RU2314495C1 - Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope - Google Patents

Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2314495C1
RU2314495C1 RU2006115533/28A RU2006115533A RU2314495C1 RU 2314495 C1 RU2314495 C1 RU 2314495C1 RU 2006115533/28 A RU2006115533/28 A RU 2006115533/28A RU 2006115533 A RU2006115533 A RU 2006115533A RU 2314495 C1 RU2314495 C1 RU 2314495C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
output
source
demodulator
voltage source
Prior art date
Application number
RU2006115533/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Яков Анатольевич Некрасов (RU)
Яков Анатольевич Некрасов
Николай Владимирович Моисеев (RU)
Николай Владимирович Моисеев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2006115533/28A priority Critical patent/RU2314495C1/en
Priority to PCT/RU2007/000209 priority patent/WO2007126337A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2314495C1 publication Critical patent/RU2314495C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: the invention refers to micro mechanical sensors of speed rotating in which Coriolis effect is used particularly to micro mechanical gyroscopes of vibratory type.
SUBSTANCE: the interface arrangement has transresistive amplifiers whose inputs are connected with the opposite electrodes, two sources of alternating voltage, in-series connected a differential amplifier and a demodulator. At that the inputs of the differential amplifier are connected with the outputs of the transresistive amplifiers. The output of the first source of alternating voltage fulfilled as a source of saw-tooth voltage is connected with a mobile mass of the micro mechanical gyroscope, the output of the second source of alternating voltage fulfilled as a source of rectangular voltage is connected with the input for the reference signal of the demodulator. At that the frequencies and the phases of the first and of the second sources of alternating voltage are equal.
EFFECT: the stability of the phase of the signal at the output of the interface arrangement is increased due to reducing the constant time of the low frequency filter of the demodulator.
5 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к микромеханическим датчикам скорости вращения, в которых используется эффект Кориолиса, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа.The present invention relates to micromechanical rotational speed sensors that use the Coriolis effect, in particular to vibration-type micromechanical gyroscopes.

Известно интерфейсное устройство для микромеханического гироскопа (ММГ) по пат. США №6467346 (см.fig.5), содержащее дифференциальный трансрезистивный усилитель (ДТУ), входы которого соединены с электродами, расположенными с разных сторон ротора на торсионном подвесе или подвижной массы (ПМ), при этом с ПМ соединен источник напряжения. ДТУ в этом устройстве выполнен на двух операционных усилителях (ОУ) 22 с резисторами, включенными между выходом каждого ОУ и его дифференциальным входом и дополнительном ОУ с резистивными делителями между выходом и входами ОУ. Поскольку при колебаниях ПМ в этом ММГ емкость конденсаторов, образованных электродами и ПМ, изменяется, через электроды, с которыми соединены входы ОУ, протекает ток, величина которого зависит от амплитуды (а точнее, от скорости) перемещений ПМ. Трансрезистивными усилителями этот ток преобразуется в напряжения, разность которых выделяется дополнительным ОУ. Выходной сигнал ДТУ пропорционален скорости перемещения ПМ, а при постоянной частоте колебания из этого сигнала можно выделить и сигнал, пропорциональный перемещениям ПМ.Known interface device for a micromechanical gyroscope (MMG) according to US Pat. US No. 6467346 (see Fig. 5), containing a differential transresistive amplifier (DTU), the inputs of which are connected to electrodes located on opposite sides of the rotor on a torsion bar or moving mass (PM), while a voltage source is connected to the PM. DTU in this device is made on two operational amplifiers (op-amps) 22 with resistors connected between the output of each op-amp and its differential input and an additional op-amp with resistive dividers between the output and inputs of the op-amp. Since the capacitance of the capacitors formed by the electrodes and the PM changes during PM oscillations in this MMG, a current flows through the electrodes to which the op-amp inputs are connected, the magnitude of which depends on the amplitude (or rather, on the speed) of the PM motions. By transresistive amplifiers, this current is converted to voltage, the difference of which is allocated by an additional op-amp. The output signal of the DTU is proportional to the speed of movement of the PM, and at a constant frequency of oscillation, a signal proportional to the movements of the PM can be isolated from this signal.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения перемещения ПМ в тех ММГ, в которых мала резонансная частота подвеса ПМ и низкая величина допустимого напряжения в зазоре между ПМ и электродами.The disadvantage of this device is the low accuracy of determining the movement of the PM in those MMGs in which the resonance frequency of the PM suspension is low and the allowable voltage in the gap between the PM and the electrodes is low.

