JP2008539435A - 機械振動子制御エレクトロニクス - Google Patents

Abstract

機械振動子の信号周波数の分数倍である周波数の正弦波駆動信号を有する、機械振動子の制御システム。駆動信号は、機械振動子からの信号と同相で位置合わせされたものとすることができる。感知信号は、振動子からピックオフし、振動子によって感知されたパラメータを得るように復調することができる。振動子への駆動信号は、感知信号を受信し復調しながら選択し、あるいはブランキングすることができる。

Description

本発明は電子制御に関し、詳細には、クリーンすなわちノイズのない電子信号をエレクトロニクスに供給することに関する。より詳細には、本発明は、そのような信号を微小電子機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの制御用および駆動用に供給することに関する。

復調器信号を発生するマイクロコントローラにクロック周波数を供給するために電圧制御発振器（ＶＣＯ）を使用する手法は、多くのエラーを回避することができる。センサおよびループフィルタの周波数にかかわらず、マイクロコントローラ上での同一のコードの実行により、復調器から出てくる信号が、位相誤差のないループロックを実現するようなものになることを保証でき、その結果、スイッチにおける遅延が自動的に補償されるようになる。デジタルＶＣＯという記述は、それ自体では、その出力が１および０からなるというだけでそれがデジタルであることから不明確なことがある。ＶＣＯは、アナログ信号がＶＣＯに入るという意味でアナログでもあり、その周波数は量子化されないが、発振器の範囲内でいかなる値も取ることができる。その電子回路の回路図は、本発明の一実施形態を示す。しかし、制御電子回路のアナログ部分のアナログ的な態様は、信号処理によってデジタル化することができる。

ナビゲーショングレードの性能を備えた低コストの微小電子機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープが必要とされることがある。このような性能に対する１つの必要条件は、ジャイロスコープ用の洗練された制御エレクトロニクスであることがある。

デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用する一実施形態は、ソフトウェアによってある固定クロック周波数で動作するＤＳＰで構成することができ、この固定クロック周波数は、ともかくもセンサの周波数の根拠であり、ジャイロスコープ用の適切なモータ駆動信号を生成する。ＤＳＰからのモータ駆動信号または振動子駆動信号は、デジタル的に生成した合成正弦曲線または正弦波とすることができる。モータ駆動信号は、モータピックオフ信号と同期させることができる。モータ駆動信号はまた、モータピックオフ信号の分数倍周波数とすることもできる。このような実施形態には、遷移がデジタルシステム内のクロック信号のエッジのみで起こることに関連するエラーがあり得る。また、データ待ち時間によるエラーと、ジャイロスコープからのアナログ信号をデジタル情報に変換するために使用されるアナログ−デジタル変換器の限られた精度によるエラーとがあり得る。これらのデータ待ち時間および／またはエラーは、デジタル信号処理を用いて効果的に補償または除去することができる。

図１〜１６は、ジャイロスコープの制御電子回路１０のブロック図および回路図である。回路１０がどのように動作するかの概観を得るのは、すべてのループが閉じており、すべてがすでに動作しているものとすることから始めることができる。図１は全体回路１０のブロック図である。図２〜１４は種々の回路を示し、これらの回路は、各回路図を集結して電子回路１０の回路図を得ることができるように、それらの間に識別可能な結線を有する。回路１０の構成が図１に示されているが、図１７の回路２１０など、本発明を実施するために使用できるその構成の変形形態があり得る。

図２では、モータピックオフ信号が入力端２１（Ｊ５）に入り、これを図２のモータ復調器回路２０の増幅器２２（Ｕ２４）によって増幅することができる。増幅器２３（Ｕ２５）は、この信号が反転したものを供給することができる。この信号は、同期復調器として働くデバイス２４（Ｕ１０）へ行くことができ、デバイス２４の下半分は、位相ロックループにおいて位相検出器として働いている。信号２５（Ｇ）および２６（Ｈ）は、直交復調用の直交スイッチング信号を供給することができる。デバイス２４の出力は、増幅器２７（Ｕ１５Ｄ）へ行くことができる。出力２８は、位相ロックループにおけるループフィルタとして働く増幅器２９（Ｕ１４Ａ）へ行くことができる。増幅器２９は、図３のデジタルＰＬＬ回路３０のものでよい。増幅器２９は積分器でよいので、モータの周波数が電圧制御発振器の自走周波数と同じではない場合でも定常状態位相誤差がないような位相ロックループとすることができる。増幅器２９（Ｕ１４Ａ）の出力は、デバイス３１（Ｕ４）において電圧制御発振器に影響を及ぼす電圧にすることができる。デバイス３１（Ｕ４）それ自体を位相ロックループとすることができるが、使用されるすべてがデバイス３１のＶＣＯでもよく、したがってデバイス３１が位相ロックループとして働いていないこともある。このＶＣＯの出力３２は、図４の復調器制御回路３４のデバイス３３（Ｕ１）のクロック周波数を制御することができる。デバイス３３は、すべてのスイッチング周波数を発生することができる。したがって、モータ駆動信号に位相誤差がゼロで位相ロックされたモータ駆動周波数のスイッチング信号と、そのモータ駆動周波数の半分の周波数のスイッチング信号との完全な一組のスイッチング信号があり得る。

デバイス２４（Ｕ１０）の上半分は再び、モータピックオフからの信号を復調することができるが、この復調は同相でよく、したがってモータ駆動信号の大きさを表すＤＣ信号を発生することができる。コンピュータが図５の主制御３６のデバイス３５（Ｕ２１）（すなわち制御マイクロコントローラ）にデータを送出し、マイクロコントローラ３５が図６のＡＧＣ制御３８のＤ／Ａコンバータ３７（Ｕ１２）にデータを送出して、Ｄ／Ａコンバータ３７の出力３９を２ボルトにすると想定することができる。増幅器４１（Ｕ１４Ｄ）は、抵抗４２（Ｒ６３）を通る（Ｄ／Ａコンバータ３７からの）電流と、抵抗４３（Ｒ９４）を通る（回路２０の同相復調器からライン４４経由の）電流とを比較することができる。この電流が等しくなく反対でない場合には、増幅器４１（Ｕ１４Ｄ）の出力が変化する。これはまた、増幅器４５（Ｕ１７Ａ）の出力端４６の電圧も変化させ、それによって図７の回路４８の電圧制御増幅器（ＶＣＡ）４７（Ｕ８）の利得が変化することになる。したがって正弦波発振器からの信号は、サインフィルタ４９、ライン５２を介した図８のモータ駆動出力端５１、開始／実行選択回路５３のデバイス５９（Ｕ１１Ａ）、および増幅器５４へ行く前に、ＶＣＡによって調整することができる。したがってＡＧＣシステム３８は、モータ復調器回路２０の入力端２１において特定の振幅のモータピックオフ信号を見ることを要求し、この振幅が得られるまでＶＣＡ４８を調整することができる。

出力端５１（Ｊ６）のモータ駆動信号は、ライン５５を経由し、図９の位相検出器５７の増幅器５６（Ｕ１７Ｃ）によって反転することができ、デバイス５８（Ｕ１１Ｂ）が別の復調器として動作することができる。デバイス３３（Ｕ１）が、モータ駆動周波数の２分の１の周波数のスイッチング信号ＩおよびＪをデバイス６１（Ｕ３）を介して供給することができる。この復調器は、第２の位相ロックループ内の位相検出器として動作することができる。図９のサインＰＬＬループフィルタ回路６３の増幅器６２（Ｕ１４Ｃ）は、この位相ロックループのループフィルタとすることができ、また、定常状態位相誤差がゼロであるようなものを有することもできる。このループフィルタの出力６４は、正弦波発振器６５の周波数を制御することができる。他のＰＬＬを用いた場合には、その正弦波は、復調器からのスイッチング信号に直交してロックすることができる。デバイス３３（Ｕ１）は、この直角位相関係を考慮し、入力端２１のモータピックオフからの信号と適切な関係をもつモータ周波数の２分の１の周波数の正弦波が得られるように位相調整されたスイッチング信号を発生することができる。

