專利名稱：用于微機械陀螺的信號檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機械陀螺領(lǐng)域，具體涉及一種用于微機械陀螺的信號檢測方法及裝置。
背景技術(shù)：
微機械陀螺是測量物體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)運動的裝置，已經(jīng)成為各種慣性系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件。目前，硅微機械陀螺信號檢測電路系統(tǒng)的驅(qū)動回路中多采用鎖相環(huán)(Phase-Lock-Loop)完成穩(wěn)頻控制，與幅值控制環(huán)節(jié)結(jié)合，實現(xiàn)微陀螺驅(qū)動軸的諧振和振動幅值恒定。鎖相環(huán)芯片采用雙電源供電，以地信號為參考地(GND)信號。但是，這種微陀螺信號檢測系統(tǒng)一方面因為鎖相環(huán)芯片功耗大，增加電路的功耗；另一方面需要外接雙電源，提高了對外接電源的要求，限制了微陀螺的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種檢測精度高、功耗低、電源接口簡單、應(yīng)用范圍廣的用于微機械陀螺的信號檢測方法及裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種用于微機械陀螺的信號檢測方法，其實施步驟如下:I)將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并根據(jù)驅(qū)動載波信號解調(diào)得到驅(qū)動信號;2)對所述驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；對所述驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；在所述驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號;3)將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極；同時，將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換得到的電壓信號依次根據(jù)檢測載波信號進行一次解調(diào)、根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大、電位調(diào)零后輸出。作為本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測方法的進一步改進:所述步驟2)中在驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號的詳細步驟如下:將所述驅(qū)動信號幅值和地信號作為兩路輸入信號輸入開關(guān)芯片，將所述驅(qū)動激勵信號作為開關(guān)芯片的控制信號輸入開關(guān)芯片，通過所述開關(guān)芯片對兩路輸入信號進行開關(guān)連通狀態(tài)切換實現(xiàn)信號調(diào)制，得到的信號作為閉環(huán)控制信號。所述步驟3)中將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極的詳細步驟如下:將所述閉環(huán)控制信號和驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，同時將反相后的閉環(huán)控制信號、反相后的驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極；所述驅(qū)動載波信號的頻率為檢測載波信號的頻率的整數(shù)倍，且所述驅(qū)動載波信號的頻率大小范圍為IOOKHz 900KHz。所述步驟3)中根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號二次解調(diào)的詳細步驟如下:將一次解調(diào)輸出的待解調(diào)信號進行反相，將反相后的待解調(diào)信號和原始待解調(diào)信號分別輸入開關(guān)芯片的兩個輸入引腳，通過所述驅(qū)動激勵信號控制切換開關(guān)芯片輸出引腳與兩個輸入引腳之間的連通關(guān)系將待解調(diào)信號進行解調(diào)輸出。本發(fā)明還提供一種用于微機械陀螺的信號檢測裝置，包括高頻載波發(fā)生器、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動信號解調(diào)模塊、驅(qū)動信號幅值生成單元、驅(qū)動激勵信號生成單元、調(diào)制模塊、電壓加載單元和信號輸出單元，所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并輸入驅(qū)動信號解調(diào)模塊，所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊根據(jù)所述高頻載波發(fā)生器輸出的驅(qū)動載波信號對輸入的電壓信號進行解調(diào)得到驅(qū)動信號；所述驅(qū)動信號幅值生成單元對所述驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；所述驅(qū)動激勵信號生成單元對所述驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；所述調(diào)制模塊在所述驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號；所述電壓加載單元將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極；所述信號輸出單元包括依次相連的一次解調(diào)電路、二次解調(diào)電路、濾波放大電路和調(diào)零電路，所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號依次經(jīng)過一次解調(diào)電路根據(jù)高頻載波發(fā)生器輸出的檢測載波信號進行一次解調(diào)、二次解調(diào)電路根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號生成單元輸出的驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大電路進行濾波放大、調(diào)零電路進行電位調(diào)零后輸出。