Этот и другие варианты интерфейсных устройств для ММГ описаны в пат. США №6253612 (fig.3, 4). На fig.3а этого патента приведено интерфейсное устройство с источником переменного напряжения прямоугольной формы, который в интерфейсном устройстве ММГ может быть соединен с ПМ или электродами. Применение источника переменного напряжения позволяет значительно увеличить величину тока, протекающего через электроды, и тем самым повысить точность определения положения или перемещений ПМ. При этом выигрыш по точности при достаточно быстродействующих ОУ равен отношению частоты источника переменного напряжения к резонансной частоте подвеса ПМ. Однако, как отмечено в заявке на патент США №US 2005/0166675А1, в качестве источника переменного напряжения, используемого для возбуждения интерфейсного устройства, целесообразно использовать источник синусоидального напряжения. Это позволяет улучшить отношение сигнал/шум на выходе ММГ на порядок и более. На fig.7 этой заявки показано, что для преобразования напряжения источника прямоугольной формы в синусоидальную может быть применен полосовой фильтр, что усложняет электронную часть ММГ.This and other options for interface devices for MMG are described in US Pat. US No. 6253612 (fig. 3, 4). Fig.3a of this patent shows an interface device with a rectangular voltage source, which in the MMG interface device can be connected to a PM or electrodes. The use of an AC voltage source can significantly increase the amount of current flowing through the electrodes, and thereby increase the accuracy of determining the position or displacements of the PM. At the same time, the accuracy gain for sufficiently fast op-amp is equal to the ratio of the frequency of the AC voltage source to the resonant frequency of the PM suspension. However, as noted in US Patent Application No. US 2005 / 0166675A1, it is advisable to use a sinusoidal voltage source as an alternating voltage source used to drive the interface device. This allows us to improve the signal-to-noise ratio at the MMG output by an order of magnitude or more. Fig. 7 of this application shows that a band-pass filter can be applied to convert the voltage of a rectangular source into a sinusoidal one, which complicates the electronic part of the MMG.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является интерфейсное устройство, описанное в работе Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII С.Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г. стр.268-274. Это интерфейсное устройство принято в качестве прототипа. На структурной схеме, приведенной на рис.6 этой работы, показано, что оно включает в себя ДТУ, входы которого соединены с противоположными электродами, источник переменного напряжения (3 МГц), выход которого соединен с ПМ, и демодулятор, один вход которого соединен с выходом транрезистивного усилителя, а другой вход соединен с источником переменного напряжения. Демодулятор в этом устройстве выполнен на аналоговом умножителе, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты (ФНЧ) [см. схему, приведенную в Справочнике по нелинейным схемам. Под. ред. Шейнголда, М., Мир, 1977, на фиг.2.4.9, стр.147]. Амплитуда переменной составляющей на выходе такого демодулятора равна величине постоянной составляющей. Отметим, что в качестве опорного напряжения на демодулятор может поступать напряжение как синусоидальной, так и прямоугольной формы. Применительно к интерфейсным устройствам ММГ это означает, что источники переменного напряжения, которые используются в нем, могут иметь разную форму выходного сигнала. Например, источник напряжения, выход которого соединен с ПМ (назовем этот источник напряжения первым), может иметь синусоидальную, а второй, который соединен со входом демодулятора - прямоугольную форму.Closest to the proposed device is an interface device described in the work of Peshekhonov et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. XII S. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems May 23-25, 2005 p. 268-274. This interface device is adopted as a prototype. The structural diagram shown in Fig. 6 of this work shows that it includes a DTU, the inputs of which are connected to opposite electrodes, an AC voltage source (3 MHz), the output of which is connected to the PM, and a demodulator, one input of which is connected to the output of a transistor amplifier, and the other input is connected to an AC voltage source. The demodulator in this device is made on an analog multiplier, to the output of which a low-pass filter (LPF) is connected [see circuit shown in the Handbook of Nonlinear Circuits. Under. ed. Sheingold, M., Mir, 1977, Fig.2.4.9, p.147]. The amplitude of the variable component at the output of such a demodulator is equal to the value of the constant component. Note that, as a reference voltage, both a sinusoidal and a rectangular voltage can be supplied to the demodulator. As applied to MMG interface devices, this means that the AC voltage sources used in it can have a different output signal form. For example, a voltage source whose output is connected to the PM (let's call this voltage source first) may have a sinusoidal shape, and the second, which is connected to the demodulator input, may have a rectangular shape.

Недостатками прототипа являются сложность реализации источника напряжения синусоидальной формы и нестабильность фазы выходного сигнала, обусловленная изменениями параметров элементов, на которых реализован ФНЧ. Нестабильность фазы выходного сигнала приводит к тому, что при последующем синхронном детектировании (с помощью демодулятора Д3) сигнала, поступающего с выхода демодулятора (Д2, см. фиг.6 прототипа), соединенного через ДТУ с электродами, расположенными на выходной оси, с использованием опорного сигнала, поступающего с выхода демодулятора (Д1, см. фиг.6), соединенного через ДТУ с электродами, расположенными на оси канала драйва, ухудшается степень подавления квадратурной помехи и изменяется масштабный коэффициент ММГ. Все это вызывает ухудшение точности ММГ.The disadvantages of the prototype are the complexity of the implementation of the voltage source of the sinusoidal shape and the instability of the phase of the output signal due to changes in the parameters of the elements on which the low-pass filter is implemented. The instability of the phase of the output signal leads to the fact that during subsequent synchronous detection (using the demodulator D3) of the signal coming from the output of the demodulator (D2, see FIG. 6 of the prototype), connected through the DTU to the electrodes located on the output axis, using the reference the signal coming from the output of the demodulator (D1, see Fig.6), connected through a DTU with electrodes located on the axis of the drive channel, the degree of suppression of quadrature noise is deteriorated and the scale factor MMG is changed. All this causes a deterioration in the accuracy of MMG.