レート信号は入力端６６（Ｊ１４）に入り、図１１のレート復調器回路６８の増幅器６７（Ｕ２２）によって増幅することができる。増幅器６９（Ｕ１８）は、この信号が反転されたものを供給することができる。デバイス７１（Ｕ９Ａ）は、入力端２１のモータピックオフ信号に対して行われたように、同相復調でも直交復調でも同期復調器として動作することができる。デバイス７５（Ｕ２）からの信号ＣおよびＤは、直交復調用の直交スイッチング信号を与えることができ、ライン７６上の復調された信号は、増幅器７７（Ｕ１５Ｂ）を経由し積分器７２（Ｕ１４Ｂ）を通って進み、図１２の直交復調器（ｑｕａｄ ｄｅｍｏｄ）７４の出力端７３（Ｊ４）にモータバイアス信号を与える。デバイス７５（Ｕ２）からの信号ＡおよびＢは、レート復調用の同相スイッチング信号を与えることができ、デバイス７１（Ｕ９Ａ）からのライン７８上の復調信号は、増幅器７９（Ｕ１５Ａ）を経由し増幅器８１（Ｕ２６）を通って進み、図１３のレートフィルタ回路８３の出力端８２（Ｊ３）にレート出力信号を与えることができる。

入力端２１（Ｊ５）からの増幅されたモータピックオフ信号は、増幅器２２（Ｕ２４）の出力端を出て、Ｑ信号として図１４の開始検出器回路８５の比較器８４（Ｕ５）へ行く。比較器８４（Ｕ５）は、その信号を方形波に変換し、これはライン８６および８７を介してマイクロコントローラ３５（Ｕ２１）に行き、それによってマイクロコントローラは、疑似方形波駆動信号を同期させ、次いでその信号を適切な振幅にまで駆動することができる。ダイオード８８（Ｄ１）が付随する回路網は、増幅器２２（Ｕ２４）からのモータピックオフ信号の振幅と関連するＤＣ信号を与えることができる。マイクロコントローラ３５（Ｕ２１）は、それが適切なレベルを検出したとき、正弦波駆動に切り換えることができる。

以下は、ジャイロスコープ制御電子回路の全体回路の様々な部分の細部についての説明である。図１１のレート復調回路６８に関して、その信号は、増幅器６７（Ｕ２２）の非反転入力端にＡＣ結合することができる。その利得は、１μＦのコンデンサ９２（Ｃ５６）のインピーダンスが抵抗９１（Ｒ１６）のインピーダンスと比べて非常に低いので、抵抗８９（Ｒ２）と抵抗９１（Ｒ１６）の比（すなわち、２０ｋΩ÷５．１ｋΩ）に１を加えたものとしてよい。コンデンサ９２（Ｃ５６）は、増幅器６７（Ｕ２２）の利得をＤＣで１に等しくするためにあり、したがって出力オフセットは、主として入力オフセット電圧によって決まり得る。信号レベルが低いセンサを使用する場合に、この段での利得を増大させたいことがあり、また、非常に大きな利得が使用されるべき場合には、補償作用が働かない演算増幅器に切り換えたいこともある。

図１３のレートフィルタ８３は、３次バターワースフィルタとしてよい。回路図は、本来の２３．５Ｈｚの遮断周波数用の構成部品を示すが、２５０Ｈｚの帯域幅が必要な場合もある。帯域幅を２３５Ｈｚまで拡大するには、１００ｋΩの抵抗９３（Ｒ５９）、９４（Ｒ６１）、および９５（Ｒ６２）をそれぞれ１０ｋΩの抵抗と置き換えればよい。代わりに、１０ｋΩの抵抗をそれぞれ１００ｋΩの抵抗９３、９４、および９５の上に（すなわち並列に）取り付けて、２５８Ｈｚの帯域幅を得ることもできる。

直交復調器７４は積分器とすることができ、これは、出力端７３のモータバイアスを、レートチャネルからの復調直交信号にＤＣ成分がなくなるまで調整する。この積分器の周辺の構成部品は、高速応答および適切な減衰応答が得られるように選択することができる。その総合的な効果は良好に見えるが、望ましくない量のＡＣ信号がモータバイアス信号上に認められることがあり、したがって４．７ＭΩの抵抗９６（Ｒ１０２）の両端間にコンデンサを配置することもある。４７０〜１０００ｐＦの値がよいはずである。復調信号はまた、最もよく知られている目的のために３極低域通過フィルタを通過し、直交出力端９７（Ｊ１３）へ行くが、直交零ループがアクティブのときには直交出力端が接地されているので、興味の対象ではない。第１の極７７（Ｕ１５Ｂ）は、直交零ループを不安定にする可能性のある位相シフトが加わらないように、高い周波数（７３３Ｈｚ）にすることができる。こうすると、第１の極があまり働かないので、このフィルタを２極フィルタのように働かせることができる。このことにより、その２次部分を適正に設定できなくなることがある。というのは、２次部分が利得ピークをもつからであり、この利得ピークは、抵抗９８（Ｒ１０７）の値を１０ｋΩから１７．４ｋΩに増大させることによって除去することができる。１００ｋΩの抵抗９９（Ｒ１０９）および１０１（Ｒ１１０）は、９．５ｋΩの抵抗と置き換えて２４８Ｈｚの帯域幅を与えることができるが、１０ｋΩの抵抗を使用すると２３５Ｈｚを与え、１０ｋΩの抵抗をそれぞれ１００ｋΩの抵抗９９および１０１の上に（すなわち並列に）置くと、レートフィルタ８３の場合のように２５８Ｈｚを与えることができる。

開始検出器回路８５は、モータピックオフ信号（増幅器２２からのＱ信号）から方形波をつくり、この方形波をライン８６および８７を介して主制御回路３６のデバイス３５に供給することができ、したがってデバイス３５は、その疑似方形波駆動信号をモータピックオフからの信号に位相ロックすることができる。比較器８４は、発振を防止するためのＡＣヒステリシスを有することができ、（１００ｐＦのコンデンサ１０２（Ｃ６９）を削除することによって）ＤＣヒステリシスを使用する場合に発生することがある位相シフトを引き起こすことはない。ダイオード８８（Ｄ１）を含む回路網を使用して、モータピックオフ信号Ｑの振幅を表すＤＣ信号を生成することができる。ＡＧＣ制御回路３８のジャック１０３（Ｊ１２）のモータ振幅出力が同じことを行うことができるが、ダイオード回路網は、開始モードにおいてすべてのループがロックされていないときに働かなければならない。

図５の主制御回路３６は、１８．４３２ＭＨｚの水晶１０４によって動作する１６Ｆ８７６Ａマイクロコントローラ３５（Ｕ２１）を有することができる。この周波数はその高調波が、１０ｋＨｚのセンサを使用する場合に他のマイクロコントローラが動作する周波数である４ＭＨｚの高調波から離れるように選択することができる。主制御３６から復調制御３４へ行くいくつかの信号があり得る。開始／実行制御は、復調制御３４に、復調制御３４が制御支配をもつ開始／実行選択５３の一部分に復調制御３４がどのように対処しているべきかを伝えることができる。左／右制御は、左または右のピックオフ信号どちらかに対処する復調器のいくつかでどちらの極性を使用すべきかを復調制御に伝えることができる。またサイクルモードラインは、サイクルスキッピング法を使用すべきか否かを復調制御に伝えることができる。主制御３６はまた、開始／実行選択５３の一部分を制御することもできる。開始モードでは、マイクロコントローラ３５のＲＡ２の出力（Ｌ）は、疑似方形波駆動信号をモータ駆動増幅器（Ｕ１７Ｂ）に接続し、この同じ信号は、＋５ボルトを５．１ｋΩのプルアップ抵抗１０５（Ｒ２２）に供給することができる。これは、回路が開始モードにあるときだけ比較器８４（Ｕ５）の出力をアクティブにすることによって回路基板上のノイズを低減するために行うことができる。マイクロコントローラ３５の出力ＲＢ０およびＲＢ１を使用し、これらの出力を両方低、別々、または両方高のいずれかにすることによって、疑似方形波駆動信号を生成することができる。出力ＲＢ０およびＲＢ１は、それぞれ１００ｋΩの抵抗１０８（Ｒ６８）および１０９（Ｒ６９）を介してライン１０６に接続することができ、このライン１０６は、０．１μＦのコンデンサ１１０（Ｃ５５）を介して増幅器５４と、開始／実行選択回路５３のデバイス１１１（Ｕ１１Ａ）へと行く。これは３レベルの波形を与えることができ、この波形は、増幅器５４（Ｕ１７Ｂ）によって増幅されたときに大きくなりすぎないように、２０ｋΩの抵抗１０７（Ｒ１５）（Ｕ１７Ｂのそば）によって減衰される。疑似方形波駆動信号の周波数は、マイクロコントローラ３５上のＥＥＰＲＯＭレジスタのうちの１つの内容によって決定することができる。この周波数は、４,６０８,０００／［４×（番号＋２２）］とすることができるが、周波数を変更するオプションを使用した場合にはソフトウェアが事態を理解するので、これを知っておく必要は必ずしもない。主制御３６は、デバイス１１２（Ｕ２０Ａ）の４つのスイッチを開くか閉じるかを決定することができ、これによりスイッチ１１３のデジタルＰＬＬ３０のループ、スイッチ１１４のサインＰＬＬループフィルタ６３のループ、スイッチ１１５の直交復調７４のループ、およびスイッチ１１６のＡＧＣ制御３８のループがアクティブであるかアイドリングであるかが決まる。

