壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其中：壓電半球諧振微陀螺儀模塊在給定反饋信號(hào)下被激振或被驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)；數(shù)字檢波模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測(cè)；數(shù)字鎖相模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行檢測(cè)；數(shù)字AGC模塊根據(jù)數(shù)字檢波模塊提供的幅值信息對(duì)輸入壓電半球諧振微陀螺儀模塊信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整；數(shù)字調(diào)相模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出監(jiān)測(cè)信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整；乘法器，確定力平衡反饋模塊所需要反饋信號(hào)的幅值；力平衡反饋模塊向壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出反饋信號(hào)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀的穩(wěn)幅穩(wěn)頻控制和數(shù)字檢測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù) 字信號(hào)處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處 理電路等幾部分。MEMS利用各種加工工藝，尤其是微細(xì)加工技術(shù)，在電子通信以及微電子技 領(lǐng)域最新成果的基礎(chǔ)上，逐漸成為了高科技前沿學(xué)科。
[0003] 壓電半球諧振微陀螺儀采用壓電材料作為主體部件，采用MEMS加工工藝和技術(shù)， 具有抗過(guò)載、抗沖擊能力強(qiáng)、工作諧振頻率高、分辨率高、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)越特性，在軍用導(dǎo) 航、航空航天、制導(dǎo)技術(shù)以及民用消費(fèi)電子等領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用前景。這種陀螺利用諧 振狀態(tài)和壓電效應(yīng)，在極化方向上獲得外界相應(yīng)方向上輸入的角速度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò) 檢測(cè)電信號(hào)的幅值和頻率，反映出外加角速度的信號(hào)。
[0004] 對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀的信號(hào)處理，是它工作的重要環(huán)節(jié)。對(duì)一些文獻(xiàn)進(jìn)行檢 索，浙江大學(xué)信電系半導(dǎo)體光電子研究所的王慧泉和上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的焦繼 偉等人在2006年CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS上發(fā)表的文章"高性能微機(jī) 械陀螺接口電路研究"。文獻(xiàn)中提到，高性能微機(jī)械陀螺的接口電路采用的是閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，并 給出了基本的框圖。微機(jī)械陀螺接口電路可分為兩部分:驅(qū)動(dòng)環(huán)路和檢測(cè)電路;驅(qū)動(dòng)環(huán)路包 括陀螺監(jiān)測(cè)端、隔離放大器、自動(dòng)增益控制（automatic gain control，AGC電路）、相移電 路、功放電路以及陀螺驅(qū)動(dòng)端，檢測(cè)電路包括電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(C-V電路）、濾波放大電 路、乘法器和低通濾波器。驅(qū)動(dòng)環(huán)路為陀螺提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并為檢測(cè)電路提供載波信號(hào)，檢 測(cè)電路將陀螺輸出的變化電容轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)同步解調(diào)電路得到角速度信號(hào)。但是， 文獻(xiàn)中所述的工作方式并沒(méi)有給出具體的實(shí)施方案，而且所采用的方案中并沒(méi)有結(jié)合數(shù)字 信號(hào)處理方法。
[0005] 在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)不同特征的陀螺所需要配套的信號(hào)處理系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)是不同 的。即便針對(duì)一種陀螺，當(dāng)其諧振頻率隨著外部因素變化而變化時(shí)，信號(hào)處理參數(shù)也必須隨 之進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)針對(duì)高諧振頻率的陀螺，必須控制信號(hào)處理所花費(fèi)的時(shí)間，從而保證陀螺 檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。為了應(yīng)對(duì)陀螺在控制檢測(cè)過(guò)程中多樣而變化的需求，采用合理的數(shù)字信號(hào) 處理方案，不僅能夠快速的實(shí)現(xiàn)控制檢測(cè)系統(tǒng)與陀螺的配套，也為通過(guò)有限硬件水平來(lái)達(dá) 到陀螺的檢測(cè)精度要求提供了便利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字 信號(hào)處理系統(tǒng)，該方法能夠根據(jù)控制檢測(cè)的需要對(duì)陀螺的輸入角速度進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)陀螺進(jìn) 行反饋控制，具有響應(yīng)快、調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明提供一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，包括壓電半球諧振 微陀螺儀模塊、數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法器和力平 衡反饋模塊，其中：