Задачей изобретения является упрощение конструкции интерфейсного устройства и повышение стабильности фазы сигнала на выходе этого интерфейсного устройства.The objective of the invention is to simplify the design of the interface device and increase the phase stability of the signal at the output of this interface device.

Улучшение этих характеристик при использовании предлагаемого интерфейсного устройства в ММГ позволит повысить точность и уменьшить габариты и стоимость последнего.Improving these characteristics when using the proposed interface device in MMG will improve accuracy and reduce the size and cost of the latter.

Поставленная задача достигается тем, что в интерфейсном устройстве микромеханического гироскопа, содержащем трансрезистивные усилители, входы которых соединены с противоположными электродами, первый и второй источники переменного напряжения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и демодулятор, при этом входы дифференциального усилителя соединены с выходами трансрезистивных усилителей, выход первого источника переменного напряжения соединен с подвижной массой микромеханического гироскопа, выход второго источника переменного напряжения соединен с входом для опорного сигнала демодулятора, первый источник переменного напряжения выполнен как источник пилообразного напряжения, второй источник переменного напряжения выполнен как источник прямоугольного напряжения, при этом частоты и фазы первого и второго источников переменного напряжения равны.The task is achieved in that in the interface device of the micromechanical gyroscope containing transresistive amplifiers, the inputs of which are connected to opposite electrodes, the first and second AC voltage sources, series-connected differential amplifier and demodulator, while the inputs of the differential amplifier are connected to the outputs of transresistive amplifiers, the output of the first AC voltage source connected to the moving mass of the micromechanical gyroscope, the output of the second source As the AC voltage is connected to the input for the reference signal of the demodulator, the first AC voltage source is designed as a sawtooth voltage source, the second AC voltage source is made as a rectangular voltage source, while the frequencies and phases of the first and second AC voltage sources are equal.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в интерфейсном устройстве микромеханического гироскопа демодулятор выполнен по схеме двухтактного ключевого демодулятора.In addition, the task is achieved by the fact that in the interface device of the micromechanical gyroscope, the demodulator is made according to the push-pull key demodulator.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено тем, что выполнение первого источника как источника напряжения с пилообразной формой позволяет получить напряжение на выходе ДТУ прямоугольной формы, которое при демодуляции преобразуется в сигнал с малым уровнем пульсаций, что позволяет использовать ФНЧ с меньшей постоянной времени для получения требуемого уровня переменной составляющей выходного напряжения. За счет уменьшения постоянной времени ФНЧ достигается повышение стабильности фазы сигнала на выходе интерфейсного устройства.The main advantage of the present invention is due to the fact that the execution of the first source as a voltage source with a sawtooth shape allows you to get the voltage at the output of a rectangular DTU, which when demodulated is converted into a signal with a low ripple level, which allows you to use the low-pass filter with a lower time constant to obtain the desired variable level component of the output voltage. By reducing the time constant of the low-pass filter, an increase in the phase stability of the signal at the output of the interface device is achieved.

Заявленная совокупность признаков позволяет повысить точность ММГ за счет повышения точности подавления квадратурной помехи при использовании предложенного интерфейсного устройства с более высокой стабильностью фазы выходного сигнала, упростить ММГ за счет применения более простой схемы интерфейсного устройства.The claimed combination of features allows to increase the accuracy of MMG by increasing the accuracy of suppressing quadrature interference when using the proposed interface device with a higher phase stability of the output signal, to simplify the MMG by using a simpler circuit interface device.

На фиг.1 приведена блок-схема включения предложенного интерфейсного устройства в ММГ.Figure 1 shows a block diagram of the inclusion of the proposed interface device in MMG.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:In figure 1, the following notation:

1 - подвижная масса1 - moving mass

2, 3 - электроды емкостного датчика перемещения, расположенные по оси первичных колебаний или драйва2, 3 - electrodes of a capacitive displacement sensor located along the axis of the primary oscillations or drive

4, 5 - электроды емкостного датчика перемещения, расположенные по оси вторичных колебаний или выходной оси4, 5 - electrodes of a capacitive displacement sensor located along the axis of the secondary oscillations or the output axis

6, 7 - электроды гребенчатого двигателя, расположенные по оси первичных колебаний или драйва6, 7 - electrodes of the comb engine located along the axis of the primary oscillations or drive

8, 9 - дополнительные электроды, расположенные по оси вторичных колебаний или выходной оси8, 9 - additional electrodes located along the axis of secondary vibrations or the output axis

10 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси первичных колебаний10 - DTU connected to the electrodes of the capacitive displacement sensor, located along the axis of the primary vibrations

11 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси вторичных колебаний11 - DTU connected to the electrodes of a capacitive displacement sensor located along the axis of the secondary vibrations

12 - усилитель12 - amplifier

13, 14 - резисторы13, 14 - resistors

15, 16, 20 - демодуляторы15, 16, 20 - demodulators

17 - первый источник переменного напряжения17 - the first source of alternating voltage

18 - второй источник переменного напряжения18 - second source of alternating voltage