復調制御３４は、デバイス３１からのライン３２に沿って電圧制御発振器からの周波数を取り込み、モータピックオフ（２１）周波数およびモータ駆動（５１）周波数両方の復調器用制御信号を発生する。主制御３６から来る３つの信号があり得る。開始／実行制御は、復調制御に、復調制御が制御支配をもつ開始／実行選択の一部分に復調制御がどのように対処しているべきかを伝えることができる。左／右制御は、左または右のピックオフ信号どちらかに対処する復調器のいくつかでどちらの極性を使用すべきかを復調制御に伝えることができる。またサイクルモードラインは、サイクルスキッピング法を使用すべきか否かを復調制御に伝えることができる。主制御３６はまた、開始／実行選択５３の一部分を制御することもできる。Ｉ２Ｃバスを使用して各マイクロコントローラ間の通信のための対応をすることができる。１つの可能な使用法は、クロックと制御信号の間の分割比を設定することである。たとえこの機能を使用しても、Ｉ２Ｃ手法を使用するためではなく４つの分割比のうちの１つを選ぶために、２つのデジタルラインとしてそのピンを使用するだけのこともある。

ＡＧＣ制御３８に関し、モータピックオフ（２１）信号の同相復調は、モータ駆動信号の振幅を表すＤＣ電圧を増幅器１１７（Ｕ１５Ｃ）の出力４４に与えることができる。この信号は、さらにフィルタリングし、出力端１０３（Ｊ１２）（ＭＴＲ増幅器出力）へ送出することができる。この信号はまた、抵抗４３（Ｒ９４）に電流を流すこともでき、増幅器４１（Ｕ１４Ｄ）がこの電流を、ＤＡＣ３７からのライン３９に沿って抵抗４２（Ｒ６３）を通ってくる電流と比較する。積分器４１（Ｕ１４Ｄ）出力は、コンピュータによって設定できる所望の振幅に等しい感知振幅を得るためにそれが行かなければならないどこへも行くことができる。主制御３６が積分器４１の両端間のスイッチ１１６を閉じると、その出力は約０ボルトになり、したがって増幅器４５（Ｕ１７Ａ）の出力は、抵抗１１８（Ｒ１００）と抵抗１１９（Ｒ５）によって決定することができる。その値は、ＡＧＣがアクティブでないときに、信号ＭによってＶＣＡ４８の利得を適切にするように選ぶことができる。これは、異なるセンサに変わるようなものである。たとえば、その利得がセンサをオーバドライブする場合には、ループがロックし各部分を動作させることが困難になることがある。

モータ復調器２０に関し、モータピックオフ入力端２１からの信号は、増幅器２２（Ｕ２４）の非反転入力端にＡＣ結合することができる。その利得は、１μＦのコンデンサ１２３（Ｃ５９）のインピーダンスが抵抗１２２（Ｒ１９）のインピーダンスと比べて非常に低いので、２０ｋΩの抵抗１２１（Ｒ４）と５．１ｋΩの抵抗１２２（Ｒ１９）の比（すなわち、Ｒ４／Ｒ１９）に１を加えたものとしてよい。コンデンサ１２３（Ｃ５９）は、増幅器の利得をＤＣで１に等しくするためにあり、したがって出力オフセットは、主として入力オフセット電圧によって決まり得る。信号レベルが低いセンサを使用する場合に、この段での利得を増大させたいことがあり、また、非常に大きな利得の場合には、補償作用が働かない演算増幅器に切り換えたいこともある。

デジタルＰＬＬ３０に関して、増幅器２９（Ｕ１４Ａ）は、デジタルＰＬＬ用のループフィルタとすることができる。デバイス１１２（ＤＧ４１２）のスイッチ１１３がループフィルタの両端間で閉じると、出力を接地することができる。その場合、電圧制御発振器３１（Ｕ４ピン９）の入力端へのライン１２４に沿った電圧は、上部の２．８ｋΩの抵抗１２５（Ｒ１０５）と２０ｋΩの抵抗１２６（Ｒ６）との直列結合、ならびに下部の１０ｋΩの抵抗１２７（Ｒ４１）と１００ｋΩの抵抗１２８（Ｒ６６）との並列結合によって形成される減衰器によって決めることができる。復調制御３４のコードは、モータピックオフ周波数が約１０ｋＨｚである場合に、デバイス３１のＶＣＯ周波数が約４ＭＨｚになるように書くことができる。センサ周波数が大幅に変わる場合、対応は、復調制御のコードを変更することになり得る。これは不便なこともあるので、周波数の大幅な変更を行うには８５ｐＦのコンデンサ１２９（Ｃ８５）の値を変更するだけ、また軽微な調整を行うには抵抗１２７（Ｒ４１）の値を変更するだけという可能性の方が高い。７４ＨＣ４０４６Ａチップは、デバイス３１の７４ＨＣ４０４６チップとは異なる特性を有する。Ａバージョンの方が高速であり、したがって、より高い周波数のセンサに対応するのに単純にそれを高速にしたいこともある。別の選択肢は、１．９６ｋΩの抵抗１３１（Ｒ１０４）の値を変更することにより周波数を変えることでもよい。こうすることは、入力端の電圧を電圧範囲（すなわち２．５ボルト）の中心付近にしておくのがよいために、入力端の電圧分割器回路網について検討するよりも都合がよいこともある。