[0009] 所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊，在給定反饋信號(hào)下被激振或被驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生檢 測(cè)信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)；
[0010] 所述數(shù)字檢波模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢 測(cè)；
[0011] 所述數(shù)字鎖相模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行檢 測(cè)；
[0012] 所述數(shù)字AGC模塊，根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供的幅值信息，對(duì)輸入壓電半球諧振微 陀螺儀模塊信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整；
[0013] 所述數(shù)字調(diào)相模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào) 整；
[0014] 所述乘法器，接收所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊的檢測(cè)信號(hào)，與所述數(shù)字調(diào)相 模塊調(diào)相后的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行相乘，從而確定力平衡反饋模塊所需要反饋信號(hào)的幅值；
[0015] 所述力平衡反饋模塊，向壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出反饋信號(hào)。
[0016] 優(yōu)選地，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊具有半球殼，半球殼上均勾分布有八 個(gè)金屬電極，依次為第一驅(qū)動(dòng)電極、第一檢測(cè)電極、第一監(jiān)測(cè)電極、第一平衡電極、第二驅(qū)動(dòng) 電極、第二檢測(cè)電極、第二監(jiān)測(cè)電極和第二平衡電極，其中：在第一驅(qū)動(dòng)電極、第二驅(qū)動(dòng)電極 上施加一個(gè)與壓電半球諧振微陀螺儀模塊諧振頻率同頻的正弦電壓信號(hào)，將壓電半球諧振 微陀螺儀模塊激振;壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，在第一監(jiān)測(cè)電極、第二監(jiān)測(cè)電極 上產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻的電荷信號(hào)，在第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極上產(chǎn)生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào) 同頻定幅值的信號(hào)和與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正 相關(guān)的信號(hào)所疊加的信號(hào)，在第一平衡電極、第二平衡電極上產(chǎn)生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅 值的信號(hào)和與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信 號(hào)所疊加的信號(hào)。
[0017]更優(yōu)選地，所述的第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電極、第二平衡電極上 與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的信號(hào)相位相同時(shí)，第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電極、 第二平衡電極上與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相關(guān) 的信號(hào)的相位相差180°。
[0018]優(yōu)選地，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)、監(jiān)測(cè)信號(hào) 經(jīng)過(guò)接口電路，通過(guò)數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法器和 力平衡反饋模塊后，一部分信號(hào)作為反映壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出角速度的信息進(jìn) 行對(duì)外輸出，另一部分信號(hào)作為反饋，經(jīng)過(guò)接口電路反饋給壓電半球諧振微陀螺儀模塊。 [0019]優(yōu)選地，所述的數(shù)字檢波模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè) 信號(hào)的幾個(gè)周期的峰值大小，并取平均值，從而對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測(cè)。
[0020]優(yōu)選地，所述的數(shù)字鎖相模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè) 信號(hào)的幾個(gè)周期的峰值所在位置，并根據(jù)采集監(jiān)測(cè)信號(hào)的采樣頻率進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)監(jiān)測(cè) 信號(hào)的頻率進(jìn)行檢測(cè)。
