CN201293645Y - 高精度角速率陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高精度角速率陀螺仪，包括用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪，还包括对角速率陀螺仪所输出模拟信号进行模数转换的A/D转换电路以及与A/D转换电路相接且对A/D转换电路所输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片；角速率陀螺仪包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大器；主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三者的共同输出端均接主放大器的输入端。本实用新型结构简单、体积小、重量轻、造价低且使用操作简便，并具备自检测功能，可靠性高、使用寿命长且应用范围广。
Description
技术领域
本实用新型涉及惯性测量系统技术领域，尤其是涉及一种用于测量平面坐标系中的一个轴角速率的高精度角速率陀螺仪。
背景技术
目前在导弹控制、地质勘测、工业控制、航空飞行器稳定控制、捷联惯导、汽车自动驾驶及机器人控制等行业领域中，普遍使用的角速率陀螺仪，绝大部分都是机械式的，如液浮或半液浮式，挠性有旋转马达的角速率陀螺仪，有质块的加速度计等。这些老式角速率陀螺仪在实际应用中存在的突出缺点是体积大、价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低，寿命短，测量范围小(老式角速率陀螺最大测量值仅500°/s)，频响低(最多为100Hz)以及多不具备自检测(self-Test)功能等，即使是当今较先进的光纤或激光陀螺仪，也由于其价格昂贵及体积大等原因而很难得到广泛的应用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高精度角速率陀螺仪，其结构简单、体积小、重量轻、造价低且使用操作简便，并具备自检测功能，可靠性高、使用寿命长且应用范围广。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高精度角速率陀螺仪，包括用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪，其特征在于：还包括对角速率陀螺仪所输出模拟信号进行模数转换的A/D转换电路以及与A/D转换电路相接且对A/D转换电路所输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片；所述角速率陀螺仪包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大器；所述主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三者的共同输出端均接主放大器的输入端。
所述FPGA芯片的输出端接至适配转接线路板。
所述角速率陀螺仪为芯片ADXRS150，所述A/D转换电路为芯片ADS1251，所述FPGA芯片为芯片EP2C20。
所述敏感电路为由离散控制器、ST接口电路、敏感器、谐振器和激励器组成的敏感电路，所述离散控制器和激励器分别经ST接口电路和谐振器后均接敏感器，所述敏感器接信号处理器。
所述敏感器为芯片P0-XRS；谐振器由两个运算放大器A1和A2相串联组成，所述运算放大器A1和A2均为芯片LTC2053；所述激励器为由芯片REG711-5构成的充电泵调节器；所述信号处理器由芯片LTC2053和芯片LB8207串接组成；所述主放大器为芯片LTC2053。
所述零偏置控制器由输入回路一、放大器一、运算器、校准回路和反馈回路一组成；放大器一的输出信号分三路，一路经运算器和校准回路后接放大器一的输入端，一路经所述反馈回路一后接放大器一的输入端，另一路接主放大器的输入端。
所述量程扩展器由输入回路二、放大器二、量程扩展回路和反馈回路二组成；放大器二的输出信号分三路，一路经所述量程扩展回路后接放大器二的输入端，一路经所述反馈回路二后接放大器二的输入端，另一路接主放大器的输入端。
所述带宽扩展器由输入回路三、放大器三、带宽扩展电路和反馈回路三组成；输入回路三的输出信号分三路，一路经带宽扩展电路后接放大器三的输入端，一路经反馈回路三后接放大器三的输入端，另一路接主放大器的输入端。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：1、不仅结构简单，加工制作方便，而且使用操作方便，并具备自检测功能，可准确测量平面坐标系中的状态；2、角速率陀螺仪属于无旋转马达的固态角速率传感器，其内部电路工作构件采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片且均采用双极型金属氧化物半导体(BIMOS)技术的生产和球形网格排列的载流焊工艺技术进行加工制造，因而产品具有高可靠性和高封装坚固性；3、体积小、重量轻、造价低且使用寿命长，同时，使用操作简便、便于推广应用，因而在实践中的应用范围十分广泛，可广泛用于导弹控制，地质勘测，工业控制，航空飞行器稳定控制，捷联惯导，汽车自动驾驶及机器人控制等行业领域；4、测量的准确度高，可准确测量空间坐标系中Z轴的角速率，具有自检测功能，因而能够实现机内检测(BIT)，并且角速率陀螺仪的输出信号经A/D转换电路转换后为数字信号；5、本实用新型还设置了零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，使本产品具有零漂置校准、较宽的测量范围和带宽功能，同时，也使本实用新型具有工作温度范围宽、体积小、重量轻、启动快、寿命长及耐冲击加速度高等特点。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的总体电路原理框图。