正弦波発振器６５は、３段位相シフト発振器とすることができる。それぞれが６０°の位相シフトを与える３つの位相シフト段１３２、１３３、１３４と、１８０°の位相シフトを与えるインバータ１３５とがあればよく、必要に応じループまわりで合計が３６０°になる。段１３２、１３３、１３４、および１３５は、ＬＭ１３７００チップを利用することができる。これらの相互コンダクタンス増幅器は、電流制御抵抗のように動作することができる。第１段１３２では、ライン１３６（ピン１６）への電流が、ライン１３８（ピン１３）とライン１３９（ピン１４）の間の差動電圧に相関してライン１３７（ピン１２）からの電流の利得を制御することができる。１０００ｐＦのコンデンサ１７６（Ｃ６４）が電流制御抵抗と共に作用して、６０°の位相シフトを有するＲＣ低域通過部を形成することができる。ダーリントントランジスタ対１４１が信号をバッファリングすることができ、したがって各段は互いに負荷をかけない。第１段１３２からの信号は、ライン１４２から整流器１４３へ行くことができ、積分器１４４（Ｕ１６Ｂ）は、整流器１４３の平均ＤＣ出力と、４７０ｋΩの抵抗１４５（Ｒ１０３）と３０ｋΩの抵抗１４６（Ｒ９８）が与える約０．３ボルトの基準電圧とを比較し、次いでその誤差電圧を積分することができる。積分器１４４の出力は、ライン１４７を介して位相シフト発振器の反転段１３５で利得を制御することができ、そうして正弦波の振幅は、歪みを最小限にするためにかなり低いレベルに制御される。正弦波発振器６５は、ＰＬＬ回路６３がその非ロック状態にあるときにはモータ駆動周波数で発振するように設定することができるが、こうするのは、積分器の両端間のスイッチ１１４が閉じられたために増幅器１４８（Ｕ１４Ｃ）の出力が接地されているときである。発振器６５の周波数は、コンデンサ１３７（Ｃ６４）、コンデンサ１４９（Ｃ６５）、およびコンデンサ１５１（Ｃ６６）の１０００ｐＦの値を変更することによって（ただし各値を等しく保ちながら）、あるいは抵抗１５２（Ｒ８２）、抵抗１５３（Ｒ８３）、および抵抗１５４（Ｒ８４）の５１ｋΩの値を変更することによって（ただし各値を等しく保ちながら）、調整することができる。ライン１３６（ピン１６）またはライン１５５（ピン１）に入る電流の最大定格は約２ｍＡである。これらの部分は非常に壊れやすく、２ｍＡではそれらを破壊するおそれがある。それらには１ｍＡでさえも通すべきではない。抵抗１５２（Ｒ８２）に５１ｋΩを使用すると、電源がライン１３６（ピン１６）の中に通し得る最大電流は約０．５ｍＡになり、これは妥当と思われる。周波数を倍にするには、各コンデンサの値を半分にすればよい。発振器６５の周波数は（アイドリング時に）、位相ロックループが迅速かつ確実にロックするように、モータ周波数に近くなければならない。

ＶＣＡ４８は、デバイス４７にＬＭ１３７００相互コンダクタンス増幅器を使用することができる。２０ｋΩの抵抗１５６（Ｒ１４）は、線形化ダイオードにバイアスをかけて歪みを低減させることができる。５１ｋΩの抵抗１５７（Ｒ８６）を通る電流は、ライン１５９（ピン３）とライン１６１（ピン４）の間の差動電圧に対して、ライン１５８（ピン５）から出る電流の比率を制御することができる。１００ｋΩの抵抗１６２（Ｒ７３）は、その電流を電圧に変換することができ、この信号は、トランジスタ１６４によってバッファリングすることができる。トランジスタ１６４は、Ｖ＋に接続されたコレクタと、１０ｋΩの抵抗１６３（Ｒ５７）を使用して−１２ボルトにバイアスされたエミッタとを有する。

ＶＣＡ４８の出力１６５は、サインフィルタ４９へ行くことができる。サインフィルタ４９は、正弦波の歪みを低減させることができる。演算増幅器１６６（Ｕ１６Ｄ）は、必要な信号反転を行うために使用され、１００ｐＦのコンデンサ１６７は、フィルタの第１の極を得るために１６２ｋΩの帰還抵抗１６８（Ｒ９６）の両端間に配置されたものである。抵抗１６９（Ｒ５４）および１７１（Ｒ５５）は同じ１０ｋΩの値を有し、この比率は、異なるセンサに対応するために周波数が変更されるならば変わることがない。７．５ｋΩの抵抗１７２（Ｒ９１）は抵抗１７３（Ｒ９２）とほぼ等しく、０．００２２μＦのコンデンサ１７４（Ｃ７７）はコンデンサ１７５（Ｃ７８）とほぼ等しい。構成部品の値から、フィルタは１０ｋＨｚの帯域幅に設定することができるが、この帯域幅は、１０ｋＨｚセンサが５ｋＨｚの駆動周波数を有するので調整されることもある。いくつかの構成部品の値は変更することができ、あるいは、２次高調波の８０ｄＢ抑制を達成できないかもしれないと考えて、サイクルスキッピングのオプションを基礎設計にすることもできる。８０ｄＢという（仕様に要求された）２次高調波抑制を達成することは困難なことがある。発振器が自走しているときに、これだけの抑制を正弦波発振器６５およびサインフィルタ４９が達成できるとしても、ひとたび正弦波位相ロックループがロックすると、スペクトル純度が維持できなくなることがある。これは、ループフィルタの出力が、周期内で周波数に影響を与えようとすることによって波形に影響を及ぼすことがあることによる。電圧制御発振器への入力端でＡＣ信号のすべての痕跡をフィルタで除去しようとすると、位相ロックループの制御ができなくなり、ループは適切にロックすることができないことがある。これが、サイクルスキッピングのオプションを含めることの動機となったものである。このオプションがひとたびアクティブ化されると、レート信号が復調されているときに正弦波駆動信号が存在しなくなるので、歪みは無関係になり得る。

開始／実行選択回路５３に関して、Ｌと名づけた信号は、それがどんなものとも同期されないようなので、主制御３６から来る。Ｋと名づけた信号は、復調制御３４により供給されるデバイス６１のラッチから来ることができる。連続モードがもっぱら使用されるなら、信号Ｋは、実行モードになっていることを示す定常信号にすぎないので、これらのラッチから信号Ｋが来なくてもよい。しかし、レート信号が復調されているときに駆動信号を無効にするためにサイクルスキッピングモードが使用される場合に、信号Ｋは駆動信号と同期して使用されるので、ラッチから信号Ｋが来ることもある。スイッチの「オン」抵抗は、信号レベルと関係することがあり、この抵抗は、抵抗１０７（Ｒ１５）と共に作用して電圧分割器として働くことができる。スイッチ抵抗が抵抗１０７（Ｒ１５）の２０ｋΩの値と比べて低いので、その出力は入力と非常に近くなり得るが、スイッチ抵抗が信号レベルに関係するということは、開始／実行選択回路に供給する正弦波がたまたま完全であったとしても、歪みを発生させる機構をもたらす可能性がある。このことが、歪みの心配がないサイクルスキッピングモードを使用することの別の動機になり得る。

位相検出器５７は、モータ復調回路２０およびレート復調回路６８に使用されている復調器と同じ種類とすることができる。こうしてよい理由は、制御信号とスイッチの応答（開または閉）との間に遅延があり得ることである。デジタルＰＬＬ回路３０では、そのループフィルタは、デジタルＰＬＬ内の復調器からＤＣ電圧が来ないようにする。こうするために、マイクロコントローラへのクロックは、入力端２１のモータピックオフ信号に対し周波数をロックすることができ、また、スイッチ内の遅延を補償するために、自動的に位相を進めることもできる。両方のＰＬＬにおいて同じスイッチ、および同じ復調器を使用していることがあるので、スイッチング信号のタイミングは、モータピックオフ信号に対して正弦波が適正に位置決めされることになるように、正弦波ＰＬＬのスイッチ内の遅延を考慮に入れることができる。そのタイミング誤差は、２つの異なる位相ロックループにおいて完全に異なる種類の位相検出器が使用されたかのように絶対的な遅延と関連するのではなく、各スイッチの遅延の差と関連するはずである。

図９のサインＰＬＬループフィルタ６３に関して、位相ロックループが実際に設計されなければならない。制御ループをおおまかに調整するだけで、それを適切に動作させることはできない。しかし、本質的な要素は、差動増幅器１４８、抵抗２０１（Ｒ_１）、抵抗２０２（Ｒ２）、およびコンデンサ２０３（Ｃ）を組み込む図１５の回路図１８０と共に明らかと思われる。入力が抵抗２０１を通り、増幅器２００の非反転入力端へ行く。増幅器の反転入力端は、グランドまたは基準端子に接続することができる。直列に接続されたコンデンサ２０３と抵抗２０２を組み込む、増幅器の出力端から増幅器の非反転入力端への帰還ループがあってもよい。Ｋ_Φは、単位が電圧／ラジアンの位相検出器変換利得とすることができる。Ｋ_０は、単位がラジアン／秒／ボルトのＶＣＯ変換利得とすることができる。式「ω_ｎ＝（（Ｋ_０・Ｋ_Φ）／（Ｒ_１・Ｃ））^１／２」および「Ｒ_２＝２／（Ｃ・ω_ｎ）」を使うことができる。Ｋ_ΦおよびＫ_０は測定することができ、Ｒ_１およびω_ｎの妥当な値は選ぶことができる。ＣおよびＲ_２は、それぞれ第１式および第２式を使って計算することができる。この手法は、減衰定数が１であるとしている。減衰は、式「ζ＝（Ｒ_２・（Ｃ／２））・ω_ｎ」によって計算することができる。Ｒ_２があまりに低い場合、ループは減衰不足となり、不安定になることがある。Ｒ_２があまりに高い場合、不必要に大きなＡＣ信号が正弦波電圧制御発振器に供給されることがあり、それによって歪みが生じる。