[0021] 優(yōu)選地，所述的數(shù)字AGC模塊，首先設(shè)定放大倍數(shù)為1，并根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供 的壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值信息設(shè)定參考幅值，當(dāng)下一次得到的 監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值是參考幅值的ι/k時(shí)，則將放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的k倍，如此循環(huán)。
[0022] 優(yōu)選地，所述的數(shù)字調(diào)相模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè) 信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)某個(gè)周期的峰值和谷值所在位置，將監(jiān)測(cè)信號(hào)的峰值位置調(diào)整至與檢測(cè)信 號(hào)的峰值和谷值所在位置正中間。
[0023] 更優(yōu)選地，所述的數(shù)字調(diào)相模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)相，具體如下：
[0024] 所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊具有檢測(cè)電極和監(jiān)測(cè)電極，將檢測(cè)電極信號(hào)和監(jiān) 測(cè)電極信號(hào)的數(shù)據(jù)通過(guò)接口電路分別保存在Sen[ ]、Mon[]兩個(gè)數(shù)組中；
[0025] 初始化階段，外部輸入角速度Ω為〇,此時(shí)Sen[]數(shù)組中的信號(hào)僅為載波信號(hào);求出 Sen□數(shù)組中某一個(gè)周期中數(shù)據(jù)點(diǎn)中的峰值和谷值在數(shù)組中所在的位置pi和p2,以及上述 兩位置的中間位置P 3;
[0026] 另一方面，求出Mon[]數(shù)組中某一個(gè)周期中數(shù)據(jù)點(diǎn)中峰值在數(shù)組中的位置p4,通過(guò) 平移Mon[]數(shù)組中數(shù)據(jù)的位置，將p4與p3重合，并將經(jīng)過(guò)保存信號(hào)位置調(diào)整后的Mon[]數(shù)組 中的數(shù)據(jù)與Sen□中的數(shù)據(jù)相乘，得到解調(diào)信號(hào)數(shù)組Mul□，之后對(duì)數(shù)組Mul□進(jìn)行低通濾 波，得到與Ω大小正比例相關(guān)的數(shù)據(jù)。
[0027]優(yōu)選地，所述的力平衡反饋模塊根據(jù)數(shù)組Mul[]到的數(shù)據(jù)通過(guò)PID控制的方式處理 得出需要新增反饋給壓電半球諧振微陀螺儀模塊平衡電極的信號(hào)的幅值大小r，使得通過(guò) 一定時(shí)間的反饋后，將通過(guò)對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊檢測(cè)電極上的輸出信號(hào)進(jìn)行處理 得到的與壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)保持為0,則得到通過(guò)由r所累 加而得的R的大小，如此生成一個(gè)幅值為R、頻率為數(shù)字鎖相模塊檢測(cè)到的頻率的正弦信號(hào) 數(shù)組Bal[n]，作為反饋信號(hào)輸入到壓電半球諧振微陀螺儀模塊的平衡電極，同時(shí)通過(guò)R的大 小來(lái)確定壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度的大小。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0029] 本發(fā)明通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)陀螺所處環(huán)境變化時(shí)，可以不修改數(shù)字 信號(hào)處理參數(shù)繼續(xù)對(duì)陀螺進(jìn)行檢測(cè)的功能。同時(shí)，為了在給定硬件條件下提高陀螺檢測(cè)的 實(shí)時(shí)性，在保證陀螺檢測(cè)效果的前提下使用了處理速度較快的數(shù)字信號(hào)處理方法。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0031] 圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中系統(tǒng)原理框圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例數(shù)字鎖相模塊原理圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例數(shù)字AGC模塊框圖；
[0034]圖4為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例自動(dòng)調(diào)相模塊原理圖；
[0035]圖5為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例壓電半球諧振微陀螺儀數(shù)字信號(hào)處理的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0037] 如圖1所示，一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，包括壓電半球諧振 微陀螺儀模塊、數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法器和力平 衡反饋模塊，其中：
