專利名稱：微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的微固體模態(tài)陀螺，具體是一種微固體模態(tài)陀螺頻率跟蹤與穩(wěn)定驅(qū)動幅值電路，特別是微固體模態(tài)陀螺的鎖相環(huán)電路和自動增益控制電路，能夠為微固體模態(tài)陀螺提供跟蹤諧振頻率、恒幅的驅(qū)動信號。
背景技術(shù)：
微固體模態(tài)陀螺采用壓電材料作為驅(qū)動和檢測部件，是一種新型的全固態(tài)MEMS 微陀螺。不同于一般MEMS振動陀螺，微固體模態(tài)陀螺的慣性質(zhì)量和彈性支撐結(jié)構(gòu)融合在一起，因此具有抗過載、抗沖擊能力強、工作諧振頻率高、不需真空封裝、啟動時間短等優(yōu)越特性，在消費電子產(chǎn)品、飛行器導航、智能炮彈與制導等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。本發(fā)明研究的微固體模態(tài)陀螺是一種新型的角速度傳感器。它利用壓電質(zhì)量塊在特殊振動模態(tài)下的本征振動作為驅(qū)動振動，通過檢測壓電體極化方向上感應出的電壓效應來獲得外界相應方向上輸入的角速度大小。微固體模態(tài)陀螺的驅(qū)動電路是其工作的一個重要環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生的驅(qū)動信號要求具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和重復一致性。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，上海交通大學的吳校生等人在 2009 年 Journal of Micromechanics &Microengineering 期刊上發(fā)表了一篇論文，題為“壓電式微固體模態(tài)陀螺的振動分析”，該論文的期刊編號是125008。文獻中提到的微固體模態(tài)陀螺驅(qū)動電路采用的是開環(huán)驅(qū)動模式。在開環(huán)驅(qū)動控制中，首先對陀螺的工作振動模態(tài)諧振頻率進行測量，然后在驅(qū)動電極上施加正弦驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的頻率與陀螺工作振動模態(tài)諧振頻率相同。但是在實際工作中，當環(huán)境溫度、濕度、氣壓等參數(shù)發(fā)生變化的時候，陀螺的工作振動模態(tài)諧振頻率也會在一定范圍內(nèi)發(fā)生漂移。另外，由于制造誤差或材料參數(shù)的微小差異，不同的陀螺個體的工作振動模態(tài)的諧振頻率也不盡相同。開環(huán)驅(qū)動不能夠自動檢測陀螺的工作振動模態(tài)諧振頻率，從而帶來較大的測量誤差。在現(xiàn)有電路中，當微固體模態(tài)陀螺諧振體受到外界沖擊或電源電壓波動等干擾時，驅(qū)動振動幅值會發(fā)生相應的沖擊或波動，這些因素都會造成陀螺測量精度的不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有微固體模態(tài)陀螺驅(qū)動電路存在的不足，提出了一種微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，能夠為微固體模態(tài)陀螺提供陀螺諧振頻率跟蹤、恒幅的驅(qū)動信號，有效地解決了上述問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，所述閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動是一種跟蹤頻率和穩(wěn)定幅值的閉環(huán)驅(qū)動控制技術(shù)的電路，電路由電荷放大器電路，鎖相環(huán)電路，等幅調(diào)相電路，自動增益控制電路，正反向放大電路組成。在振動初始，閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路以自身固定的頻率輸出給陀螺，作為初始驅(qū)動信號，陀螺受驅(qū)動后將會輸出和驅(qū)動信號有一定的相位差的參考信號經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，此信號分為兩路，一路經(jīng)過鎖相環(huán)電路，一路經(jīng)過自動增益控制電路。經(jīng)過鎖相環(huán)電路后輸出信號經(jīng)過等幅調(diào)相電路，再經(jīng)過自動增益控制電路，自動增益控制電路輸出信號是被調(diào)相到和參考信號提前η/2的相位，再分別經(jīng)過正反向放大電路去驅(qū)動陀螺，經(jīng)過瞬時修正，陀螺即可達到諧振狀態(tài)，其諧振時輸入和輸出相位差恒定為η /2，從而鎖定了頻率，此時整個閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定。