最初の配置、および構成部品の値は、ブレッドボード手法に基づくものでよい。全般的な改変が、ブレッドボードから正規のボード手法に移行したことの結果として実施されることがある。これらの変更は、動作周波数にかかわらずすべての基板に加えられるべきである。これらの変更は、ブレッドボード上でどのようにして物事が行われたかということから、ブレッドボード段階の次にどのようにして物事が行われるかへ転換するための、ほとんどが軽微な調整であり得る。

その変更は、抵抗１１８（Ｒ１００）を１４ｋΩに変更すること、＋５ボルトとＤＡＣ３７（Ｕ１２、ピン３）のＺ信号端子との間に２０ｋΩのプルアップ抵抗を配置すること、抵抗１２７（Ｒ４１）（デジタルＰＬＬ３０において）の値を２０ｋΩに変更すること、２４８Ｈｚの帯域幅を得るために抵抗９３（Ｒ５９）、９４（Ｒ６１）および９６（Ｒ６２）を９．５ｋΩの値に変更すること、抵抗９８（Ｒ１０７）を１７．４ｋΩの値に変更すること、２４８Ｈｚの帯域幅を得るために抵抗９９（Ｒ１０９）および１０１（Ｒ１１０）を９．５ｋΩの値に変更すること、および抵抗９６（Ｒ１０２）の両端間に４７０ｐＦのコンデンサを配置することを含むことがある。

次の一連の改変は、周波数特性とすることができる。第１の基板上で、正弦波発振器６５を５ｋＨｚ近くでアイドリングするためにコンデンサ１３７（Ｃ６４）、１４９（Ｃ６５）および１５１（Ｃ６６）の値を２,２００ｐＦに変更することができる。アイドリング周波数は、ループをロックさせるために動作周波数にかなり近くなければならない。この周波数を高くするには、コンデンサの値を小さくすればよい。微調整のためには、抵抗１５２（Ｒ８２）、１５３（Ｒ８３）および１５４（Ｒ８４）の値を一致させて変更することができるが、元の５１ｋΩより小さくすべきではない。デバイス３１（Ｕ４）の７４ＨＣ４０４６Ａチップのアイドリング周波数は、コンデンサ１２９（Ｃ８５）の値を変更することによって調整することができる。この周波数は、抵抗１３１（Ｒ１０４）の値を変更することによって微調整することができる。サインフィルタ４９の周波数は、抵抗１６８（Ｒ９６）、１７２（Ｒ９１）および１７３（Ｒ９２）の値を同じ率で変更することによって調整することができる。最初の値はおおまかに１０ｋＨｚに設定された。

図１６は、本発明の回路に種々の電圧を供給する回路を備えた電源１７７を示す。回路１７８は、デバイス１１２（Ｕ２０Ａ）（ＤＧ４１２）に使用できるデカップリングを実現することができる。

図２〜１４の回路には、図中で文字Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｑ、Ｘ、ＹおよびＺで名づけた信号、ならびに数字２８、３２、４４、５２、５５、６４、７６、７８、８６、８７、１０６、１８１、１８２、１８３、１８４、１８５、１８６、１８７、１８８、１８９、１９１、１９２、１９３、１９４、１９５、１９６および１９７で名づけた相互接続ラインによって示される様々な相互接続があってよい。

図１７は、本発明を実施する別の回路２１０のブロック図である。回路２１０は、モータ駆動用の高純度正弦波を使用して、ジャイロスコープ１００の制御システムのノイズレベルを低減することができる。モータピックオフ信号２１２がジャイロ１００から来て、同期モータ復調器２１１へ行くところから始めることができる。直交出力２１３を与えるモータ復調器２１１は、位相ロックループ（ＰＬＬ）内の位相検出器として動作することができる。この位相検出器から、信号はループフィルタ２１４を通り、次いでデジタル電圧制御発振器２１５へ行くことができ、この発振器は、復調器信号を供給するマイクロコントローラ（復調器制御）２１６用のクロック信号を与える。復調器２１１と、ループフィルタ２１４、およびＶＣＯ２１５との組合せが、位相ロックループとして動作することができる。これは、ループフィルタ２１４が積分器であるので、モータの周波数が電圧制御発振器２１５の自走周波数と同じでなくても定常状態位相誤差のないような位相ロックループになり得る。（この場合の自走周波数は、積分器が短絡されたときに存在する周波数と考えることができ、この短絡は、主マイクロコントローラ２２１が準備できるものである。）したがってマイクロコントローラ２１６は、スイッチ内の遅延を補償さえする、ほぼ完全な一組の復調器信号を供給することができる。モータ復調器２１１の同相出力２１７は、モータ駆動信号２３８の振幅を表すＤＣ信号を生成することができる。自動利得調整（ＡＧＣ）２１８は、復調器からのＤＣ信号を、主マイクロコントローラ２２１が調整するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２１９からのＤＣ信号と比較することができ、その差の積分を使って電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２２２の利得を変化させることができる。その場合、正弦波発振器２２３からの信号は、サインフィルタ２２４およびモータ駆動器２２５へ行く前に、ＶＣＡ２２２によって調整することができる。したがって、ＡＧＣシステム２１８は、モータピックオフ信号２１２の特定の振幅を見ることを要求し、次に、この特定の振幅が得られるまでモータ駆動信号２３８の振幅を調整することができる。

感知ピックオフ信号２３７は、ジャイロ１００から来て、同期レート復調器（レート復調器）２２６へ行くことができる。直交復調は、モータバイアス信号２３９を与えるために、積分器２２８を通って進む信号２２７を供給する。同相復調２２９は、フィルタ２３１によってフィルタリングされると出力２４１になる信号を与え、この信号はジャイロ１００の回転レートを表す。

正弦波モータ駆動信号２３８を生成するために、別の位相ロックループを使用することができる。復調器制御２１６は一組のスイッチング信号を供給し、この信号の周波数は、復調器２１１、２２６、２３２に使用されるスイッチング信号の周波数の２分の１、または他の分数倍の周波数である。このスイッチング信号はまた、他のスイッチング信号との適切なタイミング関係も有し、その結果、モータ駆動用に生成される正弦波が、ジャイロ１００から来る信号と適切な関係をもつようになる。正弦波復調器２３２と、ループフィルタ２３４、および正弦波ＶＣＯ２２３とは、この第２の位相ロックループを構成することができる。

モータピックオフからの信号２１２はまた、整流器２３５および低域通過フィルタ２３６へ行き、次いで、主マイクロコントローラ２２１のアナログ−デジタル変換器へも行くことができる。起動中に整流器回路２３５を使用して、位相ロックループが適切にロックするのに十分な振幅に信号が増加したときを検出することができる。起動するために、主マイクロコントローラ２２１は、正弦波をモータ駆動器２２５に接続するのではなく、主マイクロコントローラ２２１からの信号をモータ駆動器に接続するために、（主マイクロコントローラによって制御することができる）別のマイクロコントローラに、デジタル信号を波形選択スイッチ２２４へ送るように命令することができる。次いで、主マイクロコントローラ２２１は、３レベルを有する信号であり、３レベルを使用する場合にだけ可能な程度に正弦波に似ている信号を生成する。アルゴリズムを使用して、周波数が異なる一連のトーンバーストでセンサを刺激することができる。ジャイロ１００内のプルーフマスがひとたび振動を開始すると、比較器がその信号を方形波に変換することができ、主マイクロコントローラ２２１は、この方形波を同期用に使用することができる。モータ駆動信号２３８の位相をモータピックオフ信号２１２に対して適切に調整することによって、マイクロコントローラは、かなりの振幅までセンサを駆動することができる。次いで、主マイクロコントローラ２２１は、信号の周波数を測定し、この情報を使用してモータ駆動信号２３８のパルス幅を調整することができる。位相もパルス幅もセンサの周波数に理想的に適合されていると、主マイクロコントローラ２２１は、適切な大きさの振幅までセンサを駆動することができる。次いで、マイクロコントローラ２２１は、両方の位相ロックループをロックし、他のマイクロコントローラに対し、波形選択スイッチ２２４を使用して正弦波駆動に切り換えるように命令することができる。