19 - фазовращатель19 - phase shifter

На фиг.2 показан пример реализации предложенного интерфейсного устройства на промышленных элементах.Figure 2 shows an example implementation of the proposed interface device on industrial elements.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:

21 - конденсатор, образованный электродом 2 и ПМ21 - capacitor formed by the electrode 2 and PM

22 - конденсатор, образованный электродом 3 и ПМ22 - capacitor formed by the electrode 3 and PM

10 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси первичных колебаний10 - DTU connected to the electrodes of the capacitive displacement sensor, located along the axis of the primary vibrations

15 - демодулятор15 - demodulator

17 - первый источник переменного напряжения17 - the first source of alternating voltage

18 - второй источник переменного напряжения18 is a second source of alternating voltage

23, 24 - ОУ23, 24 - Shelter

25, 26, 29 - резисторы25, 26, 29 - resistors

27 - дифференциальный усилитель27 - differential amplifier

28 - аналоговый умножитель28 - analog multiplier

30 - конденсатор30 - capacitor

На фиг.3 показаны сигналы на выходе трансрезистивного усилителя при разных формах, но одинаковой амплитуде сигнала первого источника переменного напряжения.Figure 3 shows the signals at the output of the transresistive amplifier with different forms, but the same signal amplitude of the first AC voltage source.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:In figure 3, the following notation:

31 - сигнал при прямоугольной форме напряжения первого источника переменного напряжения31 - signal with a rectangular voltage shape of the first AC voltage source

32 - сигнал при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения32 - signal with a sinusoidal voltage shape of the first AC voltage source

33 - сигнал при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения33 - signal when the sawtooth voltage of the first AC voltage source

На фиг.4 показан пример реализации двухтактного ключевого демодулятора.Figure 4 shows an example implementation of a push-pull key demodulator.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:In figure 4, the following notation:

34 - ОУ34 - op amp

35-38 - резисторы35-38 - resistors

39 - ключ39 - key

40 - источник входного сигнала40 - input source

На фиг.5 приведены переменные составляющие напряжений пульсации на выходе демодулятора предложенного интерфейсного устройства.Figure 5 shows the alternating components of the ripple voltage at the output of the demodulator of the proposed interface device.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:In figure 5, the following notation:

41 - пульсации при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения41 - ripple with a sinusoidal voltage shape of the first AC voltage source

42 - пульсации при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения42 - ripple when the sawtooth voltage of the first source of alternating voltage

В ММГ на фиг.1 с разных сторон ПМ расположены электроды 2, 3 емкостного датчика перемещения ПМ по оси драйва, электроды 4, 5 емкостного датчика перемещения ПМ по выходной оси. Электроды гребенчатого двигателя 6, 7 также расположены с разных сторон ПМ по оси драйва, а электроды 8, 9 расположены с разных сторон ПМ по выходной оси. ДТУ 10, 11 соединены входами соответственно с электродами 2, 3 и электродами 4, 5. ДТУ 10 образован усилителем 12 с резисторами 13, 14, включенными между выходом усилителя 12 и инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 12. ДТУ 11 выполнен на аналогичных элементах, что и ДТУ 10. Выход каждого из ДТУ 10, 11 соединен соответственно с входами демодуляторов 15, 16. Первый источник переменного напряжения 17 выполнен как источник пилообразного напряжения и соединен с ПМ, а второй источник переменного напряжения 18 выполнен как источник прямоугольного напряжения и соединен с входами демодуляторов 15, 16. Выход демодулятора 15 через фазовращательное устройство 19, а выход демодулятора 16 непосредственно соединены с входами демодулятора 20.In MMG in figure 1 from different sides of the PM are the electrodes 2, 3 of the capacitive PM displacement sensor along the drive axis, the electrodes 4, 5 of the capacitive PM displacement sensor along the output axis. The electrodes of the comb engine 6, 7 are also located on different sides of the PM along the drive axis, and the electrodes 8, 9 are located on different sides of the PM on the output axis. DTU 10, 11 are connected by inputs respectively to electrodes 2, 3 and electrodes 4, 5. DTU 10 is formed by an amplifier 12 with resistors 13, 14 connected between the output of amplifier 12 and the inverting and non-inverting inputs of amplifier 12. DTU 11 is made on similar elements, which and DTU 10. The output of each of DTU 10, 11 is connected respectively to the inputs of demodulators 15, 16. The first AC voltage source 17 is made as a sawtooth voltage source and connected to the PM, and the second AC voltage source 18 is made as a rectangular voltage source Ia and connected to the inputs of the demodulators 15, 16. The output of demodulator 15 via fazovraschatelnoe device 19, and the output of the demodulator 16 are connected directly to the demodulator 20 inputs.

Предложенное интерфейсное устройство работает следующим образом.The proposed interface device operates as follows.

