CN214537974U - 一种mems陀螺等效电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS陀螺等效电路，其包括第一振动模态电路、第二振动模态电路以及位于第一振动模态电路与第二振动模态电路之间的耦合电路；其中，通过合理设计电路结构，使得MEMS陀螺等效电路能够模拟MEMS陀螺的功能，MEMS陀螺等效电路相较于MEMS陀螺机械结构，更加稳定且不易受外界干扰，解决了目前测试系统MEMS陀螺稳定性低，易受温度等因素影响而导致测试系统不准确的问题。MEMS陀螺等效电路能够将机械误差归零，完全将陀螺模型理想化，直观的进行调频系统电路的电子误差调节。另外，本实用新型中MEMS等效陀螺电路的参数可调，便于解决目前仿真复杂仿真慢的问题。

Description

一种MEMS陀螺等效电路

技术领域

本实用新型属于MEMS陀螺技术领域，尤其涉及一种MEMS陀螺等效电路。

背景技术

近年来，MEMS陀螺技术飞速发展，因为其体积小，功耗低，成本低等因素，其在工业、军事等领域中的应用愈发广泛，但是因为其零点稳定性较差的因素，限制了其在高性能战术武器，机器人等尖端领域的应用。

而新型的MEMS陀螺调制和自校正技术，是提高MEMS陀螺零点稳定性的有效途径。由于MEMS陀螺机械结构的固有特性，在运行过程中会产生各类误差，在调制和自校正过程中，误差来源不透明，因此，不能很好地评判调制方法和自校正系统的效果如何。

综上，利用机械式MEMS陀螺在验证调制和自校正系统的好坏时，存在如下不足：

1.由于MEMS陀螺种类不同，生产工艺不同，甚至生产批次不同，其出现的问题以及引入的误差也不尽相同，且MEMS陀螺的本身的机械特性导致其零点对温度变化十分敏感，同一个电路调制系统，对于不同的陀螺其效果相差很大，因此，使用常规MEMS陀螺，验证调制系统的效果好坏并不合理。

2.由于MEMS机械结构误差无法确切地表示，因而，现有的李萨如调频陀螺中的由电路引入的许多电子误差与机械误差混为一谈，且模态耦合效果不明确，无法确定电子系统中导致零点漂移的误差来源，并做相应优化。

3.现在使用量比较大的软件仿真速度过慢，在达到所需精度后仿真一次所需时间过长，不便于快速试验。

4.在测试过程中，由于陀螺机械结构已经固定，无法改变其内部参数，测试结果单一化，只能更换陀螺来改变被测对象参数，不便用大量实验结果检验系统的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种MEMS陀螺等效电路，该MEMS陀螺等效电路的机械误差透明，且参数可调，以解决现有MEMS陀螺机械结构带来的缺陷。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种MEMS陀螺等效电路，包括第一振动模态电路、第二振动模态电路以及位于第一振动模态电路与第二振动模态电路之间的耦合电路；

第一振动模态电路包括依次串联连接的第一电阻、第一电容以及第一电感；

第二振动模态电路包括依次串联连接的第二电阻、第二电容以及第二电感；

耦合电路包括运算放大器、互感器、VGA以及电位器；

运算放大器有六个，分别为第一、第二、第三、第四、第五以及第六运算放大器；

互感器有十六个，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五以及第十六互感器；

VGA有两个，分别为第一VGA和第二VGA；

电位器有八个，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八电位器；

第一互感器的输入端连接有第一驱动输入电极，输出端串联接入第一振动模态电路；

第二互感器的输入端连接有第二驱动输入电极，输出端串联接入第二振动模态电路；

第一运算放大器的正相、反相输入端分别连接到第一电容的一个端部，输出端连接至第十二互感器的输入端；第十二互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第六运算放大器的正相、反相输入端分别连接到第二电容的一个端部，输出端连接至第六互感器的输入端；第六互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第五互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，第五互感器的输出端分别与第二运算放大器的正相、反相输入端相连；第二运算放大器的输出端连接至第十一互感器的输入端，第十一互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第十三互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，第十三互感器的输出端分别与第五运算放大器的正相、反相输入端相连；第五运算放大器的输出端连接至第四互感器的输入端相连，第四互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第七互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，第七互感器的输出端分别与第三运算放大器的正相、反相输入端相连；第三运算放大器的输出端依次与第一VGA、第十互感器的输入端相连，第十互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第十五互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，第十五互感器的输出端分别与第四运算放大器的正相、反相输入端相连；第四运算放大器的输出端依次与第二VGA、第三互感器的输入端相连，第三互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第一电位器的一端与第一运算放大器的正相输入端相连，另一端接地；