所述鎖相環(huán)電路是由一個鎖相芯片、低通濾波器組成，輸入為正弦信號。在鎖相環(huán)頻率捕獲范圍內(nèi)，鎖相環(huán)輸出信號將會和鎖相環(huán)的輸入信號頻率一致，輸出為方波，經(jīng)過低通濾波器后轉(zhuǎn)換為正弦波。在鎖相環(huán)頻率捕獲范圍外，輸出頻率與鎖相環(huán)自身的固有頻率一致，輸出為方波，經(jīng)過低通濾波器后轉(zhuǎn)換為正弦波。所述鎖相芯片為專用集成鎖相芯片，可跟蹤輸入信號的頻率，輸出為方波。固有頻率的設置可通過鎖相芯片外圍電容的大小來設置，在本發(fā)明中，將其設置為陀螺諧振頻率以上的一定范圍的值所對應的電容大小。所述低通濾波器為二階有源低通濾波電路，截止頻率為陀螺諧振頻率的2倍頻。在鎖相環(huán)中可將鎖相芯片出來的方波過濾為正弦波，同時濾除高頻噪聲。所述自動增益控制器是由一個可變增益放大器、放大電路、參考信號和檢幅器組成的控制器?？勺冊鲆娣糯笃鞯妮敵鲂盘柗糯蠛蠼?jīng)過檢幅器，得到信號的振幅，再與參考電壓比較，若檢幅器輸出高于參考信號幅值，則減小可變增益放大器增益；若檢幅器輸出低于參考信號幅值，則增大可變增益放大器增益，如此使得輸出的信號幅值恒定，完成自動增益控制。所述可變增益放大器為壓控增益放大器，即電壓作為控制信號調(diào)節(jié)放大器的增益?？勺冊鲆娣糯笃魇亲詣釉鲆婵刂频暮诵牟考?，其作用等效于信號幅值控制器，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)可變增益放大器的控制端來控制環(huán)路信號的幅值，使驅(qū)動信號的幅值恒定。所述檢幅器為峰值檢波器，用于檢測驅(qū)動信號的幅值，與參考信號比較之后控制 VGA的增益。所述等幅調(diào)相電路的作用是調(diào)節(jié)整個閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路的輸入與輸出的相位差為-η/2的相位差，增益為1。所述正向放大電路和反向放大電路均一端與自動增益控制器連接，另一端與微固體模態(tài)陀螺驅(qū)動電極連接，在所述自動增益控制器得到的恒幅驅(qū)動信號分別經(jīng)過正向放大電路和反向放大電路之后加在陀螺的驅(qū)動電極上。本發(fā)明提出的閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，能夠為微固體模態(tài)陀螺提供恒幅且跟蹤陀螺諧振頻率的驅(qū)動信號，保證陀螺時刻都處于諧振狀態(tài)，減小因諧振頻率漂移或振動幅值波動帶來的誤差，從而有效地解決目前開環(huán)驅(qū)動電路中存在的問題。


圖1為本發(fā)明一實施例微固體模態(tài)陀螺電路原理圖；圖2為本發(fā)明一實施例電荷放大電路原理圖；圖3為本發(fā)明一實施例鎖相環(huán)電路原理圖；其中圖a為鎖相芯片及外圍電路，圖b 為有源二階低通濾波器；圖4為本發(fā)明一實施例等幅調(diào)相電路圖；圖5為本發(fā)明一實施例自動增益控制電路圖6為本發(fā)明一實施例檢幅器電路圖；圖7為本發(fā)明一實施例(a)正向放大電路圖(b)反向放大電路。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本發(fā)明的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路包括電荷放大器電路2，鎖相環(huán)電路3，等幅調(diào)相電路4，自動增益控制電路5，正反向放大電路6等五部分組成。其中，微固體模態(tài)陀螺1上下表面分別對稱分布有兩個驅(qū)動電極101、108，兩個參考電極103、106和四個傳感電極102、104、105、107 (反面亦如此)。驅(qū)動電極101、108用于接收兩幅值相等、相位相差180°的正弦驅(qū)動信號，使微固體模態(tài)陀螺1在驅(qū)動信號的作用下運動；參考電極103、106用于反映微固體模態(tài)陀螺1的運動情況，在閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路中用于陀螺信號的輸出；傳感電極102、104、105、107用于檢測外加角速度的大小，在本實施例中不涉及。從微固體模態(tài)陀螺1的參考電極103上獲取的陀螺振動信號，首先通過電荷放大電路2的接收和增強。信號一路通過鎖相環(huán)電路3進行捕獲鎖相；通過鎖相環(huán)電路3的輸出信號進入等幅調(diào)相電路4，再作為一路通過自動增益控制電路5。信號另一路直接接入自動增益控制電路5。自動增益控制電路5的輸出經(jīng)過正向放大和反向放大電路后加到陀螺 1的兩個驅(qū)動電極Dl、D2上，最終可得到恒幅、陀螺諧振頻率跟蹤的的正弦驅(qū)動信號，使整個閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定。如圖2所示，為圖1中電荷放大電路2的電路圖，其作用主要體現(xiàn)在對于微固體模態(tài)陀螺1上電極輸出信號的接收和增強。