При перемещениях ПМ по оси драйва изменяются в противоположных направлениях емкости, образованные ПМ и электродами 2, 3. Это вызывает изменения токов, протекающих через электроды 2, 3. Разность токов, протекающих через эти электроды, преобразуется ДТУ 10 в напряжение прямоугольной формы, амплитуда которого пропорциональна перемещениям ПМ по оси драйва. Это напряжение демодулятором 16 преобразуется в напряжение, величина которого пропорциональна перемещениям ПМ по оси драйва. Выходной сигнал демодулятора 15 поступает как к устройству возбуждения первичных колебаний или драйва, так и через фазовращатель 19 - к демодулятору 20 в качестве опорного сигнала. Устройство возбуждения первичных колебаний или драйва на фиг.1 не показано. Его работа подробно описана в литературе, например, в пат. США №6067858, №6253612. При работе устройства возбуждения первичных колебаний ПМ1 на электродах 6, 7 формируются переменное напряжение, создающее силу или момент, действующие на ПМ и вызывающие колебания ПМ. При поворотах ММГ вокруг оси чувствительности на ПМ действует кориолисово ускорение, вызывающее колебания ПМ по выходной оси, т.е. между электродами 4, 5. Изменения расстояния между ПМ и электродами 4, 5 вызывают изменения емкостей конденсаторов, образованных ПМ и электродами 4, 5, и соответственно изменение напряжения на выходе ДТУ 11. Форма этих напряжений совпадает с формой напряжений на выходе ДТУ 11. После демодуляции демодулятором 16 на выходе последнего напряжение содержит полезную составляющую, амплитуда которой пропорциональна скорости вращения ММГ вокруг оси чувствительности, и составляющую, фаза которой сдвинута на 90° относительно полезной составляющей, т.н. квадратурную помеху. Более подробно природа квадратурной помехи описана в пат. США №6067858. Одним из основных методов подавления квадратурной помехи является синхронное фазочувствительное детектирование или демодуляция, при котором можно добиться полного подавления этой помехи. Однако, если в каналах преобразования сигналов есть элементы, изменяющие фазу сигнала, то нестабильность этих элементов может приводить к дрейфу фазы одного сигнала, поступающего на вход демодулятора, относительно другого. Исключение этих элементов из схемы или уменьшение их постоянной времени исключает или уменьшает соответственно их влияние на степень подавления квадратурной помехи и позволяет повысить точность ММГ.When the PM moves along the drive axis, capacitances formed by the PM and electrodes 2, 3 change in opposite directions. This causes changes in the currents flowing through the electrodes 2, 3. The difference of the currents flowing through these electrodes is converted to a square voltage, the amplitude of which proportional to the movements of the PM along the axis of the drive. This voltage is converted by the demodulator 16 into a voltage whose magnitude is proportional to the PM movements along the drive axis. The output signal of the demodulator 15 is supplied to both the primary oscillation excitation device or the drive, and through the phase shifter 19 to the demodulator 20 as a reference signal. The primary excitation or drive excitation device is not shown in FIG. 1. His work is described in detail in the literature, for example, in US Pat. US No. 6067858, No. 6253612. When the device for excitation of primary vibrations PM1 on the electrodes 6, 7, an alternating voltage is generated, which creates a force or moment acting on the PM and causing PM oscillations. When MMG rotates around the sensitivity axis, the Coriolis acceleration acts on the PM, causing PM vibrations along the output axis, i.e. between the electrodes 4, 5. Changes in the distance between the PM and electrodes 4, 5 cause changes in the capacitances of the capacitors formed by the PM and electrodes 4, 5, and accordingly, the voltage change at the output of the DTU 11. The shape of these voltages coincides with the shape of the voltage at the output of the DTU 11. After at the output of the latter, the demodulation by the demodulator 16 contains a useful component, the amplitude of which is proportional to the speed of rotation of the MMG around the axis of sensitivity, and a component whose phase is shifted 90 ° relative to the useful component, the so-called quadrature interference. The nature of the quadrature interference is described in more detail in US Pat. US No. 6067858. One of the main methods for suppressing quadrature interference is synchronous phase-sensitive detection or demodulation, in which it is possible to completely suppress this interference. However, if there are elements in the signal conversion channels that change the phase of the signal, then the instability of these elements can lead to a phase drift of one signal supplied to the input of the demodulator relative to another. The exclusion of these elements from the circuit or the reduction of their time constant eliminates or reduces, accordingly, their influence on the degree of suppression of the quadrature noise and improves the accuracy of the MMG.

Вариант выполнения ДТУ 10 и демодулятора 15 показаны на фиг.2.An embodiment of a DTU 10 and a demodulator 15 are shown in FIG. 2.

Входы ДТУ 10 соединены с конденсаторами 21, 22, объединенный вывод которых соединен с первым источником переменного напряжения 17. ДТУ 10 образован ОУ 23, 24, между выходами и инвертирующими входами которых включены резисторы 25, 26. Выходы ОУ 23, 24 соединены с входами дифференциального усилителя 27. Демодулятор 15 образован аналоговым умножителем 28 и ФНЧ на резисторе 29 и конденсаторе 30. Входы аналогового умножителя 28 соединены с выходом дифференциального усилителя 27 и вторым источником переменного напряжения 18.The inputs of the DTU 10 are connected to the capacitors 21, 22, the combined output of which is connected to the first source of alternating voltage 17. The DTU 10 is formed by an op-amp 23, 24, between the outputs and inverting inputs of which resistors 25, 26 are connected. The outputs of the op-amp 23, 24 are connected to the differential inputs amplifier 27. The demodulator 15 is formed by an analog multiplier 28 and an LPF on a resistor 29 and a capacitor 30. The inputs of the analog multiplier 28 are connected to the output of the differential amplifier 27 and a second AC voltage source 18.