第二电位器连接在第一运算放大器的负相输入端与第一运算放大器的输出端之间；

第三电位器连接在第二运算放大器的负相输入端与第二运算放大器的输出端之间；

第四电位器连接在第三运算放大器的负相输入端与第三运算放大器的输出端之间；

第五电位器的一端与第六运算放大器的正相输入端连接，另一端接地；

第六电位器连接在第六运算放大器的负相输入端与第六运算放大器的输出端之间；

第七电位器连接在第五运算放大器的负相输入端与第五运算放大器的输出端之间；

第八电位器连接在第四运算放大器的负相输入端与第四运算放大器的输出端之间；

第八互感器的输入端连接第一调谐输入电极，输出端串联接入第一振动模态电路；第十四互感器的输入端连接第二调谐输入电极，输出端串联接入第二振动模态电路；

第九互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，输出端连接有第一感应输出电极；第十六互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，输出端连接有第二感应输出电极。

本实用新型具有如下优点：

如上所述，本实用新型述及了一种机械误差透明，且参数可调的MEMS陀螺等效电路，该MEMS陀螺等效电路能够自定义陀螺机械误差，并根据具体误差进行单独校正，避免了传统校正多种机械误差混为一谈导致自校正系统设计不合理的问题。本实用新型能够将机械误差归零，完全将陀螺模型理想化，直观的进行调频系统电路的电子误差调节，避免因MEMS陀螺带来的机械误差与电路带来的电子误差混为一谈而忽视或夸大电子误差的情况。此外，本实用新型还能够通过改变陀螺模型参数来改变等效陀螺的参数，进行多次试验，快速获取大量试验结果，以解决目前仿真复杂仿真慢的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例中MEMS陀螺等效电路的结构框图；

图2为本实用新型实施例中MEMS陀螺等效电路的结构示意图。

其中，101a-第一电阻，101b-第二电阻，101c-第三电阻，101d-第四电阻，101e-第五电阻，101f-第六电阻；102a-第一电容，102b-第二电容，103a-第一电感，103b-第二电感；104a-第一运算放大器，104b-第二运算放大器，104c-第三运算放大器，104d-第四运算放大器，104e-第五运算放大器，104f-第六运算放大器；105a-第一互感器，105b-第二互感器，105c-第三互感器，105d-第四互感器，105e-第五互感器，105f-第六互感器，105g-第七互感器，105h-第八互感器，105i-第九互感器，105j-第十互感器，105k-第十一互感器，105l-第十二互感器，105m-第十三互感器，105n-第十四互感器，105o-第十五互感器，105p-第十六互感器；106a-第一VGA，106b-第二VGA；107a-第一电位器，107b-第二电位器，107c-第三电位器，107d-第四电位器，107e-第五电位器，107f-第六电位器，107g-第七电位器，107h-第八电位器；108a-第一驱动输入电极，108b-第二驱动输入电极，109a-第一调谐输入电极，109b-第二调谐输入电极，110a-第一感应输出电极，110b-第二感应输出电极；111a-第一电气接口，111b-第二电气接口，111c-第三电气接口，111d-第四电气接口，111e-第五电气接口，111f-第六电气接口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

实施例

如图1和图2所示，本实施例述及了一种MEMS陀螺等效电路，其包括第一振动模态电路、第二振动模态电路以及位于第一振动模态电路与第二振动模态电路之间的耦合电路。

第一振动模态电路包括第一电阻101a、第一电容102a以及第一电感103a，第一电阻101a、第一电容102a以及第一电感103a依次串联组成RLC谐振回路。

第二振动模态电路包括第二电阻101b、第二电容102b以及第二电感103b，第二电阻101b、第二电容102b以及第二电感103b依次串联组成RLC谐振回路。

本实用新型中耦合电路采用的是互感器与运算放大器实现。如图2所示，该耦合电路包括运算放大器、互感器、VGA以及电位器等部件。

运算放大器有六个，分别为第一运算放大器104a、第二运算放大器104b、第三运算放大器104c、第四运算放大器104d、第五运算放大器104e以及第六运算放大器104f。

互感器有十六个，分别为第一互感器105a、第二互感器105b、第三互感器105c、第四互感器105d、第五互感器105e、第六互感器105f、第七互感器105g、第八互感器105h、第九互感器105i、第十互感器105j、第十一互感器105k、第十二互感器105l、第十三互感器105m、第十四互感器105n、第十五互感器105o以及第十六互感器105p。