具體目的是增大輸出信號的反應，同時將壓電材料部分與后端的檢測部分相互隔離，保持電路的穩(wěn)定性。從圖中可以看到，電荷放大電路的基本結(jié)構(gòu)組成類似于運算放大器構(gòu)成的濾波電路。如果不考慮元件參數(shù)選擇，可以將電荷放大電路看作是運算放大器構(gòu)成的積分電路，其輸入信號以測量電流為主，其輸出電壓代表了一定時間量內(nèi)電路所積攢的總電荷，這也是其被稱之為電荷放大器的原因。如圖3所示，鎖相環(huán)電路3采用芯片NE564，和有源二階低通濾波器組成。所述鎖相芯片的輸入信號的為正弦波，在捕獲頻帶范圍內(nèi)輸出為同頻的方波，在捕獲頻帶范圍外， 輸出為鎖相芯片中心頻率，此中心頻率可通過鎖相芯片外圍電路調(diào)整；所述低通濾波器為二階有源低通濾波器，可有效的轉(zhuǎn)化方波為正弦波，同時，除去高頻噪聲的干擾經(jīng)。所述鎖相芯片的中心頻率設定在陀螺諧振點頻率以上，而二階低通濾波器的截止頻率選在鎖相芯片輸出方波頻率2倍頻以內(nèi)。圖示3. a為鎖相環(huán)芯片電路極其外圍電路，決定自身震蕩頻率的外接電容接于12，13腳之間的Co，其輸出為方波。圖示3. b為有源二階低通濾波器。如圖4所示，等幅調(diào)相電路4用于調(diào)整驅(qū)動電路相位差為-π /2。即調(diào)節(jié)整個閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路的輸入與輸出的相位差為η/2的相位差，而等幅調(diào)相電路的增益為1。如圖5所示，自動增益控制電路由可變增益放大器501、放大電路502、檢幅器503 和參考信號Ref504四個部分組成?？勺冊鲆娣糯笃?01為壓控增益放大器，即電壓作為控制信號調(diào)節(jié)放大器的增益，本實施例選用Analog Device公司的壓控增益放大器集成芯片 AD603?？勺冊鲆娣糯笃?01的輸出信號放大后經(jīng)過檢幅器503，再與參考電壓504比較，若檢幅器輸出高于參考信號幅值，則減小可變增益放大器501增益；若檢幅器503輸出低于參考信號幅值，則增大可變增益放大器501增益，如此使得輸出的信號幅值恒定，完成自動增益控制。圖中P1、P2分別與圖1中P1、P2對應，表示自動增益控制電路的輸入與輸出。如圖6所示，檢幅器503電路包含三個模塊用來保持電壓的電容CO和電阻R2， 對電容單向充電的二極管D1、D2，用于跟隨輸入電壓的運算放大器A603。如圖7所示，圖中，(7. a)為正向放大電路，(7. b)為反向放大電路。正向放大電路和反向放大電路均一端與自動增益控制器連接，另一端與微固體模態(tài)陀螺驅(qū)動電極連接。 自動增益控制器得到的穩(wěn)頻、恒幅驅(qū)動信號分別經(jīng)過正向放大電路和反向放大電路之后加在陀螺的驅(qū)動電極上。本實施例的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路的工作原理概述如下在初始，閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動部分有自身固定的頻率輸出給陀螺，作為初始驅(qū)動信號，陀螺受驅(qū)動后將會輸出和驅(qū)動信號有一定的相位差的參考信號，此信號經(jīng)鎖相環(huán)電路、等幅調(diào)相電路、正反向放大電路，自動增益控制電路等電路后，被調(diào)相-η/2的相位，再去作為陀螺的驅(qū)動輸入信號，直到陀螺本身達到諧振狀態(tài)，即達到諧振狀態(tài)時候，陀螺的輸出比輸入滯后 η/2，經(jīng)過閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路消除相位滯后的影響后的信號和之前驅(qū)動信號同頻，至此得到鎖頻的正弦信號。鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路使整個閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定、及時的調(diào)整驅(qū)動電壓頻率與幅值。本發(fā)明能夠為微固體模態(tài)陀螺提供恒幅且跟蹤陀螺諧振頻率的驅(qū)動信號，保證陀螺時刻都處于諧振狀態(tài)，減小因諧振頻率漂移或振動幅值波動帶來的誤差，從而有效地解決目前開環(huán)驅(qū)動電路中存在的問題。