Схема на фиг.2 работает следующим образом. Трансрезистивные усилители на ОУ 23, 24 преобразуют входной ток в напряжения, разность которых выделяется дифференциальным усилителем 27. Величины входных токов пропорциональны входным емкостям, которые зависят от расстояний между ПМ и электродами 2, 3. Соответственно амплитуда выходного напряжения дифференциального усилителя 27 пропорциональна перемещениям ПМ. Сигнал, пропорциональный амплитуде выходного напряжения дифференциального усилителя 27, выделяется демодулятором 15. ФНЧ на резисторе 29 и конденсаторе 30 обеспечивает подавление высокочастотной составляющей сигнала на выходе аналогового умножителя 28. Чем выше постоянная времени этого ФНЧ, тем выше степень подавления высокочастотной составляющей сигнала. Однако и нестабильность постоянной времени ФНЧ (абсолютная величина ее изменения из-за старения элементов или влияния температуры) также возрастает, ухудшая точность работы ММГ. Отметим, что возможны и другие реализации ФНЧ (более высокого порядка, с использованием активных элементов, на переключаемых конденсаторах и т.д.). С другой стороны, схема на ОУ 23 с резистором 25 и конденсатором 21 является схемой дифференцирования входного сигнала (см. Дж.Рутковский. Интегральные операционные усилители. М., Мир, 1978, стр.180-184). Поэтому при прямоугольной форме напряжения источника 17 выходное напряжение ОУ 23 будет представлять узкие импульсы, длительность которых определяется длительностью фронтов импульсов входного напряжения.The circuit in figure 2 works as follows. Transistor amplifiers on the op amp 23, 24 convert the input current into voltages, the difference of which is extracted by the differential amplifier 27. The values of the input currents are proportional to the input capacitances, which depend on the distances between the PM and electrodes 2, 3. Accordingly, the amplitude of the output voltage of the differential amplifier 27 is proportional to the movements of the PM. A signal proportional to the amplitude of the output voltage of the differential amplifier 27 is allocated by the demodulator 15. The low-pass filter at the resistor 29 and the capacitor 30 provides suppression of the high-frequency component of the signal at the output of the analog multiplier 28. The higher the time constant of this low-pass filter, the higher the degree of suppression of the high-frequency component of the signal. However, the instability of the time constant of the low-pass filter (the absolute value of its change due to aging of elements or the influence of temperature) also increases, impairing the accuracy of the MMG. Note that other LPF implementations are possible (of a higher order, using active elements, on switched capacitors, etc.). On the other hand, the circuit on the OA 23 with a resistor 25 and a capacitor 21 is a differentiation circuit of the input signal (see J. Rutkovsky. Integrated operational amplifiers. M., Mir, 1978, pp. 180-184). Therefore, when the voltage of the source 17 is rectangular, the output voltage of the op-amp 23 will represent narrow pulses, the duration of which is determined by the duration of the edges of the input voltage pulses.