VGA有两个，分别为第一VGA106a和第二VGA106b。

电位器有八个，分别为第一电位器107a、第二电位器107b、第三电位器107c、第四电位器107d、第五电位器107e、第六电位器107f、第七电位器107g以及第八电位器107h。

第一互感器105a的输入端连接有第一驱动输入电极108a，用于输入激励信号，第一互感器105a的输出端串联接入第一振动模态电路。

第二互感器105b的输入端连接有第二驱动输入电极108b，用于输入激励信号，第二互感器105b的输出端串联接入第二振动模态电路。

第一运算放大器104a的正相、反相输入端分别连接到第一电容102a的一个端部，第一运算放大器104a的输出端连接至第十二互感器105l的输入端。

在第一电容102a与第一运算放大器104a的正相输入端之间连接有第三电阻101c，在第一电容102a与第一运算放大器104a的负相输入端之间连接有第四电阻101d。

第十二互感器105l的输出端串联接入第二振动模态电路。

由于第一运算放大器104a的两个输入端分别与第一电容102a的一个端部相连，因而能够放大第一电容102a两端的电压，等效为刚度耦合。

第六运算放大器104f的正相、反相输入端分别连接到第二电容102b的一个端部，第六运算放大器104f的输出端连接至第六互感器105f的输入端。

在第二电容102b与第二运算放大器104b的正相输入端之间连接有第五电阻101e，在第二电容102b与第二运算放大器104b的负相输入端之间连接有第六电阻101f。

第六互感器105f的输出端串联接入第一振动模态电路。

由于第六运算放大器104f的两个输入端分别与第二电容102b的一个端部相连，因而能够放大第二电容102b两端的电压，等效为刚度耦合。

第五互感器105e的输入端串联接入第一振动模态电路，第五互感器105e的输出端分别与第二运算放大器104b的正相、反相输入端相连。

第二运算放大器104b的输出端连接至第十一互感器105k的输入端，第十一互感器105k的输出端串联接入第二振动模态电路。

由于第五互感器105e输入端串联接入第一振动模态电路，输出端与第二运算放大器104的输入端相连，因而能够将第一振动模态电路中电流放大为电压，等效为阻尼耦合。

第十三互感器105m的输入端串联接入第二振动模态电路，第十三互感器105m的输出端分别与第五运算放大器104e的正相、反相输入端相连。

第五运算放大器104e的输出端连接至第四互感器105d的输入端相连，第四互感器105d的输出端串联接入第一振动模态电路。

由于第十三互感器105m输入端串联接入第二振动模态电路，输出端与第五运算放大器104e的输入端相连，因而能够将第二振动模态电路中电流放大为电压，等效为阻尼耦合。

第七互感器105g的输入端串联接入第一振动模态电路，第七互感器105g的输出端分别与第三运算放大器104c的正相、反相输入端相连。

第三运算放大器104c的输出端依次与第一VGA106a、第十互感器105j的输入端相连，第十互感器105j的输出端串联接入第二振动模态电路。

由于第七互感器105g的输入端串联接入第一振动模态电路，输出端分别与第三运算放大器104c的输入端相连，因而能够将电路中的电流放大为电压，等效为角速率信号。

第十五互感器105o的输入端串联接入第二振动模态电路，第十五互感器105o的输出端分别与第四运算放大器104d的正相、反相输入端相连。

第四运算放大器104d的输出端依次与第二VGA106b、第三互感器105c的输入端相连，第三互感器105c的输出端串联接入第一振动模态电路。

由于第十五互感器105o的输入端串联接入第二振动模态电路，输出端分别与第四运算放大器104d的输入端相连，因而能够将电路中的电流放大为电压，等效为角速率信号。

第一电位器107a的一端与第一运算放大器104a的正相输入端相连，另一端接地。

第二电位器107b连接在第一运算放大器104a的负相输入端与输出端之间。

第三电位器107c连接在第二运算放大器104b的负相输入端与输出端之间。

第四电位器107d连接在第三运算放大器104c的负相输入端与输出端之间。

第五电位器107e的一端与第六运算放大器104f的正相输入端连接，另一端接地。

第六电位器107f连接在第六运算放大器104f的负相输入端与输出端之间。

第七电位器107g连接在第五运算放大器104e的负相输入端与输出端之间。

第八电位器107h连接在第四运算放大器104d的负相输入端与输出端之间。

第一电位器107a、第二电位器107b、第三电位器107c、第四电位器107d、第五电位器107e、第六电位器107f、第七电位器107g以及第八电位器107h均为高精度数字电位器。

