CN115752409A - 基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路 - Google Patents

Abstract

本发明测控电路技术领域，公开了一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路。其中，该测控电路包括驱动回路自激振荡电路以及力反馈和检测电路，所述驱动回路自激振荡电路包括第一转换单元、比较单元、调节单元和电子开关，所述力反馈和检测电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第二转换单元、第五开关、第六开关、第七开关、放大单元和力反馈控制器。由此，可以在驱动通道的激励和检测通道的振动检测之间进行高频切换的分时复用，从而消除二者之间的电耦合，解决了驱动回路和检测回路之间的电耦合影响陀螺输出的零位飘移稳定性问题，提高了陀螺的零位飘移稳定性。

Description

基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路

技术领域

本发明涉及测控电路技术领域，尤其涉及一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路。

背景技术

基于哥氏力耦合原理的谐振陀螺具有两个正交的谐振模态，初级振动模态(驱动模态)和检测振动模态。初级振动模态通过驱动电极首先被激励，以提供产生哥氏力耦合所需的音叉叉齿在x轴方向上的面内线速度。在z轴方向上的旋转输入Ω导致初级振动模态的振动能量通过哥氏力耦合原理被耦合到检测振动模态，引起检测通道在y轴方向上的面外振动，此耦合振动的幅度和旋转速度成正比。对检测通道的振动通过检测电极进行检测、放大、同步检波等处理得到旋转速率。谐振陀螺测控电路至少具有一个由锁相环和自动增益环节组成的闭环驱动控制回路，用于初级振动的谐振频率自动跟踪以及振动幅度的稳定调节。检测振动模态的耦合振动可以通过开环或者闭环方式读出。

陀螺传感器的零位漂移稳定性是衡量其性能的一个重要指标，影响陀螺零位稳定性的因数很多，典型的影响因数包括环境温度变化造成的两个振动模态之间的正交耦合的改变，环境温度变化引起的谐振子的品质因数的改变。在测控电路方面，由于电荷-电压转换电路的高输入阻抗特性，很容易受到系统中其他电信号的耦合干扰。其中初级振动回路的驱动信号由于幅值较高，且因为频率相同而导致耦合到检测通道的耦合信号无法通过正交解调消除，成为影响检测振动回路主要的耦合干扰信号。而且，由于环境温度波动导致的谐振子品质因数的波动，所需的初级振动回路驱动信号相应地波动，从而在检测通道导致零角速率输出的变化，即零位不稳定性。

增加驱动通道振幅和速度可以显著提高陀螺信噪比和灵敏度，但同时也增加了上述初级回路驱动信号到检测通道信号的耦合。由于驱动电极和检测电极之间的距离最近，信号耦合主要发生在电极錨点区域，检测电极中的其中一个电极錨点被设计得较为宽大，兼具屏蔽的功能。这种屏蔽设计可以有效减少信号耦合，但不能完全消除耦合，因此这种设计对零偏稳定性仍然不太理想。另一方面，由于检测电极设计的非对称性，检测电路不适合采用差分电路，不利于提高信噪比。目前大部分石英音叉陀螺采用高频差下的开环输出模式，标定因子，零位偏移稳定性等更易于受到环境温度变化的影响。由于采用频差模式,信噪比也不理想。

闭环力反馈能够有效提高陀螺的非线性性能、检测动态范围、零偏稳定性、以及振动性能，但上述的驱动和检测通道之间的电耦合使得在石英音叉陀螺系统中难以实现连续时间闭环力反馈。

发明内容

本发明提供了一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路，能够解决现有技术中的技术问题。

本发明提供了一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路，其中，该测控电路包括驱动回路自激振荡电路以及力反馈和检测电路，所述驱动回路自激振荡电路包括第一转换单元、比较单元、调节单元和电子开关，所述力反馈和检测电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第二转换单元、第五开关、第六开关、第七开关、放大单元和力反馈控制器，其中，

所述第一转换单元与石英音叉谐振陀螺的驱动部分连接，所述比较单元与所述第一转换单元连接，所述调节单元与所述比较单元连接，所述电子开关与所述比较单元和所述驱动部分连接；

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关与所述石英音叉谐振陀螺的检测部分连接，所述第二转换单元与所述第三开关和所述第四开关连接，所述第五开关、所述第六开关和所述第七开关与所述第二转换单元连接，所述放大单元与所述第六开关和所述第七开关连接，所述力反馈控制器的输入端与所述放大单元连接，所述力反馈控制器的输出端与所述第一开关连接；

所述第一转换单元用于将所述石英音叉谐振陀螺的机械振动引起的位移电流转换为电压信号，所述比较单元用于将所述电压信号转换为方波信号，所述调节单元用于调节所述方波信号的幅值以稳定石英音叉谐振陀螺的振动幅度，所述电子开关用于根据调制频率对调节后的方波信号进行高频调制，得到调制信号；