图2为本实用新型角速率陀螺仪的电路原理框图。
图3为图2中敏感电路、信号处理器和主放大器的电路原理图。
图4为本实用新型零偏置控制器的电路原理框图。
图5为图4的电路原理图。
图6为本实用新型量程扩展器的电路原理框图。
图7为图6的电路原理图。
图8为本实用新型带宽扩展器的电路原理框图。
图9为图8的电路原理图。
附图标记说明：
1-角速率陀螺仪； 2-A/D转换电路； 3-FPGA芯片；
4-敏感电路； 4-1-离散控制器； 4-2-ST接口电路；
4-3-敏感器； 4-4-谐振器； 4-5-激励器；
5-信号处理器； 6-主放大器； 7-输入回路一；
8-放大器一； 9-运算器； 10-校准回路；
11-反馈回路一； 12-输入回路二； 13-放大器二；
14-量程扩展回路； 15-反馈回路二； 16-输入回路三；
17-放大器三； 18-带宽扩展电路； 19-反馈回路三；
20-适配转接线路板； 21-零偏置控制器； 22-量程扩展器；
23-带宽扩展器。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪1，还包括对角速率陀螺仪1所输出模拟信号进行模数转换的A/D转换电路2以及与A/D转换电路2相接且对A/D转换电路2所输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片3(即现场可编程门阵列系列芯片)。所述FPGA芯片3的输出端接至适配转接线路板20。也就是说，通过一块适配转接线路板20使角速率陀螺仪1的输入端以及经卡尔曼滤波后的输出端与引出电缆连接。其中，所述角速率陀螺仪1包括依次串接的敏感电路4、信号处理器5和主放大器6；所述主放大器6还接有分别对其进行控制的零偏置控制器21、量程扩展器22和带宽扩展器23，所述零偏置控制器21、量程扩展器22和带宽扩展器23相并联且三者的共同输出端均接主放大器6的输入端。本实施例中，所述角速率陀螺仪1为芯片ADXRS150，所述A/D转换电路2为芯片ADS1251，所述FPGA芯片3为芯片EP2C20。
如图2所示，所述敏感电路4为由离散控制器4-1、ST接口电路4-2、敏感器4-3、谐振器4-4和激励器4-5组成的敏感电路，所述离散控制器4-1和激励器4-5分别经ST接口电路4-2和谐振器4-4后均接敏感器4-3，所述敏感器4-3接信号处理器5。结合图3，所述敏感器4-3为芯片P0-XRS即芯片U1，其输入端Uin接角速率输入信号；谐振器4-4由两个运算放大器A1和A2相串联组成，所述运算放大器A1和A2均为芯片LTC2053，其中，运算放大器A1和A2的正相输入端均接UR，运算放大器A2的反相输入端接芯片P0-XRS的输出端U02，运算放大器A2的输出端接运算放大器A1的反相输入端。离散控制器4-1的输出端分别经ST1、ST2接口电路后接至芯片P0-XRS的两个输入端ST1、ST2。而激励器4-5为由芯片REG711-5(即芯片U3)构成的充电泵调节器，所述芯片REG711-5的输出端接芯片P0-XRS的输入端UI3。所述信号处理器5由芯片LTC2053(即运算放大器A3-1)和芯片LB8207(即芯片U4-1)串接组成，具体是，芯片P0-XRS的两个输出端U01+和U01-分别接运算放大器A3-1的正相和负相输入端。另外，角速率陀螺仪1的主放大器6为芯片LTC2053(即运算放大器A4-1)。芯片U4-1的输出端U0经电阻R1-1、电阻R2-1后接运算放大器A4-1的反相输入端，运算放大器A4-1的输出端和其反相输入端之间并接有电阻R3-1和电容C5-1。
如图4所示，所述零偏置控制器21由输入回路一7、放大器一8、运算器9、校准回路10和反馈回路一11组成；放大器一8的输出信号分三路，一路经运算器9和校准回路10后接放大器一8的输入端，一路经所述反馈回路一11后接放大器一8的输入端，另一路接主放大器6的输入端。结合图5，放大器一8为芯片LTC2053(即运算放大器A5)，运算器9为芯片LM339(即芯片A6)，校准回路10由一电阻R6和一电子开关K4串接组成。输入回路一7由电阻R4、R5和电容C7组成，反馈回路一11由电阻R7组成。也就是说，输入回路一7的输出端接放大器一8的输入端，而放大器一8的输出信号一路分流至反馈回路一11并回接到放大器一8的输入端。零偏置控制器21的设置可以使本实用新型内的每个轴的零偏一致，达到2.5±0.1V，以便于用户的使用。