Линии 31, 32 и 33 на фиг.3 соответствуют формам напряжения на выходе ОУ 23 для случаев, когда напряжение источника переменного напряжения, подключаемого к ПМ, имеет соответственно форму прямоугольную (как в аналоге по пат. США №6253612, fig.3a, для этого случая при моделировании параллельно резистору 25 включался конденсатор), синусоидальную (как в прототипе) и пилообразную. Как видно из графика, даже при достаточно большой емкости конденсатора в обратной связи ОУ 23 (в 5 раз больше, чем емкость электродов) его выходное напряжение изменяется значительно, что при вычитании напряжений в дифференциальном усилителе и демодуляции приводит к погрешностям и увеличению шума ММГ. Кроме того, большая величина импульсов напряжения не позволяет повысить коэффициент преобразования тока в напряжение в трансрезистивном усилителе выше, чем отношение напряжения питания к амплитуде этого импульса. Амплитуды напряжений 32 и 33 близки по величине друг к другу, динамический диапазон сигналов на два порядка ниже, чем при прямоугольной форме напряжения. Таким образом, использование в качестве источника переменного напряжения источника с пилообразной формой выходного сигнала не приводит к искажениям сигнала на выходе ДТУ, позволяет увеличить коэффициент преобразования тока в напряжение в ДТУ на 2 порядка, чем в аналоге и при малошумящих ОУ значительно повысить чувствительность ММГ. При этом реализация двух источников 17 и 18 может быть достаточно простой, например источник 17 может быть сформирован на ОУ, включенном как интегратор (см. Дж.Рутковский. Интегральные операционные усилители, М., Мир, 1978, стр.176-180), или на источнике тока, например на полевом транзисторе и конденсаторе, подключенным к источнику прямоугольного напряжения. Т.е. фактически для работы предложенного интерфейсного устройства достаточно использовать один источник прямоугольного напряжения и схему формирования из него пилообразного напряжения.Lines 31, 32 and 33 in FIG. 3 correspond to the voltage forms at the output of the op-amp 23 for cases when the voltage of the AC voltage source connected to the PM has a rectangular shape (as in the analogue according to US Pat. No. 6253612, fig.3a, for of this case, when modeling in parallel with the resistor 25, a capacitor was turned on), sinusoidal (as in the prototype) and sawtooth. As can be seen from the graph, even with a sufficiently large capacitor capacitance in the feedback of the ОУ 23 (5 times larger than the capacitance of the electrodes), its output voltage changes significantly, which, when subtracting the voltages in the differential amplifier and demodulation, leads to errors and an increase in the noise of the MMG. In addition, the large value of the voltage pulses does not allow to increase the coefficient of conversion of current to voltage in a transresistive amplifier higher than the ratio of the supply voltage to the amplitude of this pulse. The voltage amplitudes 32 and 33 are close in magnitude to each other, the dynamic range of the signals is two orders of magnitude lower than with a rectangular voltage. Thus, the use of a source with a sawtooth shape of the output signal as an AC voltage source does not distort the signal at the output of the DTU, it allows to increase the coefficient of conversion of current to voltage in DTU by 2 orders of magnitude than in the analogue and, with low-noise opamps, significantly increase the sensitivity of MMG. Moreover, the implementation of the two sources 17 and 18 can be quite simple, for example, the source 17 can be formed on the op amp included as an integrator (see J. Rutkovsky. Integrated operational amplifiers, M., Mir, 1978, pp. 176-180), or a current source, for example, a field effect transistor and a capacitor connected to a square voltage source. Those. in fact, for the operation of the proposed interface device, it is sufficient to use a single source of rectangular voltage and a circuit for generating a sawtooth voltage from it.

В двухтактном демодуляторе (см. фиг.4) между выходом ОУ 34 и его инвертирующим входом включен резистор 35. Между инвертирующим входом и общим выводом источника питания подсоединен резистор 36. Резисторы 37, 38 включены между выходом источника сигнала 40 и инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ 34. Ключ 39 включен между неинвертирующим входами ОУ 34 и общим выводом источника питания. При сопротивлении резистора 35 в два раза большем остальных резисторов, сопротивления которых выбираются равными между собой, при замыкании и размыкании ключа коэффициент передачи схемы на фиг.4 изменяется по знаку. Если сигнал источника 40 находится в фазе с частотой сигнала, управляющего состоянием ключа, то приведенная на фиг.4 будет работать как демодулятор. Подробное описание этой схемы приведено в Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л., Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, стр.123, рис.4.4а).In a push-pull demodulator (see Fig. 4), a resistor 35 is connected between the output of the op-amp 34 and its inverting input. A resistor 36 is connected between the inverting input and the common output of the power source. Resistors 37, 38 are connected between the output of the signal source 40 and the inverting and non-inverting inputs of the op-amp 34. The key 39 is connected between the non-inverting inputs of the op-amp 34 and the common output of the power source. When the resistance of the resistor 35 is twice as large as the rest of the resistors, the resistances of which are chosen equal to each other, when the key is closed and opened, the transmission coefficient of the circuit in Fig. 4 changes in sign. If the signal of the source 40 is in phase with the frequency of the signal that controls the state of the key, then shown in figure 4 will work as a demodulator. A detailed description of this scheme is given in B. Gutnikov. Integrated Electronics in Measuring Devices, L., Energoatomizdat, Leningrad Branch, 1988, p. 123, Fig. 4.4a).

Если на вход этого демодулятора поступает знакопеременное напряжение прямоугольный формы (линия 33 на фиг.3), то выходное напряжение преобразуется в постоянное. Незначительный переходный процесс на переднем фронте сигнала может быть отфильтрован ФНЧ с малой постоянной времени.If the input of this demodulator receives an alternating voltage of rectangular shape (line 33 in figure 3), then the output voltage is converted to constant. An insignificant transient at the leading edge of the signal can be filtered by the low-pass filter with a small time constant.

Как видно из фиг.5, пульсации при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения (кривая 41) представляют собой 2-ую гармонику входного сигнала, они при одинаковой постоянной времени ФНЧ оказываются значительно больше (левая шкала для кривой 41, правая для кривой 42), чем пульсации при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения (кривая 42).As can be seen from figure 5, the ripple in the sinusoidal form of the voltage of the first source of alternating voltage (curve 41) is the 2nd harmonic of the input signal, they are much larger for the same LPF time constant (left scale for curve 41, right scale for curve 42) than ripple in the sawtooth form of voltage of the first source of alternating voltage (curve 42).

Таким образом, использование в качестве первого источника переменного напряжения источника пилообразного напряжения, а второго - источника прямоугольного напряжения позволяет наряду с более простой реализацией схемы интерфейсного устройства (в части источников 17, 18 и демодуляторов 15, 16) уменьшить постоянную времени ФНЧ и уменьшить вносимые им фазовый сдвиг по фазе выходного сигнала.Thus, the use of a sawtooth voltage source as the first alternating voltage source and a rectangular voltage source as the second one allows, along with a simpler implementation of the interface device circuit (in terms of sources 17, 18 and demodulators 15, 16), to reduce the time constant of the low-pass filter and to reduce the phase shift in phase of the output signal.