在驱动和力反馈相位P1期间，所述电子开关的第一端子sa闭合，驱动信号接入到驱动部分，所述第一开关和所述第二开关闭合，使得力反馈信号接入检测部分，形成闭环力反馈回路，同时所述第三开关和第四开关断开，使得所述第二转换单元与所述检测部分断开、所述第二转换单元通过所述第五开关接地以及所述放大单元通过第六开关接地；

在复位相位P2期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第三开关和第四开关断开，使得所述第二转换单元与所述检测部分断开以及所述第二转换单元复位；

在检测相位P3期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关和第四开关闭合，所述第二转换单元通过所述第七开关与所述放大单元连接，以对所述石英音叉谐振陀螺的机械振动依次进行检测和放大，所述力反馈控制器根据放大后的信号产生相应的力反馈信号。

优选地，所述第一转换单元为跨导放大器，所述比较单元为比较器。

优选地，所述调节单元为自动增益控制电路。

优选地，所述第二转换单元为差分电荷-电压转换电路。

优选地，所述调制频率的范围为600千赫兹到1000千赫兹。

优选地，所述力反馈控制器的时间常数至少比所述调整信号的周期大10倍。

通过上述技术方案，可以在驱动通道的激励和检测通道的振动检测之间进行高频切换的分时复用，从而消除二者之间的电耦合，解决了驱动回路和检测回路之间的电耦合影响陀螺输出的零位飘移稳定性问题，提高了陀螺的零位飘移稳定性。同时检测通道的电极在不作检测电极使用时，可以作为力反馈电极使用，从而不需要设计专用电极也可以实现闭环力反馈功能，以提高稳定性和振动性能。

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示出了根据本发明实施例的一种石英音叉谐振式陀螺的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路中驱动回路自激振荡电路的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路中力反馈和检测电路的示意图；

图4示出了根据本发明实施例的驱动、检测和力反馈的分时复用时序图。

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授权说明书的一部分。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。

图1示出了根据本发明实施例的一种石英音叉谐振式陀螺的结构示意图。

如图1所示，石英音叉谐振式陀螺包括第一音叉叉齿1、第二音叉叉齿2、第三音叉叉齿3、第四音叉叉齿4、第一驱动电极5、第二驱动电极6、第一检测电极7、第二检测电极8、电极錨点区域9、第一电极锚点10、第二电极锚点11、第三电极锚点12和第四电极锚点13。

如图2-4所示，本发明实施例提供了一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路，其中，该测控电路包括驱动回路自激振荡电路以及力反馈和检测电路，所述驱动回路自激振荡电路包括第一转换单元14、比较单元15、调节单元19和电子开关(例如，高速电子开关)，所述力反馈和检测电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第二转换单元17、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、放大单元18和力反馈控制器20，其中，

所述第一转换单元14与石英音叉谐振陀螺的驱动部分21(第一驱动电极5和第二驱动电极6)连接，所述比较单元15与所述第一转换单元14连接，所述调节单元19与所述比较单元15连接，所述电子开关与所述比较单元15和所述驱动部分21连接；

所述第一开关S1、所述第二开关S2、所述第三开关S3和所述第四开关S4与所述石英音叉谐振陀螺的检测部分22(第一检测电极7和第二检测电极8)连接，所述第二转换单元17与所述第三开关S3和所述第四开关S4连接，所述第五开关S5、所述第六开关S6和所述第七开关S7与所述第二转换单元17连接，所述放大单元18与所述第六开关S6和所述第七开关S7连接，所述力反馈控制器20的输入端与所述放大单元18连接，所述力反馈控制器20的输出端与所述第一开关S1连接；

所述第一转换单元14用于将所述石英音叉谐振陀螺的机械振动引起的位移电流转换为电压信号(振动信号的频率一般在10千赫兹到20千赫兹之间)，所述比较单元15用于将所述电压信号转换为方波信号，所述调节单元19用于调节所述方波信号的幅值以稳定石英音叉谐振陀螺的振动幅度，所述电子开关用于根据调制频率对调节后的方波信号进行高频调制，得到调制信号16；

在驱动和力反馈相位P1期间，所述电子开关的第一端子sa闭合，驱动信号接入到驱动部分，所述第一开关S1和所述第二开关S2闭合，使得力反馈信号接入检测部分，形成闭环力反馈回路，同时所述第三开关S3和第四开关S4断开，使得所述第二转换单元17与所述检测部分22断开、所述第二转换单元17通过所述第五开关S5接地以及所述放大单元18通过第六开关S6接地(清零复位，检测电路处于复位状态)；

在复位相位P2期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第三开关S3和第四开关S4断开，使得所述第二转换单元17与所述检测部分断开以及所述第二转换单元17复位；