作為本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測裝置的進一步改進:所述驅(qū)動信號幅值生成單元包括整流器、濾波放大器、加法器和PID控制器，所述驅(qū)動激勵信號生成單元包括串聯(lián)的積分移相器和比較器，所述調(diào)制模塊為開關(guān)芯片；所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊輸出的驅(qū)動信號依次經(jīng)過整流器進行整流、濾波放大器進行濾波放大、加法器將其與指定大小的直流電壓相加、PID控制器進行PID控制，且所述PID控制器輸出的信號與接地信號一起作為調(diào)制模塊的兩路輸入信號，同時所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊輸出的驅(qū)動信號依次經(jīng)過積分移相器進行正交移相、比較器將其與預(yù)設(shè)的閾值電壓進行比較，如果高于預(yù)設(shè)的閾值電壓則比較器輸出高電平，否則比較器輸出低電平，最終比較器將輸出與驅(qū)動信號同頻率的方波信號作為驅(qū)動激勵信號輸入調(diào)制模塊；所述調(diào)制模塊在驅(qū)動激勵信號的控制下對兩路輸入信號進行開關(guān)連通狀態(tài)切換實現(xiàn)信號調(diào)制得到閉環(huán)控制信號并輸出至電壓加載單元。所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊包括串聯(lián)的電荷放大器和高通濾波放大器，所述電荷放大器的輸入端與微機械陀螺的輸出端相連。所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊包括串聯(lián)的同步解調(diào)電路和低通濾波器，所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊的同步解調(diào)電路基于開關(guān)芯片實現(xiàn)，所述開關(guān)芯片的控制端與高頻載波發(fā)生器的驅(qū)動載波信號輸出端相連，所述開關(guān)芯片的兩個輸入端分別與電容電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號以及其反相信號相連，所述開關(guān)芯片在驅(qū)動載波信號的控制下將電容電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號以及其反相信號輪流切換輸出至低通濾波器，所述低通濾波器將輸入信號進行低通濾波后輸出。
所述電壓加載單元包括直流升壓模塊、第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊、第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊、第一反相器、第二反相器和第三反相器，所述第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端分別與直流升壓模塊的正極、調(diào)制模塊的輸出端、高頻載波發(fā)生器的驅(qū)動載波輸出端相連，所述第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端與微機械陀螺的驅(qū)動電極正極相連，所述第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端分別與直流升壓模塊的負極相連、通過第一反相器與調(diào)制模塊的輸出端相連、通過第二反相器與高頻載波發(fā)生器的驅(qū)動載波輸出端相連，所述第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端與微機械陀螺的驅(qū)動電極負極相連；所述高頻載波發(fā)生器的檢測載波輸出端與微機械陀螺的檢測電極正極相連，且高頻載波發(fā)生器的檢測載波輸出端通過第三反相器與微機械陀螺的檢測電極負極相連；所述高頻載波發(fā)生器在將檢測載波信號輸入微機械陀螺的檢測電極正極、將檢測載波信號通過第三反相器輸入微機械陀螺的檢測電極負極時，所述第
一RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊將調(diào)制模塊輸出的閉環(huán)控制信號和高頻載波發(fā)生器輸出的驅(qū)動載波信號、直流升壓模塊的正極輸出的正極性偏置電壓三者疊加加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，同時第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊將第一反相器輸出的反相后的閉環(huán)控制信號、第二反相器輸出的反相后的驅(qū)動載波信號、直流升壓模塊的負極輸出的負極性偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊疊加加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極。