主マイクロコントローラ２２１が波形選択スイッチ２２４自体を制御するのではなく、他のマイクロコントローラに対し制御するように命令するのは、波形選択スイッチ２２４に別の用途があるためである。この別の目的のために、主マイクロコントローラ２２１は、波形ではなくグランドのＤＣレベルを与えることができる。その場合、波形選択回路２２４を使用して、正弦波とグランドのどちらかをモータ駆動信号２３８の交番周期で選択することができ、これが、主マイクロコントローラ２２１からではなく復調制御２１６から最終的に波形選択信号が来る理由である。主マイクロコントローラは、他のマイクロコントローラにこの動作モードをいつ使用するかを命令できるが、他のマイクロコントローラは、このモードを使用するようにひとたび命令されると、サイクルスキッピング信号と共にすべての復調信号を生成することができる。こうするのは、モータ駆動信号２３８の波形の２次高調波が、レート復調器２２６によってレート出力信号にエラーをつくり出すようにして復調される可能性があるためである。この問題は、モータ駆動器２２５がオフであるときだけレート復調器２２６が信号２３７を復調するので、解消することができる。この機能がないと、モータ駆動２３８の波形の２次高調波抑制に対する要件が非常に厳しいので、そのような抑制を確実に達成することは困難になり得る。

図１８のＭＥＭＳ振動ジャイロスコープ（または機械振動子）２５０への駆動波形は一般に、そもそも正弦波ではなかった。加えて、ジャイロのプルーフマスをその共振周波数の駆動信号で駆動しようとすることは、そのためのＱの高い回路による多くのリンギングを伴う問題になり得る。さらに、感知レート２５１のピックオフを得るのは容易ではなく、また、たとえそうしたとしても識別するのは容易ではない。解決策は、ジャイロモータの１０ｋＨｚ振動レートに対し適切な位相の、位置合わせされた滑らかな５ｋＨｚ正弦波を用いてジャイロモータ（すなわち、振動プルーフマスまたは機械振動子）２５０を駆動することであり得る。

まず、モータ駆動信号２５３の同期信号に関し、モータピックオフ２５１に注目することができる。感知ピックオフ２５２は、地表または宇宙のある面に対するジャイロの回転レートを表す出力としてよい。

駆動信号２５３には滑らかな正弦波が必要であるが、これは発振器から得ることができる。この信号は、モータ周波数の２分の１、すなわち５ｋＨｚでなければならず、また１０ｋＨｚのモータピックオフ信号２５１に位相ロックしていなければならない。またマイクロコントローラ２５４の命令クロックも、命令信号間のエッジがモータ駆動信号２５３のエッジまたは周期の末端で発生するように、モータピックオフ信号２５１にロックすることができる。各命令信号のエッジがそれぞれモータピックオフ信号の周期のエッジで発生するようにマイクロコントローラ２５４のクロックを制御する電圧制御発振器（ＶＣＯ）があってよい。これは、ジャイロ２５０のプルーフマスにかかる駆動信号の静電圧力の最大効果を得るためのものである。

駆動信号２５３は５ｋＨｚの周波数でよく、ジャイロ２５０のプルーフマス振動の１０ｋＨｚで感知信号と同期させて、発生する可能性のある２次高調波を最小限にすることができる。ジャイロを５ｋＨｚの正弦波２５３で駆動して、この正弦波を、発生する可能性のあるどんな２次高調波ともよりよく区別することができる。しかし、プルーフマスの両側のくし状駆動要素が互いに完全に同じではなく、その結果ジャイロ２５０のプルーフマスにかかる駆動力がわずかに非対称になるために、いかなる高調波もない純粋な正弦波でもなお、高調波の発生をもたらす可能性がある。

マイクロコントローラ２５４からの制御信号２５５は、感知信号２５２（ジャイロの回転レート情報を有する）がジャイロ２５０から読み込まれている間、ドライブ信号２５３のブランキングを可能にすることができる。ブランキングは、ゼロ出力にされている駆動信号２５３の１つまたは複数の周期を含むことができる。たとえば、１つおきの周期をブランキングすることができる。あるいは２つおきの周期をブランキングすることができる。マイクロコントローラ２５４は、任意の数の駆動信号をジャイロ２５０に許可するように、また任意の数の駆動信号２５３をブランキングするようにプログラムすることができる。スイッチ回路またはブランキング回路２６３は、信号選択器とみなすことができる。この信号選択器の少なくとも一部分がマイクロコントローラ２５４の外部にあってもよい。

５ｋＨｚは、駆動信号２５３の極性に対してジャイロ２５０の駆動機構を、ジャイロを駆動する吸引力に関して中立にできるので、よい周波数であり得る。
ジャイロのプルーフマスと、対応するモータピックオフ信号２５１との１０ｋＨｚ共振は、ジャイロの駆動および感知システムのための主クロックとみなすことができる。感知ピックオフ信号２５２は、ジャイロの回転レートの大きさを示す振幅を有することができる。したがって非回転時には、振幅は理論的にゼロになり得る。したがって、非常に小振幅の信号の大きさを妥当な精度で求める必要があり、駆動信号２５３は、感知ピックオフ信号２５２の読込み中にはブランキングされなければならない。

ジャイロの駆動および感知用システム１０は本質的にアナログであるが、デジタル化することができる。デジタル化には、モータピックオフ２５１および感知ピックオフ２５２からのアナログ入力を受け取るためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が必要になることがある。そのデジタル処理は、２４ビットの分解能によって９６０００サンプル／秒で信号を変換することができる。このデジタル化システムは、浮動小数点精度の正確さまでの動作ができ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いて実施することができる。

位相ロックループ出力信号にいくつかの差周波数があることがあり、したがって、これらの周波数を除去しながらなお基本周波数を保持するフィルタが必要になることがある。また、周期内で信号の周波数を変更すると歪みを引き起こすことがあり、したがって周波数は、信号の周期のエッジまたは末端で変更または調整されなければならない。

コントローラ２５４からのスイッチング信号のうち、いくつかは１０ｋＨｚとし、他は５ｋＨｚとすることができる。これらの信号は、１次主クロックとみなすことができるモータピックオフ２５２からの１０ｋＨｚ信号と「完全に」整合させることができる。

５ｋＨｚ信号２５７は、第１のループ２６１から第２のループに供給することができる。第２のループ２６２は、５ｋＨｚの正弦波信号を供給する正弦波発振器と結びつけることができ、この５ｋＨｚ正弦波は、第１のループ２６１からの５ｋＨｚ信号にロックされ、あるいは「完全に」整合されている。

第１の位相ロックループの信号は、モータピックオフ信号２５１に合わせることができる。このループ２６１から、５ｋＨｚおよび１０ｋＨｚのスイッチング信号が来てよい。５ｋＨｚ信号２５７は、ジャイロを駆動するための正弦波信号２５３を与える第２の位相ロックループ２６２へ行くことができる。ブランキングは、回路の末端ではあるが信号２５３がモータ駆動入力端へ行く直前に入ってよい。ブランキングには、コントローラ２５４からの出力によってトリガをかけることができる。第１のマイクロプロセッサが、第１の位相ロックループと関連する第２のマイクロプロセッサに、スキップモードまたは非スキップモードを示す信号を送出することができる。次に、第２のプロセッサは、ジャイロからの感知信号２５２の読込み中の時間にドライブ回路をブランキングするために、信号２５５をブランキング回路２６３に供給することができる。