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動是一種跟蹤頻率和穩(wěn)定幅值的閉環(huán)驅(qū)動控制技術(shù)的電路，電路由電荷放大器電路，鎖相環(huán)電路，等幅調(diào)相電路，自動增益控制電路，正反向放大電路組成，在振動初始，閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路以自身固定的頻率輸出給陀螺，作為初始驅(qū)動信號，陀螺受驅(qū)動后將會輸出和驅(qū)動信號有一定的相位差的參考信號經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，此信號分為兩路，一路經(jīng)過鎖相環(huán)電路，一路經(jīng)過自動增益控制電路，經(jīng)過鎖相環(huán)電路后輸出信號經(jīng)過等幅調(diào)相電路，再經(jīng)過自動增益控制電路，自動增益控制電路輸出信號是被調(diào)相到和參考信號提前 JI/2的相位，再分別經(jīng)過正反向放大電路去驅(qū)動陀螺，經(jīng)過瞬時修正，陀螺即達到諧振狀態(tài)，其諧振時輸入和輸出相位差恒定為η/2，從而鎖定了頻率，此時整個閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述鎖相環(huán)電路是由鎖相芯片、低通濾波器組成，鎖相芯片的輸入信號是電荷放大器采集的陀螺輸出信號，此信號頻率發(fā)生改變時，鎖相環(huán)芯片輸出的信號頻率也隨之改變，變成和輸入信號的頻率一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述鎖相芯片為專用集成芯片，它的輸入信號為正弦波，在捕獲頻帶范圍內(nèi)輸出為同頻的方波，在捕獲頻帶范圍外，輸出為鎖相芯片中心頻率，此中心頻率通過鎖相芯片外圍電路調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述低通濾波器為二階有源低通濾波器，轉(zhuǎn)化方波為正弦波，同時，除去高頻噪聲的干擾經(jīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述鎖相芯片的中心頻率設定在陀螺諧振點頻率以上，而二階低通濾波器的截止頻率選在鎖相芯片輸出方波頻率2倍頻以內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于， 所述自動增益控制器是由一個可變增益放大器、放大電路、參考信號和檢幅器組成的控制器，可變增益放大器的輸出信號放大后經(jīng)過檢幅器，得到信號的振幅，再與參考電壓比較， 若檢幅器輸出高于參考信號幅值，則減小可變增益放大器增益；若檢幅器輸出低于參考信號幅值，則增大可變增益放大器增益，如此使得輸出的信號幅值恒定，完成自動增益控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述所述的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于， 所述檢幅器為峰值檢波器，用于檢測驅(qū)動信號的幅值，與參考信號比較之后控制可變增益放大器的增益。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于， 所述等幅調(diào)相電路調(diào)節(jié)整個閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路的輸入與輸出的相位差為η/2的相位差，而等幅調(diào)相電路的增益為1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，所述正向放大電路和反向放大電路均一端與自動增益控制器連接，另一端與微固體模態(tài)陀螺驅(qū)動電極連接，所述鎖相環(huán)電路和自動增益控制器得到的頻率跟蹤、恒幅驅(qū)動信號分別經(jīng)過正向放大電路和反向放大電路之后加在陀螺的驅(qū)動電極上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，其特征在于，該電路能時刻跟蹤微固體模態(tài)陀螺振子的模態(tài)諧振頻率，穩(wěn)定驅(qū)動幅值，實現(xiàn)微固體模態(tài)陀螺的閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微固體模態(tài)陀螺閉環(huán)鎖相穩(wěn)幅驅(qū)動電路，所述電路在振動初始，以自身固定的頻率輸出給陀螺，作為初始驅(qū)動信號，陀螺受驅(qū)動后將會輸出和驅(qū)動信號有一定相位差的參考信號，此信號經(jīng)電荷放大器，鎖相環(huán)電路，等幅調(diào)相電路，自動增益控制電路后，被調(diào)相到比參考信號提前π/2的相位，再去作為陀螺的驅(qū)動輸入信號，經(jīng)過瞬時的修正，陀螺可達到諧振狀態(tài)，其輸出和輸入相位差恒定為π/2，從而鎖定頻率，在經(jīng)過自動增益控制電路時，陀螺的驅(qū)動信號穩(wěn)幅。本發(fā)明能夠為微固體模態(tài)陀螺提供恒幅且跟蹤陀螺諧振頻率的驅(qū)動信號，保證陀螺時刻都處于諧振狀態(tài)，減小因諧振頻率漂移或振動幅值波動帶來的誤差。
文檔編號G01C19/567GK102538774SQ20111040009
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者何永松, 吳校生, 孫永明, 張衛(wèi)平, 鄧騰, 鄭福, 陳宏海, 陳文元 申請人:上海交通大學