所述二次解調(diào)電路包括90°移相器、過零比較器、反向器、開關(guān)解調(diào)芯片、低通濾波器，所述開關(guān)解調(diào)芯片的控制端依次通過過零比較器、90°移相器與驅(qū)動信號解調(diào)模塊輸出端相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片的一個輸入端直接與一次解調(diào)電路相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片的另一個輸入端通過反向器與一次解調(diào)電路相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片的輸出端通過低通濾波器與濾波放大電路相連；所述90°移相器將驅(qū)動信號解調(diào)模塊的輸出信號進行90度移相使其相位與檢測信號保持一致，所述過零比較器將90°移相器移相后的信號轉(zhuǎn)換為標準方波時鐘信號輸出至開關(guān)解調(diào)芯片的控制端；所述反向器將一次解調(diào)電路輸出的待解調(diào)信號進行反相，所述開關(guān)解調(diào)芯片將反向器輸出的反相后的待解調(diào)信號和一次解調(diào)電路輸出的原始待解調(diào)信號在過零比較器輸出的標準方波時鐘信號控制下，切換兩個輸入引腳的連通關(guān)系將待解調(diào)信號完成二次解調(diào)并依次經(jīng)過濾波放大電路進行濾波放大、調(diào)零電路進行電位調(diào)零后輸出。本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測方法具有下述優(yōu)點:1、本發(fā)明將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并根據(jù)驅(qū)動載波信號解調(diào)得到驅(qū)動信號，獲取驅(qū)動信號的幅值得到驅(qū)動信號幅值，將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為同頻率、相位正交的方波信號作為驅(qū)動激勵信號，在驅(qū)動激勵信號的控制下將驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號，將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極，驅(qū)動微機械陀螺進行簡諧穩(wěn)幅振動。同時將微機械陀螺的原始輸出信號根據(jù)檢測載波信號進行一次解調(diào)、根據(jù)驅(qū)動激勵信號二次解調(diào)、濾波放大、電位調(diào)零后輸出，有利于提高微機械陀螺信號檢測電路的檢測精度，相對傳統(tǒng)采用鎖相環(huán)進行穩(wěn)頻控制的方式降低了微機械陀螺信號檢測電路的功耗，對電源接口的要求簡單，具有檢測精度高、功耗低、電源接口簡單、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。2、本發(fā)明進一步將驅(qū)動信號依次進行整流、濾波放大、與指定大小的直流電壓疊加、PID控制得到驅(qū)動信號幅值，獲取驅(qū)動信號幅值的方式簡單，實現(xiàn)電路簡單，能夠減小電路體積、功耗低。
3、本發(fā)明進一步通過將驅(qū)動信號進行正交移相，根據(jù)驅(qū)動信號的頻率將正交移相后的驅(qū)動信號經(jīng)過零比較器，得到與驅(qū)動信號同頻率、相位正交的方波信號作為驅(qū)動激勵信號輸出；將驅(qū)動信號幅值和地信號分別作為開關(guān)芯片的兩路輸入信號輸入開關(guān)芯片，將驅(qū)動激勵信號作為開關(guān)芯片的控制信號對兩路輸入信號進行調(diào)制得到的信號作為閉環(huán)控制信號。生成的閉環(huán)控制信號穩(wěn)定性能好，有利于增強微機械陀螺激勵信號的穩(wěn)定性，保證微機械陀螺穩(wěn)幅簡諧振動、提高輸出檢測信號精度。4、本發(fā)明進一步將閉環(huán)控制信號和驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，將反相后的閉環(huán)控制信號、反相后的驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極。信號的疊加加載采用RC耦合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，能夠有效提升驅(qū)動交流信號和直流偏置電壓以及高頻載波的合成和降低相互直接的干擾，加載電路進一步包括用于提供驅(qū)動偏置電壓的直流升壓模塊，通過直流升壓模塊能夠利用較小的電壓產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，提高驅(qū)動環(huán)路的振動幅值，增大檢測環(huán)路的信噪比；此外，本發(fā)明驅(qū)動載波信號的頻率進一步為檢測載波信號的頻率的整數(shù)倍，且驅(qū)動載波信號的頻率大小范圍為IOOKHz 900KHz，通過上述參數(shù)選取驅(qū)動載波和檢測載波的頻率，綜合考慮了噪聲干擾、帶寬和頻率混疊等因素影響，能有效減少電路的噪聲的干擾以及帶寬的限制。5、本發(fā)明進一步將二次解調(diào)具體實現(xiàn)為將一次解調(diào)輸出的待解調(diào)信號進行反相，將反相后的待解調(diào)信號和原始待解調(diào)信號分別輸入開關(guān)芯片的輸入引腳，通過驅(qū)動激勵信號控制開關(guān)芯片輸出引腳與兩個輸入引腳的連通關(guān)系將待解調(diào)信號進行解調(diào)輸出。能夠通過簡單的控制電路實現(xiàn)對檢測信號中驅(qū)動載波中的頻率信息的分離，減小電路體積、功耗更低，解調(diào)效果好。本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測裝置為本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測方法相對應(yīng)的裝置，具有與本發(fā)明用于微機械陀螺的信號檢測方法相同的技術(shù)效果，在此不再贅述。