第２のループ２６２からの正弦波信号２５３は、３段の低域通過フィルタによって滑らかになっていてよい。その出力はインバータを通り、次にその入力端へ、第２のループ内の正弦波発振器への帰還信号として行くことができる。

主マイクロコントローラ２５４は、入ってくるモータピックオフ信号２５１と同期してスイッチを制御することができる。位相ロックループ出力信号２５７および２５３もまた、ピックオフ信号２５１と同期することができる。ここで同期しているとは、各信号のエッジが互いに整合し、また正弦波などのゼロ交差信号のクロスオーバ点と整合していることを意味してよい。たとえば、周波数の変更はエッジまたはクロスオーバ点で行わなければならない。全クロック周期または半周期の中間で変更または切り換えなければならないものは何もない。この手法により、各信号間のジッタを回避することができる。

電圧制御発振器は、位相ロックループ２６１および２６２の部品でよい。ループがロックすると、クロック信号は、ジャイロスコープからの入力モータピックオフ信号など重要な事象と整合させることができる。ピックオフ信号は、主クロック信号でよい。主コントローラ２５４のクロックは、ピックオフ信号２５１に合わせることができる。

スイッチ遅延は、開であろうと閉であろうと補償することができる。これは、位相ロックループによって実現することができる。この方法では、第１の位相ロックループ２６１は、スイッチの平均遅延を補償することができる。マイクロコントローラまたは位相ロックループは、各方形波信号２６５および２６６でよい１０ｋＨｚスイッチ信号および５ｋＨｚスイッチ信号を生成することができる。５ｋＨｚ信号２６６は、第２の位相ロックループに入力することができる。第２の位相ロックループ２６２の出力信号２５３から生成された正弦波は、スイッチ信号と同期させ整合させることができる。

それに続いて、５ｋＨｚ信号２６５もまた、１０ｋＨｚ信号２６６と適切に整合させることができる（すなわち、同相であるのと同様だが、各波形の対応するエッジおよび／またはクロスオーバ点で整合させることもできる）。図１９のように、信号２６５と２６６の各エッジは、互いに整合させることができ、また正弦波２５３のクロスオーバ点と整合させることができる。各信号の一方の波形の、他方の信号の位置との相対的な位置は、各信号が互いに適切に整合されているか否かを示すことができる。図１７中で囲まれた第１のループの回路２７１は、図１８のブロック図内のループ回路２７１に対応することができる。同様に、図１７中で囲まれた第２のループの回路２７２は、図１８のブロック図内の信号選択器を伴うループ回路２７２に対応することができる。

図２０は、機械振動子２５０またはジャイロスコープ１００の制御電子回路のデジタルバージョンを明らかにしている。ジャイロ１００のモータピックオフ出力３０１は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３１０のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３１２に接続することができ、このＡＤＣは、一例として、米国、マサチューセッツ州、ＮｏｒｗｏｏｄのＡｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．製のモデルＡＤＳＰ２１２６２とすることができる。ジャイロ１００の感知ピックオフ出力端３０２は、デジタル信号プロセッサ３１０のアナログ−デジタル変換器３１３に接続することができる。ＤＳＰ３１０の、デジタル−アナログ変換器を含むモータ駆動出力端３０３は、増幅器３０５を介してジャイロ１００のモータ駆動入力端に接続することができる。モータ駆動信号または振動子駆動信号は、デジタル的に生成した合成正弦曲線すなわち正弦波信号とすることができ、この正弦波信号は、モータまたは振動子の感知ピックオフ信号の分数倍周波数を有し、モータピックオフ信号と同期および／または整合されている。駆動信号は、要望に応じ他の波形でもよく、ＤＳＰによって生成することもできる。様々なスイッチングの遅延またはタイミングは、必要に応じデジタル的に補償することができ、あるいはＤＳＰによって決めることもできる。ＤＳＰ３１０のモータバイアス出力端３０４は、増幅器３０６を介してジャイロ１００のモータバイアス入力端に接続することができる。ＤＳＰ３１０とマイクロコントローラ３０８の間に接続された８ビットの双方向データバス３０７があってもよい。マイクロコントローラ３０８とコンピュータ３１１の間にＲＳ２３２インタフェース接続３０９があってもよい。

図２１は、ＤＳＰ３１０の回路図である。ジャイロ１００のモータピックオフ信号出力３０１は、ＡＤＣ３１２を介して乗算器３１６および３１７へ行くことができる。ジャイロ１００のモータ感知ピックオフ出力３０２は、ＡＤＣ３１３を介して乗算器３１８および３１９へ行くことができる。数値制御コサイン波発振器３２１は、乗算器３１８および３１６に接続された出力端を有することができる。数値制御正弦波発振器３２２は、乗算器３１７および３１９に接続された周波数出力端３２３を有することができる。乗算器３１７の出力は、ループフィルタ３２４へ行くことができる。ループフィルタ３２４の出力は、有限長インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ３２５へ行くことができる。フィルタ３２５の出力は、数値制御コサイン波発振器３２１および数値制御正弦波発振器３２２へ行くことができる。

乗算器３１６の出力は、ＦＩＲフィルタ３２６へ行くことができる。フィルタ３２６は、差動増幅器３２８の入力端に接続されるモータピックオフレベル出力３２７を有することができる。また、差動増幅器への１つの入力は、基準レベル３２９とすることができる。差動増幅３２８の出力は、積分器３３１へ行くことができる。積分器３３１からの駆動レベル出力３３２は、可変利得増幅器３３３へ行くことができる。数値制御１／２周波数（または他の分数倍周波数）正弦波発振器３３４は、位相補償器３３５に接続された出力端を有することができる。位相補償器３３５の出力は、可変利得増幅器３３３へ行くことができる。可変利得増幅器の出力はＤＡＣ３１４へ行き、このＤＡＣ３１４はモータ駆動出力３０３を供給することができる。

乗算器３１８の出力は、ＦＩＲフィルタ３３６へ行くことができる。ＦＩＲフィルタ３３６は、直交零出力３３７を積分器３３８に供給する。モータバイアス出力３３９は、ＤＡＣ３１５へ行くことができ、このＤＡＣ３１５は、増幅器３０６を介してジャイロ１００にアナログモータバイアス出力３０４を供給することができる。乗算器３１９の出力は、ＦＩＲフィルタ３４１へ行くことができる。ＦＩＲフィルタ３４１は、レート出力３４２を与えることができる。

ＤＳＰ３１０の数値出力は、データバス３０７およびインタフェース３０９を介してマイクロコントローラ３０８およびコンピュータ３１１にデジタルで伝達することができる。これらの出力は、周波数出力３２３、モータピックオフレベル３２７、駆動レベル出力３３２、４レベル出力３３７、モータバイアス出力３３９、およびレート出力３４２を含むことができる。

本明細書では、違った様態または時制で述べられているが、その内容には仮定的または予言的な性質のものもあり得る。
本発明を少なくとも１つの説明的な例に関して説明してきたが、本明細書を読めば多くの変形形態および改変形態が当業者には明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなすべての変形形態および改変形態を含むように、従来技術を考慮して可能な限り広く解釈されるものとする。

ジャイロスコープの制御電子回路のブロック図である。 モータ復調器の回路図である。 デジタル位相ロックループ回路の回路図である。 復調器制御回路の回路図である。 主制御回路の回路図である。 自動利得制御回路の回路図である。 電圧制御増幅器およびサインフィルタの回路図である。 開始／実行選択回路および関連する回路の回路図である。 サイン位相ロックループフィルタおよび位相検出器の回路図である。 正弦波発振器の回路図である。 正弦波発振器の回路図である。 レート復調器の回路図である。 直交復調器の回路図である。 レートフィルタの回路図である。 開始検出器の回路図である。 図９のサイン位相ロックループフィルタの一部分の回路図である。 電源回路の回路図である。 デカップリング回路の回路図である。 ジャイロスコープの制御電子回路の別バージョンのブロック図である。 ジャイロスコープ制御システムのループ電子回路の基本図である。 システムにおけるいくつかの信号間の関係を示す図である。 機械振動子またはジャイロスコープの制御電子回路用のデジタル信号プロセッサを有する拡張デジタルバージョンのブロック図である。 制御電子回路用のデジタル信号プロセッサの略図である。