第八互感器105h的输出端串联接入第一振动模态电路，第八互感器105h的输入端连接有第一调谐输入电极109a，实现第一振动模态电路的调谐功能。

第十四互感器105n的输出端串联接入第二振动模态电路，第十四互感器105n的输入端连接有第二调谐输入电极109b，实现第二振动模态电路的调谐功能。

第九互感器105i的输入端串联接入第一振动模态电路，第九互感器105i的输出端连接有第一感应输出电极110a，实现第一振动模态电路输出电路信号。

第十六互感器105p的输入端串联接入第二振动模态电路，第十六互感器105p的输出端连接有第二感应输出电极110b，实现第二振动模态电路输出电路信号。

如图1所示，MEMS陀螺等效电路还包括第一电气接口111a、第二电气接口111b、第三电气接口111c、第四电气接口111d、第五电气接口111e以及第六电气接口111f。

其中，第一电气接口111a与第一驱动输入电极108a连接，第一电气接口111a用于接收第一振动模态的输入驱动信号，并输入到第一驱动输入电极108a。

第二电气接口111b与第二驱动输入电极108b连接，第二电气接口111b用于接收第二振动模态的输入驱动信号，并输入到第二驱动输入电极108b。

第三电气接口111c与第二调谐输入电极109b连接，第三电气接口111c用于接收第二振动模态的调谐电压信号，并输入到第二调谐输入电极109b。

第四电气接口111d与第一调谐输入电极109a连接，第四电气接口111d用于接收第一振动模态的调谐电压信号，并输入到第一调谐输入电极109a。

第五电气接口111e与第二感应输出电极110b连接，MEMS陀螺等效电路的第二振动模态通过第二感应输出电极110b输出至第五电气接口111e。

第六电气接口111f与第一感应输出电极110a连接，MEMS陀螺等效电路的第一振动模态输出通过第一感应输出电极110a输出至第六电气接口111f。

信号流在上述MEMS陀螺等效电路的走向如下：

1.第一振动模态电路的科里奥利力输入由第四运算放大器104d搭建的差分放大电路，将第二振动模态电路中通过第十五互感器105o得到的电流放大2Lλ倍，放大倍数通过第八电位器107h调节，然后再通过第二VGA106b放大Ω_Z倍，等效于角速率，然后通过第三互感器105c反向串联入第一振动模态电路中，以实现放大-2Lλ倍。

2.第二振动模态电路的科里奥利力输入由第三运算放大器104c搭建的差分放大电路，将第一振动模态电路中通过第七互感器105g得到的电流放大2Lλ倍，放大倍数通过第四电位器107d调节，然后再通过第一VGA106a放大Ω_Z倍，等效于角速率，然后通过第十互感器105j反向串联入第二振动模态电路中，以实现放大-2Lλ倍。

3.第一振动模态电路的阻尼耦合输入由第五运算放大器104e搭建的跨阻放大器将通过第十三互感器105m得到的第二振动模态电路中的电流放大为R_xy倍(即第二振动模态到第一振动模态的阻尼耦合倍数)的电压，放大倍数由第七电位器107g控制，然后通过第四互感器105d串联入第一振动模态电路中。

4.第二振动模态电路中的阻尼耦合输入由第二运算放大器104b搭建的跨阻放大器将通过第五互感器105e得出的第一振动模态电路中的电流放大为R_yx倍(即第一振动模态到第二振动模态的阻尼耦合倍数)的电压，放大倍数由第三电位器107c控制，然后通过第十一互感器105k串联入第二振动模态电路中。

5.第一振动模态电路中的刚度耦合输入由第六运算放大器104f搭建的跨阻放大器将第二振动模态电路中的第二电容102b两端电压放大

倍(即第二振动模态到第一振动模态的刚度耦合倍数)，放大倍数由第五电位器107e和第六电位器107f控制(具体的，通过控制第五电位器107e和第六电位器107f的引入电阻大小，改变放大倍数)，然后通过第六互感器105f串联入第一振动模态电路中。

其中，c_y表示第二电容102b的大小，c_yx表示在推导公式过程中得到的耦合电容大小。

6.第二振动模态电路中的刚度耦合输入由第一运算放大器104a搭建的跨阻放大器将第一振动模态电路中的第一电容102a两端电压放大

倍(即第一振动模态到第二振动模态的刚度耦合倍数)，放大倍数由第一电位器107a和第二电位器107b控制(具体的，通过控制第一电位器107a和第二电位器107b的引入电阻大小，改变放大倍数)，然后通过第十一互感器105k串联入第二振动模态电路中。