[0038] 所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊在給定反饋信號(hào)下被激振或被驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生檢測(cè) 信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào);所述數(shù)字檢波模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值 進(jìn)行檢測(cè);所述數(shù)字鎖相模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行檢 測(cè);所述數(shù)字AGC模塊根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供的幅值信息，對(duì)輸入壓電半球諧振微陀螺儀 模塊信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整;所述數(shù)字調(diào)相模塊對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信 號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整;所述乘法器，接收所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊的檢測(cè)信號(hào)，與所述 數(shù)字調(diào)相模塊調(diào)相后的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行相乘，從而確定力平衡反饋模塊所需要反饋信號(hào)的幅 值;所述力平衡反饋模塊向壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出反饋信號(hào)。
[0039] 在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊具有半球殼，該半球殼上 均勾分布有八個(gè)金屬電極，依次為第一驅(qū)動(dòng)電極、第一檢測(cè)電極、第一監(jiān)測(cè)電極、第一平衡 電極、第二驅(qū)動(dòng)電極、第二檢測(cè)電極、第二監(jiān)測(cè)電極和第二平衡電極，其中：在第一驅(qū)動(dòng)電 極、第二驅(qū)動(dòng)電極上施加一個(gè)與壓電半球諧振微陀螺儀模塊諧振頻率同頻的正弦電壓信 號(hào)，將壓電半球諧振微陀螺儀模塊激振;壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，在第一監(jiān)測(cè) 電極、第二監(jiān)測(cè)電極上將產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻的電荷信號(hào)，在第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極 上將產(chǎn)生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的信號(hào)和與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀 螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號(hào)所疊加的信號(hào)，在第一平衡電極、第二平衡電極上將產(chǎn) 生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的信號(hào)和與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模 塊輸入角速度正相關(guān)的信號(hào)所疊加的信號(hào)。如圖1所示，圖中：D為驅(qū)動(dòng)電極，S為檢測(cè)電極，Μ 為監(jiān)測(cè)電極，Β為平衡電極。
[0040] 本實(shí)施例中，所述的第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電極、第二平衡電極 上與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的信號(hào)相位相同時(shí)，第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電 極、第二平衡電極上與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相 關(guān)的信號(hào)的相位相差180°。
[0041] 本實(shí)施例中，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)、監(jiān)測(cè) 信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路，通過(guò)數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法 器和力平衡反饋模塊后，一部分信號(hào)作為反映壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出角速度的信 息進(jìn)行對(duì)外輸出（陀螺的目的是檢測(cè)角速度，角速度信息可以對(duì)外輸出給需要用到陀螺檢 測(cè)出的角速度的器件或顯示設(shè)備），另一部分信號(hào)作為反饋，經(jīng)過(guò)接口電路反饋給壓電半球 諧振微陀螺儀模塊。
[0042] 本實(shí)施例中，所述的數(shù)字檢波模塊通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān) 測(cè)信號(hào)的幾個(gè)周期的峰值大小，并取平均值，從而對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測(cè)。
[0043]如圖2所示，為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例數(shù)字鎖相模塊原理圖，如果保存所述壓電半球 諧振微陀螺儀模塊監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)組中第i個(gè)峰值出現(xiàn)在第k位，第j個(gè)峰值出現(xiàn)在第1位上 (假設(shè)j>i，那么l>k)，如圖2所示，則上述兩個(gè)峰值間約相差了 j-i個(gè)信號(hào)周期，并且產(chǎn)生了 了 Ι-k個(gè)采樣點(diǎn)，那么一個(gè)周期的采樣點(diǎn)約為（l-k)/(j-i)個(gè)。如果采樣頻率為f，則可以得 到監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率約為f · (j-i)/(l-k)?？紤]到采樣得到的峰值和實(shí)際信號(hào)的峰值可能存 在錯(cuò)位，最多錯(cuò)位半個(gè)采樣間隔，則在計(jì)算反饋信號(hào)頻率時(shí)可能因此相差一個(gè)采樣間隔，形 成的誤差至多為f · (j-i)/(l-k-l)-f · (j-i)/(l-k)。