如图6所示，所述量程扩展器22由输入回路二12、放大器二13、量程扩展回路14和反馈回路二15组成；放大器二13的输出信号分三路，一路经所述量程扩展回路14后接放大器二13的输入端，一路经所述反馈回路二15后接放大器二13的输入端，另一路接主放大器6的输入端。结合图7，所述放大器二13为芯片LTC2053(即运算放大器A7)，输入回路二12由电阻R9、R11和电容C9组成，量程扩展回路14由电阻RX1构成，反馈回路二15由电阻R10组成。实际应用过程中，依据市场客户对量程的要求，通过量程扩展器可以设置本实用新型中各轴向的量程，以满足用户不同测量范围的要求。
如图8所示，所述带宽扩展器23由输入回路三16、放大器三17、带宽扩展电路18和反馈回路三19组成；输入回路三16的输出信号分三路，一路经带宽扩展电路18后接放大器三17的输入端，一路经反馈回路三19后接放大器三17的输入端，另一路接主放大器6的输入端。结合图9，所述放大器三17由为芯片LTC2053(即运算放大器A8)，带宽扩展电路18由电容CX和C12并联组成，反馈回路三19由电阻Rx和R14并联组成，输入回路三16由电阻R12、R13和电容C11组成。也就是说，输入回路三16的输出端接放大器三17的输入端，放大器三17的输出信号分别分流至带宽扩展电路18和反馈回路三19的输入端且二者的输出端均回接至放大器三17的输入端。实际应用过程中，通过带宽扩展器各轴的带宽进行设置。
本实施例中，角速率陀螺仪1和适配转接线路板20以及各自的引出电缆，均合理有序地安装在一个外形尺寸为50×36×15.5mm3壳体之内
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高精度角速率陀螺仪，包括用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪(1)，其特征在于：还包括对角速率陀螺仪(1)所输出模拟信号进行模数转换的A/D转换电路(2)以及与A/D转换电路(2)相接且对A/D转换电路(2)所输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片(3)；所述角速率陀螺仪(1)包括依次串接的敏感电路(4)、信号处理器(5)和主放大器(6)；所述主放大器(6)还接有分别对其进行控制的零偏置控制器(21)、量程扩展器(22)和带宽扩展器(23)，所述零偏置控制器(21)、量程扩展器(22)和带宽扩展器(23)相并联且三者的共同输出端均接主放大器(6)的输入端。
2.按照权利要求1所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述FPGA芯片(3)的输出端接至适配转接线路板(20)。
3.按照权利要求1或2所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述角速率陀螺仪(1)为芯片ADXRS150，所述A/D转换电路(2)为芯片ADS1251，所述FPGA芯片(3)为芯片EP2C20。
4.按照权利要求1或2所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述敏感电路(4)为由离散控制器(4-1)、ST接口电路(4-2)、敏感器(4-3)、谐振器(4-4)和激励器(4-5)组成的敏感电路，所述离散控制器(4-1)和激励器(4-5)分别经ST接口电路(4-2)和谐振器(4-4)后均接敏感器(4-3)，所述敏感器(4-3)接信号处理器(5)。
5.按照权利要求4所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述敏感器(4-3)为芯片P0-XRS；谐振器(4-4)由两个运算放大器A1和A2相串联组成，所述运算放大器A1和A2均为芯片LTC2053；所述激励器(4-5)为由芯片REG711-5构成的充电泵调节器；所述信号处理器(5)由芯片LTC2053和芯片LB8207串接组成；所述主放大器(6)为芯片LTC2053。
6.按照权利要求4所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述零偏置控制器(21)由输入回路一(7)、放大器一(8)、运算器(9)、校准回路(10)和反馈回路一(11)组成；放大器一(8)的输出信号分三路，一路经运算器(9)和校准回路(10)后接放大器一(8)的输入端，一路经所述反馈回路一(11)后接放大器一(8)的输入端，另一路接主放大器(6)的输入端。
7.按照权利要求4所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述量程扩展器(22)由输入回路二(12)、放大器二(13)、量程扩展回路(14)和反馈回路二(15)组成；放大器二(13)的输出信号分三路，一路经所述量程扩展回路(14)后接放大器二(13)的输入端，一路经所述反馈回路二(15)后接放大器二(13)的输入端，另一路接主放大器(6)的输入端。
8.按照权利要求4所述的高精度角速率陀螺仪，其特征在于：所述带宽扩展器(23)由输入回路三(16)、放大器三(17)、带宽扩展电路(18)和反馈回路三(19)组成；输入回路三(16)的输出信号分三路，一路经带宽扩展电路(18)后接放大器三(17)的输入端，一路经反馈回路三(19)后接放大器三(17)的输入端，另一路接主放大器(6)的输入端。
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