其中，c_x表示第一电容102a的大小，c_xy表示在推导公式过程中得到的耦合电容大小。

7.第一振动模态电路中的调谐输入由第一调谐输入电极109a的直流电源输入，通过第八互感器105h串联至第一振动模态电路中。

8.第二振动模态电路中的调谐输入由第二调谐输入电极109b的直流电源输入，通过第十四互感器105n串联至第二振动模态电路中。

与现有的机械式MEMS陀螺相比，本实用新型中MEMS陀螺等效电路具有如下优势：

①MEMS陀螺等效电路采用电路模拟MEMS陀螺的功能，MEMS陀螺等效电路相较于MEMS陀螺机械结构，更加稳定且不易受外界干扰，解决了测试系统MEMS陀螺稳定性低，易受温度等因素影响而导致测试系统不准确的问题。

②MEMS陀螺等效电路通过放大器倍数设置，按需求改变阻尼耦合、刚度耦合、角速率信号等参数，将阻尼耦合与刚度耦合设置为零，则能够清楚的看出后续电路引入的电子误差为多少，解决了使用MEMS陀螺进行陀螺调制系统性能测试时机械误差和电子误差无法分离，从而无法很好地进行校正的缺点。

③MEMS陀螺等效电路运行速度在改变参数后在几秒钟内就能够获得输出结果，而软件仿真想要高精度的话则需几小时甚至更多的时间，因此，本实用新型通过MEMS陀螺等效电路测试的方法能够节省实验时间，解决仿真速度慢的问题。

④本实用新型通过改变第一、第二振动模态电路中电阻、电容、电感的大小，能够改变谐振频率大小，改变了测试过程中想要获取多谐振频率数据，就要更换不同谐振频率陀螺的缺点，能够获得大量实验数据，更好地检验测控电路的多样化适配性。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (1)

1.一种MEMS陀螺等效电路，其特征在于，包括第一振动模态电路、第二振动模态电路以及位于第一振动模态电路与第二振动模态电路之间的耦合电路；

第一振动模态电路包括依次串联连接的第一电阻、第一电容以及第一电感；

第二振动模态电路包括依次串联连接的第二电阻、第二电容以及第二电感；

耦合电路包括运算放大器、互感器、VGA以及电位器；

运算放大器有六个，分别为第一、第二、第三、第四、第五以及第六运算放大器；

互感器有十六个，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五以及第十六互感器；

VGA有两个，分别为第一VGA和第二VGA；

电位器有八个，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七以及第八电位器；

第一互感器的输入端连接有第一驱动输入电极，输出端串联接入第一振动模态电路；

第二互感器的输入端连接有第二驱动输入电极，输出端串联接入第二振动模态电路；

第一运算放大器的正相、反相输入端分别连接到第一电容的一个端部，输出端连接至第十二互感器的输入端；第十二互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第六运算放大器的正相、反相输入端分别连接到第二电容的一个端部，输出端连接至第六互感器的输入端；第六互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第五互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，第五互感器的输出端分别与第二运算放大器的正相、反相输入端相连；第二运算放大器的输出端连接至第十一互感器的输入端，第十一互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第十三互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，第十三互感器的输出端分别与第五运算放大器的正相、反相输入端相连；第五运算放大器的输出端连接至第四互感器的输入端相连，第四互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第七互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，第七互感器的输出端分别与第三运算放大器的正相、反相输入端相连；第三运算放大器的输出端依次与第一VGA、第十互感器的输入端相连，第十互感器的输出端串联接入第二振动模态电路；

第十五互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，第十五互感器的输出端分别与第四运算放大器的正相、反相输入端相连；第四运算放大器的输出端依次与第二VGA、第三互感器的输入端相连，第三互感器的输出端串联接入第一振动模态电路；

第一电位器的一端与第一运算放大器的正相输入端相连，另一端接地；

第二电位器连接在第一运算放大器的负相输入端与第一运算放大器的输出端之间；

第三电位器连接在第二运算放大器的负相输入端与第二运算放大器的输出端之间；

第四电位器连接在第三运算放大器的负相输入端与第三运算放大器的输出端之间；

第五电位器的一端与第六运算放大器的正相输入端连接，另一端接地；

第六电位器连接在第六运算放大器的负相输入端与第六运算放大器的输出端之间；

第七电位器连接在第五运算放大器的负相输入端与第五运算放大器的输出端之间；

第八电位器连接在第四运算放大器的负相输入端与第四运算放大器的输出端之间；

第八互感器的输入端连接第一调谐输入电极，输出端串联接入第一振动模态电路；第十四互感器的输入端连接第二调谐输入电极，输出端串联接入第二振动模态电路；

第九互感器的输入端串联接入第一振动模态电路，输出端连接有第一感应输出电极；第十六互感器的输入端串联接入第二振动模态电路，输出端连接有第二感应输出电极。

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