[0044] 如圖3所示，為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例數(shù)字AGC模塊框圖，所述的數(shù)字AGC模塊首先設(shè) 定放大倍數(shù)為1，并根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供的壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信 號(hào)的幅值信息設(shè)定參考幅值，當(dāng)下一次得到的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值是參考幅值的ι/k時(shí)，則將放 大倍數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的k倍，如此循環(huán)。
[0045] 如圖4所示，為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例自動(dòng)調(diào)相原理圖，可以將保存所述壓電半球諧 振微陀螺儀模塊監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)組中第一個(gè)周期內(nèi)的峰值所在位置第i位和谷值所在位置第 j位檢測(cè)出來(lái)，也將保存所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊檢測(cè)測(cè)信號(hào)的數(shù)組中第一個(gè)周期 內(nèi)的峰值所在位置第k位和谷值所在位置第1位檢測(cè)出來(lái)(假設(shè)k>i，那么l>j)，如圖4所示， 可以知道信號(hào)一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)為2 | j-i |個(gè)左右。需要將監(jiān)測(cè)信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)的相位差 調(diào)整至相差90°，則可以將保存監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)組中的所有元素的保存位置全部后移k-i+| j-i I位?？紤]到采樣得到的峰值和谷值與實(shí)際信號(hào)的峰值和谷值可能存在錯(cuò)位，最多錯(cuò)位半 個(gè)采樣間隔，則在調(diào)相時(shí)可能因此相差一個(gè)采樣間隔，形成的誤差至多為一個(gè)采樣間隔所 對(duì)應(yīng)的相位。
[0046] 如圖5所示，為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例壓電半球諧振微陀螺儀數(shù)字信號(hào)處理方法的 原理圖，假設(shè)輸入壓電半球諧振微陀螺儀模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ud為Asin( ω t)，其中：ω為壓電 半球諧振微陀螺儀模塊的諧振頻率，可由所述數(shù)字鎖相模塊得到;Α為壓電半球諧振微陀螺 儀模塊的驅(qū)動(dòng)幅值，可由所述數(shù)字AGC模塊得到；
[0047] 則驅(qū)動(dòng)電極D處的等效質(zhì)量體的振動(dòng)速度為：
[0048] vd = /ad = /Fd/m = /kdUd = Bcos( ω t),
[0049] 其中：vd為驅(qū)動(dòng)電極D處等效質(zhì)量體的振動(dòng)速度，ad為驅(qū)動(dòng)電極D處等效質(zhì)量體的振 動(dòng)加速度，F(xiàn)d為驅(qū)動(dòng)電極D處等效質(zhì)量體由逆壓電效應(yīng)所受的力，m為驅(qū)動(dòng)電極D處等效質(zhì)量 體的質(zhì)量，kd為比例系數(shù)，大小為驅(qū)動(dòng)電極D處等效質(zhì)量體單位質(zhì)量受到單位電壓能通過(guò)逆 壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的力。
[0050] 而在檢測(cè)電極S處等效質(zhì)量體所受到的等效柯氏力F。為：
[0051 ] 42mQx vd,
[0052] 其中Ω為外部輸入的角速度；
[0053] 因此檢測(cè)電極S處的輸出電荷信號(hào)大小為：
[0054] Qs =V2 ιηΩχ Γ,, = (；?cos( ),
[0055] 其中ks表示壓電材料在單位壓力作用下能產(chǎn)生的電荷量大小。
[0056] 考慮到由陀螺制造過(guò)程中所存在的不對(duì)稱(chēng)性等原因所帶來(lái)的影響，若輸入壓電半 球諧振微陀螺儀模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為Asin( cot)，則在檢測(cè)電極S處輸出接口輸出的信號(hào)為一 由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻的載波信號(hào)和由柯氏效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)疊加所產(chǎn)生的信號(hào)Dsin(c〇t)+EQ cos ( ω t)。由于平衡電極B處和檢測(cè)電極S處的輸出信號(hào)中載波分量相位、頻率相同，同時(shí)由 柯氏效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率相同，相位相差180，所以在平衡電極B處輸出接口輸出的信號(hào)為 Fsin(c〇t)-GQcos(c〇t)。為了檢測(cè)上述信號(hào)中的Ω，將檢測(cè)電極S的輸出信號(hào)與調(diào)相過(guò)的 監(jiān)測(cè)電極Μ的輸出信號(hào)進(jìn)行乘法解調(diào)，就可以得到[Dsin( ω t)+E Ω c0s( ω t)]*Hcos( ω t)= Icos(2c〇t)+Jsin(2c〇t)_KQ，最后通過(guò)低通濾波的方法就可以得到Ω的大小。