在检测相位P3期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第一开关S1和所述第二开关S2断开(驱动信号处于高频调制的低电平，力反馈信号被所述第一开关S1和所述第二开关S2断开)，所述第三开关S3和第四开关S4闭合，所述第二转换单元17通过所述第七开关S7与所述放大单元18连接，以对所述石英音叉谐振陀螺的机械振动依次进行检测和放大，所述力反馈控制器20根据放大后的信号产生相应的力反馈信号。

通过上述技术方案，可以在驱动通道的激励和检测通道的振动检测之间进行高频切换的分时复用(即，驱动相位和检测相位在高频调制频率上分时复用)，从而消除二者之间的电耦合，解决了驱动回路和检测回路之间的电耦合影响陀螺输出的零位飘移稳定性问题，提高了陀螺的零位飘移稳定性。同时检测通道的电极在不作检测电极使用时，可以作为力反馈电极使用，从而不需要设计专用电极也可以实现闭环力反馈功能，以提高稳定性和振动性能。

根据本发明一种实施例，所述第一转换单元14为跨导放大器，所述比较单元15为比较器。

根据本发明一种实施例，所述调节单元19为自动增益控制电路AGC。

根据本发明一种实施例，所述第二转换单元17为差分电荷-电压转换电路。

采用差分电荷-电压转换电路，可以提高系统的信噪比。

其中，放大单元18为放大电路。

根据本发明一种实施例，所述调制频率的范围为600千赫兹到1000千赫兹。

也就是，调制频率远高于振动信号的频率。由此，不会影响振荡。

根据本发明一种实施例，所述力反馈控制器20的时间常数至少比所述调整信号的周期大10倍。

从上述实施例可以看出，本发明所述的测控电路至少具有以下优点：(1)由于消除了驱动信号到检测通道的电耦合，陀螺的零偏稳定性得到提高。(2)在消除了电耦合的基础上，检测通道的电荷-电压转换可以采用全对称的差分结构，提高了陀螺输出的信噪比。(3)通过检测电极的时分复用，实现闭环力反馈控制，可以提高陀螺的稳定性和振动性能。(4)由于采用了闭环力反馈控制,陀螺可以设计在频率匹配模式，提高信噪比和分辨率。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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 (6)

1.一种基于分时复用的石英音叉谐振陀螺测控电路，其特征在于，该测控电路包括驱动回路自激振荡电路以及力反馈和检测电路，所述驱动回路自激振荡电路包括第一转换单元、比较单元、调节单元和电子开关，所述力反馈和检测电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第二转换单元、第五开关、第六开关、第七开关、放大单元和力反馈控制器，其中，

所述第一转换单元与石英音叉谐振陀螺的驱动部分连接，所述比较单元与所述第一转换单元连接，所述调节单元与所述比较单元连接，所述电子开关与所述比较单元和所述驱动部分连接；

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关与所述石英音叉谐振陀螺的检测部分连接，所述第二转换单元与所述第三开关和所述第四开关连接，所述第五开关、所述第六开关和所述第七开关与所述第二转换单元连接，所述放大单元与所述第六开关和所述第七开关连接，所述力反馈控制器的输入端与所述放大单元连接，所述力反馈控制器的输出端与所述第一开关连接；

所述第一转换单元用于将所述石英音叉谐振陀螺的机械振动引起的位移电流转换为电压信号，所述比较单元用于将所述电压信号转换为方波信号，所述调节单元用于调节所述方波信号的幅值以稳定石英音叉谐振陀螺的振动幅度，所述电子开关用于根据调制频率对调节后的方波信号进行高频调制，得到调制信号；

在驱动和力反馈相位P1期间，所述电子开关的第一端子sa闭合，驱动信号接入到驱动部分，所述第一开关和所述第二开关闭合，使得力反馈信号接入检测部分，形成闭环力反馈回路，同时所述第三开关和第四开关断开，使得所述第二转换单元与所述检测部分断开、所述第二转换单元通过所述第五开关接地以及所述放大单元通过第六开关接地；

在复位相位P2期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第三开关和第四开关断开，使得所述第二转换单元与所述检测部分断开以及所述第二转换单元复位；

在检测相位P3期间，所述电子开关的第二端子sb闭合，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关和第四开关闭合，所述第二转换单元通过所述第七开关与所述放大单元连接，以对所述石英音叉谐振陀螺的机械振动依次进行检测和放大，所述力反馈控制器根据放大后的信号产生相应的力反馈信号。

2.根据权利要求1所述的测控电路，其特征在于，所述第一转换单元为跨导放大器，所述比较单元为比较器。

3.根据权利要求2所述的测控电路，其特征在于，所述调节单元为自动增益控制电路。

4.根据权利要求1所述的测控电路，其特征在于，所述第二转换单元为差分电荷-电压转换电路。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的测控电路，其特征在于，所述调制频率的范围为600千赫兹到1000千赫兹。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测控电路，其特征在于，所述力反馈控制器的时间常数至少比所述调整信号的周期大10倍。

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