤波器、压控振荡器及相位单元（图1虚线框内部分）是在FPGA芯片内部基于 Verilog语言实现的。
方波生成器900的组成如图7所示。方波生成器采用高压模拟开关，其模拟电源引 脚采用
Figure 925425DEST_PATH_IMAGE022
的高压直流电源供电，根据FPGA输出的TTL电平控制信号，选择相应的输出 电平，形成峰峰值为
Figure 618574DEST_PATH_IMAGE003
，均值为0的方波驱动信号。
一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，包括以下步骤：
S1.半球谐振陀螺的谐振子将电极上电荷的变化量传递给电容/电压转换模块，电 容/电压转换模块通过测量检测电极上电荷的变化量，输出信号
Figure 945650DEST_PATH_IMAGE013
，以反映谐振子的振动 变化；
S2.自动增益控制模块将输出信号
Figure 698843DEST_PATH_IMAGE013
经半波整流测得与谐振子振幅相关的脉动 直流信号
Figure 829479DEST_PATH_IMAGE020
，将脉动直流信号
Figure 529581DEST_PATH_IMAGE020
和参考设定值
Figure 711164DEST_PATH_IMAGE021
的比较差值，传递给PI控制器调节后 输出相移控制信号
Figure 900837DEST_PATH_IMAGE019
；
S3.模数转换器将步骤S2中相移控制信号
Figure 535080DEST_PATH_IMAGE019
由模拟量转换成数字量，提供给相位 单元，获得相移量Ф；
S4.过零比较器将电容/电压转换模块的输出信号
Figure 819300DEST_PATH_IMAGE013
由正弦波信号转换成方波信 号
Figure 120969DEST_PATH_IMAGE015
；
S5.过零比较器的输出信号
Figure 419226DEST_PATH_IMAGE015
和相位单元输出原始相位信号
Figure 9607DEST_PATH_IMAGE016
，经鉴相器 鉴相和低通滤波器滤波后，获得用于锁相跟踪的低频直流信号
Figure 363097DEST_PATH_IMAGE018
；
S6.压控振荡器根据低通滤波器的低频直流信号
Figure 519272DEST_PATH_IMAGE018
，实时调整输出频率，并将输出 频率传递给相位单元，获得原始相位,实现锁相跟踪功能；
S7.相位单元将获得的原始相位与获得的相移量Ф相叠加，得到调整相位，并将其输出给方波生成器；
S8.方波生成器根据FPGA输出的TTL电平信号，利用模拟开关选择相应的高压输出电平，形成方波驱动信号，以改变激励效率的方式来控制谐振子的振幅。
本发明的积极效果是：
1.通过在前置放大电路和驱动级电路之间加入移相单元，以及幅值恒定的方波激励，能够实现半球谐振陀螺幅度控制，避免了复杂的交流高压驱动电路，有利于控制单元的小型化、低功耗和降成本。
2.采用幅值恒定的方波驱动，可以避免DAC的非线性误差、量化噪声以及DAC后级滤波电路的相移给驱动信号带来幅值和相位的影响，进一步有利于抑制陀螺输出漂移，减少陀螺输出的上电稳定时间。
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 (10)

1.一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.半球谐振陀螺的谐振子将电极上电荷的变化量传递给电容/电压转换模块，电容/ 电压转换模块通过测量检测电极上电荷的变化量，输出信号
Figure 752228DEST_PATH_IMAGE001
；
S2.自动增益控制模块通过S1步骤的输出信号
Figure 652051DEST_PATH_IMAGE001
，输出相移控制信号
Figure 890265DEST_PATH_IMAGE002
；
S3.模数转换器将步骤S2中相移控制信号
Figure 926354DEST_PATH_IMAGE002
由模拟量转换成数字量，提供给相位单 元，获得相移量Ф；
S4.步骤S1中电容/电压转换模块的输出信号
Figure 270617DEST_PATH_IMAGE001
通过过零比较器由正弦波信号转换成 方波信号
Figure 392156DEST_PATH_IMAGE003
；
S5.将步骤S4过零比较器的方波信号
Figure 496379DEST_PATH_IMAGE003
和相位单元输出原始相位信号
Figure 324657DEST_PATH_IMAGE004
，通过 鉴相器鉴相和低通滤波器滤波后，获得用于锁相跟踪的低频直流信号
Figure 121712DEST_PATH_IMAGE005
；
S6.压控振荡器根据步骤S5低通滤波器的低频直流信号
Figure 448657DEST_PATH_IMAGE005
，实时调整输出频率，并将输 出频率传递给相位单元，获得原始相位；
S7.相位单元将步骤S6获得的原始相位与步骤S3获得的相移量Ф相叠加，得到调整相位，并将其输出给方波生成器；
S8.方波生成器根据步骤S7的调整相位形成方波驱动信号，通过方波驱动信号改变激励效率控制谐振子的振幅。
2.根据权利要求1所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，步骤S2 中自动增益控制模块将S1步骤的输出信号
Figure 356570DEST_PATH_IMAGE001
经半波整流测得与谐振子振幅相关的脉动直 流信号
Figure 101672DEST_PATH_IMAGE006
，将脉动直流信号
Figure 69628DEST_PATH_IMAGE006
和参考设定值
Figure 634602DEST_PATH_IMAGE007
的比较差值，传递给PI控制器调节后输 出相移控制信号
Figure 258788DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，步骤S7中调整相位为TTL电平信号。
4.根据权利要求3所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，步骤S8中方波生成器根据相位单元输出的TTL电平信号，利用模拟开关，形成方波驱动信号。
5.根据权利要求4所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，所述方 波生成器的方波输出电平为±
Figure 858397DEST_PATH_IMAGE008
。
6.根据权利要求5所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法，其特征在于，所述方波生成器的模拟电源引脚采用高压直流电源供电。
7.一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，其特征在于，包括方波生成器，所述方波生成器形成方波驱动信号实现如权利要求1至6任一项所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，其特征在于，还包括锁相环模块，所述锁相环模块包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器及相位单元，所述锁相环模块为在FPGA芯片内部基于Verilog语言实现。
9.根据权利要求8所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，其特征在于，所述压 控振荡器及所述相位单元分别为第一DDS模块及第二DDS模块，第一DDS模块及第二DDS模块 的输出频率保持一致，均由低通滤波器的输出来控制，相位单元的第一DDS模块相对压控振 荡器的第二DDS模块的相移，由自动增益控制模块的输出
Figure 997254DEST_PATH_IMAGE002
控制。
10.一种基于移相的半球谐振陀螺幅度控制系统，其特征在于，包括：半球谐振陀螺和用于形成方波驱动信号的如权利要求7至9中任一项所述的基于移相的半球谐振陀螺幅度控制电路，所述方波驱动信号用于改变激励效率，控制所述半球谐振陀螺的谐振子的振幅。
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