[0057]本實(shí)施例中，所述的力平衡反饋模塊根據(jù)數(shù)組Mul□的數(shù)據(jù)通過(guò)PID控制的方式處 理得出需要新增反饋給壓電半球諧振微陀螺儀模塊平衡電極的信號(hào)的幅值大小r，使得通 過(guò)一定時(shí)間的反饋后，將通過(guò)對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊檢測(cè)電極上的輸出信號(hào)進(jìn)行處 理得到的與壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)保持為〇,則可以得到通過(guò) 由r所累加而得的R的大小，如此可以生成一個(gè)幅值為R、頻率為數(shù)字鎖相模塊檢測(cè)到的頻率 的正弦信號(hào)數(shù)組Bal[n]，作為反饋信號(hào)輸入壓電半球諧振微陀螺儀模塊的平衡電極，同時(shí) 通過(guò)R的大小來(lái)確定壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度的大小。
[0058]本發(fā)明壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，由于使用的處理方法簡(jiǎn)單， 未使用計(jì)算量較大的檢波、測(cè)頻等算法，保證了信息處理的實(shí)時(shí)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序自 動(dòng)調(diào)相的功能，避免了模擬檢測(cè)系統(tǒng)中每次開(kāi)機(jī)都需要手動(dòng)調(diào)相的繁瑣步驟。
[0059]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于，包括壓電半球諧振 微陀螺儀模塊、數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法器和力平 衡反饋模塊，其中： 所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊，在給定反饋信號(hào)下被激振或被驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生檢測(cè)信 號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)； 所述數(shù)字檢波模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測(cè)； 所述數(shù)字鎖相模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行檢測(cè)； 所述數(shù)字AGC模塊，根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供的幅值信息，對(duì)輸入壓電半球諧振微陀螺 儀模塊信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)整； 所述數(shù)字調(diào)相模塊，對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整； 所述乘法器，接收所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊的檢測(cè)信號(hào)，與所述數(shù)字調(diào)相模塊 調(diào)相后的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行相乘，從而確定力平衡反饋模塊所需要反饋信號(hào)的幅值； 所述力平衡反饋模塊，向壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出反饋信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊具有半球殼，半球殼上均勾分布有八個(gè)金屬電極，依 次為第一驅(qū)動(dòng)電極、第一檢測(cè)電極、第一監(jiān)測(cè)電極、第一平衡電極、第二驅(qū)動(dòng)電極、第二檢測(cè) 電極、第二監(jiān)測(cè)電極和第二平衡電極，其中：在第一驅(qū)動(dòng)電極、第二驅(qū)動(dòng)電極上施加一個(gè)與 壓電半球諧振微陀螺儀模塊諧振頻率同頻的正弦電壓信號(hào)，將壓電半球諧振微陀螺儀模塊 激振;壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，在第一監(jiān)測(cè)電極、第二監(jiān)測(cè)電極上產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng) 信號(hào)同頻的電荷信號(hào)，在第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極上產(chǎn)生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的 信號(hào)和與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號(hào)所 疊加的信號(hào)，在第一平衡電極、第二平衡電極上產(chǎn)生由與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻定幅值的信號(hào)和與 驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻、且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號(hào)所疊加的信 號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于，所述的第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電極、第二平衡電極上與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻 定幅值的信號(hào)相位相同時(shí)，第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極和第一平衡電極、第二平衡電極上 與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻且幅值和壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號(hào)的相位相 差 180°。