Claims (1)

Интерфейсное устройство микромеханического гироскопа, содержащее дифференциальный трансрезистивный усилитель, образованный двумя трансрезистивными усилителями, входы которых соединены с противоположными электродами, первый и второй источники переменного напряжения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и демодулятор, образованный аналоговым умножителем и фильтром низкой частоты, при этом входы дифференциального усилителя соединены с выходами трансрезистивных усилителей, выход первого источника переменного напряжения соединен с подвижной массой микромеханического гироскопа, выход второго источника переменного напряжения соединен с входом для опорного сигнала демодулятора, отличающееся тем, что первый источник переменного напряжения выполнен как источник пилообразного напряжения, второй источник переменного напряжения выполнен как источник прямоугольного напряжения, при этом частоты и фазы первого и второго источников переменного напряжения равны.An interface device of a micromechanical gyroscope containing a differential transresistive amplifier, formed by two transresistive amplifiers, the inputs of which are connected to opposite electrodes, the first and second AC voltage sources, series-connected differential amplifier and a demodulator formed by an analog multiplier and a low-pass filter, while the inputs of the differential amplifier are connected with transistor amplifier outputs, output of the first AC source voltage is connected to the moving mass of the micromechanical gyroscope, the output of the second AC voltage source is connected to the input for the reference signal of the demodulator, characterized in that the first AC voltage source is designed as a sawtooth voltage source, the second AC voltage source is made as a rectangular voltage source, with frequencies and phases the first and second alternating voltage sources are equal.
RU2006115533/28A 2006-05-02 2006-05-02 Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope RU2314495C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006115533/28A RU2314495C1 (en) 2006-05-02 2006-05-02 Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope
PCT/RU2007/000209 WO2007126337A1 (en) 2006-05-02 2007-04-23 Interface device for a micromechanical gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006115533/28A RU2314495C1 (en) 2006-05-02 2006-05-02 Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2314495C1 true RU2314495C1 (en) 2008-01-10

Family

ID=38655777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006115533/28A RU2314495C1 (en) 2006-05-02 2006-05-02 Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2314495C1 (en)
WO (1) WO2007126337A1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4452092A (en) * 1981-03-27 1984-06-05 Sperry Corporation Torque feedback control for two degree of freedom rate sensor
US6253612B1 (en) * 1998-06-05 2001-07-03 Integrated Micro Instruments, Inc. Generation of mechanical oscillation applicable to vibratory rate gyroscopes
US6467346B1 (en) * 2000-06-14 2002-10-22 Hughes Electronics Corporation Coriolis sensor interface
RU2274833C1 (en) * 2004-10-01 2006-04-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Device for transforming signals of micro-mechanical vibration-type gyroscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПЕШЕХОНОВ В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005, Санкт-Петербург, с.268-274. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007126337A1 (en) 2007-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8042393B2 (en) Arrangement for measuring a rate of rotation using a vibration sensor
US8528403B2 (en) Vibration compensation for yaw-rate sensors
RU2388999C1 (en) Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect
US7779688B2 (en) Vibration gyro sensor
Norouzpour-Shirazi et al. A dual-mode actuation and sensing scheme for in-run calibration of bias and scale factor errors in axisymmetric resonant gyroscopes
EP3460397B1 (en) Driving circuit and method for a mems gyroscope and corresponding mems gyroscope
US20060191338A1 (en) Micromechanical rotation rate sensor having error suppression
US7694561B2 (en) Rate-of-turn sensor
CN115479595A (en) Hemispherical resonant gyroscope time-sharing multiplexing parameter identification system and method
RU2344374C1 (en) Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
RU2296301C1 (en) Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations
RU2301970C1 (en) Micro-mechanical vibration gyroscope
RU2314495C1 (en) Interface arrangement for a micro mechanical gyroscope
JP2012159429A (en) Tuning fork vibration type angular velocity sensor
RU2447403C1 (en) Micromechanical gyroscope
Gregory Characterization, Control and Compensation of MEMS Rate and Rate-Integrating Gyroscopes.
KR100415076B1 (en) Method of detecting angular velocity and vibrating gyroscope
RU2308682C1 (en) Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
RU2289789C1 (en) Device for measuring displacement of movable mass of micromechanical gyroscope
RU2320962C1 (en) Electrode structure for micro-mechanical gyroscope and micro-mechanical gyroscope on base of that structure
Liu et al. A high precision time-multiplexed fully differential interface ASIC for capacitive MEMS accelerometer
Liu et al. A low-noise readout interface for silicon MEMS vibratory gyroscope
RU2714955C1 (en) Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope
RU2316731C1 (en) Method for adjusting resonance frequency of mobile mass suspension of micro-mechanical gyroscope with deep check connection on basis of speed of movement of mobile mass along secondary oscillations axis and a micro-mechanical gyroscope
RU2656119C2 (en) Micromechanical gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
HK4A Changes in a published invention
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200503