Claims (28)

1. 機械振動子ピックオフに接続された第１の位相ロックループと、
   前記第１の位相ロックループの出力端に接続された第２の位相ロックループとを備え、
   前記第２の位相ロックループは、前記機械振動子モータピックオフからの信号の分数倍周波数を有する正弦波信号を出力することができる、
   機械振動子制御システム。
2. 前記正弦波信号と前記機械振動子ピックオフからの前記信号とが互いに整合される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記正弦波信号のエッジまたはクロスオーバ点は、前記機械振動子ピックオフからの前記信号のエッジまたはクロスオーバ点と一致する、請求項２に記載のシステム。
4. 機械振動子感知ピックオフに接続された復調器と、
   前記第２の位相ロックループの出力端、および前記機械振動子の駆動入力端に接続されたスイッチとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記復調器および前記スイッチに接続されたコントローラをさらに備え、
   前記スイッチが閉じられることにより、前記第２の位相ロックループは前記正弦波信号を前記機械振動子の駆動入力端に供給することができ、
   前記スイッチが開放されることにより、前記復調器は、前記機械振動子感知ピックオフからの信号を読み込むことができる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の位相ロックループの出力信号は、前記機械振動子ピックオフからの信号のエッジと一致するエッジを有する、請求項５に記載のシステム。
7. 複数のスイッチをさらに備え、
   前記スイッチは、前記正弦波信号のエッジまたはクロスオーバ点で作動される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記コントローラの命令は、前記正弦波信号のエッジまたはクロスオーバ点で反復する、請求項７に記載のシステム。
9. 機械振動子からの、第１の周波数を有する第１の信号をピックオフするステップと、
   前記第１の周波数の分数であり、前記第１の信号に位相ロックされた第２の周波数を有する第２の信号を供給するステップと、
   前記第２の信号に位相ロックされた正弦波信号を供給するステップと、
   前記正弦波信号を前記機械振動子の駆動入力端に供給するステップとを含む、正弦波機械振動子制御の方法。
10. 前記正弦波信号が前記第１の信号と位置合わせされて、前記正弦波信号のエッジまたはクロスオーバ点が前記第１の信号のエッジまたはクロスオーバ点と時間が確実に整合することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記機械振動子からの感知信号をピックオフするステップと、
    感知パラメータを得るために前記感知信号を復調するステップとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記感知信号を復調するときに、前記機械振動子の駆動入力端への前記正弦波をオフにするステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記機械振動子は振動マスジャイロスコープである、請求項１２に記載の方法。
14. 前記機械振動子はＭＥＭＳ技術で製作される、請求項１２に記載の方法。
15. ジャイロスコープの第１の出力端に接続された第１の位相ロックループと、
    前記第１の位相ロックループの出力端に接続された第２の位相ロックループと、
    前記第２の位相ロックループの出力端、および前記ジャイロスコープの入力端に接続された信号選択器とを備える、
    ジャイロスコープ制御システム。
16. 前記ジャイロスコープの出力は、周波数ｆを有するピックオフ信号であり、
    前記第１の位相ロックループの出力は、前記ピックオフ信号に位相ロックされた周波数ｆ／２の信号であり、
    前記第２の位相ロックループの出力は、前記第１の位相ロックループの出力の前記信号に位相ロックされた周波数ｆ／２の正弦波である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ジャイロスコープの第２の出力端に接続された復調器をさらに備え、
    前記復調器は、前記ジャイロスコープの前記第２の出力端の信号からジャイロスコープ回転レートをときどき読み込み、
    前記信号選択器は、前記ジャイロスコープの前記第２の出力端の信号からジャイロスコープ回転レートを前記復調器が読み込むときに、前記第２の位相ロックループの前記出力端からの信号が前記ジャイロスコープの前記入力端へ行かないようにする、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ジャイロスコープの前記第１の出力端がピックオフ信号を供給することができ、前記ジャイロスコープの前記入力端が前記ジャイロスコープの駆動信号を受信することができる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第１の位相ロックループは、
    前記ジャイロスコープの前記第１の出力端に接続された位相検出器と、
    前記位相検出器に接続されたループフィルタと、
    前記ループフィルタおよび前記第２の位相ロックループに接続された電圧制御発振器とを備え、
    前記第２の位相ロックループは、
    前記電圧制御発振器の出力端に接続された位相検出器と、
    前記位相検出器に接続されたループフィルタと、
    前記ループフィルタおよび前記信号選択器に接続された正弦波電圧制御発振器とを備える、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第１の位相ロックループの前記出力端は、前記ジャイロスコープの前記第１の出力端の信号にロックされた第１および第２の信号を供給することができ、
    前記第１の信号がｆの周波数を有し、
    前記第２の信号がｆ／２の周波数を有する、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第１の信号は第１のスイッチ信号であり、
    前記第２の信号は第２のスイッチ信号であり、
    前記第１および第２のスイッチ信号のそれぞれは、前記ジャイロスコープ・ピックオフ信号のエッジと一致するエッジを有する、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記正弦波は、前記ジャイロスコープ・ピックオフ信号のエッジと一致するクロスオーバ点を有する、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記復調器および前記信号選択器に接続されたコントローラをさらに備え、
    前記コントローラは、前記ジャイロスコープの前記第２の出力端の信号からジャイロスコープ回転レートを前記復調器が読み込むときに、前記ジャイロスコープの入力端へ行く前記第２の位相ロックループの出力をブランキングするための信号を前記信号選択器に供給する、請求項２２に記載のシステム。
24. 機械振動子ピックオフ入力端を有するアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログ−デジタル変換器の出力端に接続されたデジタル信号プロセッサと、
    前記デジタル信号プロセッサの出力端に接続され、機械振動子駆動出力端を有するデジタル−アナログ変換器とを備え、
    前記デジタル信号プロセッサは、合成して生成された波形を有する機械振動子駆動信号を供給するためのものであり、また機械振動子ピックオフ信号を受信するためのものであり、
    前記機械振動子駆動信号は、前記機械振動子ピックオフ信号の分数倍周波数を有し、
    前記機械振動子駆動信号は、前記機械振動子ピックオフ信号と同期している、
    機械振動子制御システム。
25. 前記機械振動子駆動信号は、前記機械振動子ピックオフ信号と同期して位置合わせされ、
    前記機械振動子は振動ジャイロスコープであり、
    前記機械振動子駆動信号はモータ駆動信号であり、
    前記機械振動子ピックオフ信号がモータピックオフ信号である、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記デジタル信号プロセッサは、
    数値制御の分数倍周波数正弦波発振器と、
    前記数値制御の分数倍周波数正弦波発振器の出力端に接続され、また前記デジタル−アナログ変換器の入力端に接続された位相補償器とを備える、請求項２４に記載のシステム。
27. 前記デジタル信号プロセッサはさらに、
    前記アナログ−デジタル変換器の前記出力端に接続された第１の乗算器と、
    前記第１の乗算器に接続された出力端を有する数値制御コサイン波発振器と、
    前記第１の乗算器の出力端に接続された第１の有限長インパルスフィルタと、
    前記第１の有限長インパルスフィルタの出力端に接続された差動増幅器と、
    前記差動増幅器の出力端に接続された積分器と、
    前記位相補償器の出力端と前記デジタル−アナログ変換器の入力端との間に接続され、また前記積分器の出力端に接続された可変利得増幅器とを備える、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記デジタル信号プロセッサはさらに、
    前記アナログ−デジタル変換器の前記出力端に接続された第２の乗算器と、
    前記第２の乗算器に接続された出力端を有する数値制御正弦波発振器と、
    前記第２の乗算器の出力端に接続されたループフィルタと、
    前記ループフィルタの出力端に接続され、また前記数値制御正弦波発振器の入力端、および前記数値制御コサイン波発振器の入力端に接続された第２の有限長インパルスフィルタとを備える、請求項２７に記載のシステム。

Images