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于，所述的壓電半球諧振微陀螺儀模塊被激振后，產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)、監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電 路，通過(guò)數(shù)字檢波模塊、數(shù)字鎖相模塊、數(shù)字AGC模塊、數(shù)字調(diào)相模塊、乘法器和力平衡反饋 模塊后，一部分信號(hào)作為反映壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出角速度的信息進(jìn)行對(duì)外輸 出，另一部分信號(hào)作為反饋，經(jīng)過(guò)接口電路反饋給壓電半球諧振微陀螺儀模塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)， 其特征在于，所述的數(shù)字檢波模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào) 的幾個(gè)周期的峰值大小，并取平均值，從而對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測(cè)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)， 其特征在于，所述的數(shù)字鎖相模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào) 的幾個(gè)周期的峰值所在位置，并根據(jù)采集監(jiān)測(cè)信號(hào)的采樣頻率進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào) 的頻率進(jìn)行檢測(cè)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)， 其特征在于，所述的數(shù)字AGC模塊，首先設(shè)定放大倍數(shù)為1，并根據(jù)數(shù)字檢波模塊所提供的壓 電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值信息設(shè)定參考幅值，當(dāng)下一次得到的監(jiān)測(cè) 信號(hào)的幅值是參考幅值的Ι/k時(shí)，則將放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的k倍，如此循環(huán)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)， 其特征在于，所述的數(shù)字調(diào)相模塊，通過(guò)檢測(cè)壓電半球諧振微陀螺儀模塊輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào) 和檢測(cè)信號(hào)某個(gè)周期的峰值和谷值所在位置，將監(jiān)測(cè)信號(hào)的峰值位置調(diào)整至與檢測(cè)信號(hào)的 峰值和谷值所在位置正中間。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于，所述的數(shù)字調(diào)相模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)相，具體如下： 所述壓電半球諧振微陀螺儀模塊具有檢測(cè)電極和監(jiān)測(cè)電極，將檢測(cè)電極信號(hào)和監(jiān)測(cè)電 極信號(hào)的數(shù)據(jù)通過(guò)接口電路分別保存在Sen[ ]、Mon[]兩個(gè)數(shù)組中； 在初始化階段，外部輸入角速度Ω為0,此時(shí)Sen□數(shù)組中的信號(hào)僅為載波信號(hào)；求出 Sen□數(shù)組中某一個(gè)周期中數(shù)據(jù)點(diǎn)中的峰值和谷值在數(shù)組中所在的位置pi和p2,以及上述 兩位置的中間位置P 3; 另一方面，求出Mon[]數(shù)組中某一個(gè)周期中數(shù)據(jù)點(diǎn)中峰值在數(shù)組中的位置p4,通過(guò)平移 Mon[]數(shù)組中數(shù)據(jù)的位置，將p4與p3重合，并將經(jīng)過(guò)保存信號(hào)位置調(diào)整后的Mon□數(shù)組中的 數(shù)據(jù)與Sen□中的數(shù)據(jù)相乘，得到解調(diào)信號(hào)數(shù)組Mul□，之后對(duì)數(shù)組Mul□進(jìn)行低通濾波，得 到與Ω大小正比例相關(guān)的數(shù)據(jù)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于，所述的力平衡反饋模塊，根據(jù)數(shù)組Mul□的數(shù)據(jù)通過(guò)PID控制的方式處理得出需要新增 反饋給壓電半球諧振微陀螺儀模塊平衡電極的信號(hào)的幅值大小r，使得通過(guò)一定時(shí)間的反 饋后，將通過(guò)對(duì)壓電半球諧振微陀螺儀模塊檢測(cè)電極上的輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到的與壓電 半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度相關(guān)的數(shù)據(jù)保持為〇,則得到通過(guò)由r所累加而得的R的 大小，如此生成一個(gè)幅值為R、頻率為數(shù)字鎖相模塊檢測(cè)到的頻率的正弦信號(hào)數(shù)組Bal [η]， 作為反饋信號(hào)輸入到壓電半球諧振微陀螺儀模塊的平衡電極，同時(shí)通過(guò)R的大小確定壓電 半球諧振微陀螺儀模塊輸入角速度的大小。
【文檔編號(hào)】G01C19/5649GK106017450SQ201610566243
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月18日
【發(fā)明人】張衛(wèi)平, 汪濙海, 歐彬, 唐健, 劉朝陽(yáng), 孫殿竣, 邢亞亮, 王晨陽(yáng), 崔峰
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)