圖1為本發(fā)明實施例的框架結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例中高頻載波發(fā)生器I的電路示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中高頻載波發(fā)生器I使用的開關(guān)調(diào)制技術(shù)原理示意圖。圖4為本發(fā)明實施例中電容電壓轉(zhuǎn)換模塊2的電路示意圖。圖5為本發(fā)明實施例中驅(qū)動信號解調(diào)模塊3的電路示意圖。圖6為本發(fā)明實施例中直流升壓模塊71的電路示意圖。圖7為本發(fā)明實施例中第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊72的電路示意圖。圖8為本發(fā)明實施例中二次解調(diào)電路82的框架結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明實施例中90°移相器821的電路示意圖。圖10為本發(fā)明實施例中過零比較器822的電路示意圖。圖11為本發(fā)明實施例中開關(guān)解調(diào)芯片824的電路示意圖。圖12為本發(fā)明實施例中調(diào)零電路84的電路示意圖。圖13為本發(fā)明實施例中參考電壓Vref25的生成電路示意圖。
圖例說明:1、高頻載波發(fā)生器；2、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊；3、驅(qū)動信號解調(diào)模塊；4、驅(qū)動信號幅值生成單元；41、整流器；42、濾波放大器；43、加法器；44、PID控制器；5、驅(qū)動激勵信號生成單元；51、積分移相器；52、比較器；6、調(diào)制模塊；7、電壓加載單元；71、直流升壓模塊；72、第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊；73、第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊；74、第一反相器；75、第二反相器；76、第三反相器；8、信號輸出單元；81、一次解調(diào)電路；82、二次解調(diào)電路；821、90°移相器；822、過零比較器；823、反向器；824、開關(guān)解調(diào)芯片；825、低通濾波器；83、濾波放大電路；84、調(diào)零電路。
具體實施例方式本實施例用于微機械陀螺的信號檢測方法的實施步驟如下:I)將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并根據(jù)驅(qū)動載波信號解調(diào)得到驅(qū)動
信號;2)對驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；對驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；在驅(qū)動激勵信號的控制下將驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號；3)將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極；同時，將微機械陀螺的原始輸出信號依次根據(jù)檢測載波信號進行一次解調(diào)、根據(jù)驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大、電位調(diào)零后輸出。參見前述步驟I) 步驟3)，本實施例將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極驅(qū)動微機械陀螺進行簡諧穩(wěn)幅振動，同時將微機械陀螺的原始輸出信號根據(jù)檢測載波信號進行一次解調(diào)、根據(jù)驅(qū)動激勵信號二次解調(diào)、濾波放大、電位調(diào)零后輸出，有利于提高微機械陀螺信號檢測電路的檢測精度，相對傳統(tǒng)采用鎖相環(huán)進行穩(wěn)頻控制的方式降低了微機械陀螺信號檢測電路的功耗，對電源接口的要求簡單，具有檢測精度高、功耗低、電源接口簡單的優(yōu)點。本實施例中，步驟2)中在驅(qū)動激勵信號的控制下將驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號的詳細步驟如下:將驅(qū)動信號幅值和地信號作為兩路輸入信號輸入開關(guān)芯片，將驅(qū)動激勵信號作為開關(guān)芯片的控制信號輸入開關(guān)芯片，通過開關(guān)芯片對兩路輸入信號進行開關(guān)連通狀態(tài)切換實現(xiàn)信號調(diào)制，得到的信號作為閉環(huán)控制信號。本實施例中，步驟3)中將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極的詳細步驟如下:將閉環(huán)控制信號和驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，同時將反相后的閉環(huán)控制信號、反相后的驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極；驅(qū)動載波信號的頻率為檢測載波信號的頻率的整數(shù)倍，且驅(qū)動載波信號的頻率大小范圍為IOOKHz 900KHz。本實施例中，步驟3)中根據(jù)驅(qū)動激勵信號二次解調(diào)的詳細步驟如下:將一次解調(diào)輸出的待解調(diào)信號進行反相，將反相后的待解調(diào)信號和原始待解調(diào)信號分別輸入開關(guān)芯片的兩個輸入引腳，通過驅(qū)動激勵信號控制切換開關(guān)芯片輸出引腳與兩個輸入引腳之間的連通關(guān)系將待解調(diào)信號進行解調(diào)輸出。如圖1所示，本實施例用于微機械陀螺的信號檢測裝置包括高頻載波發(fā)生器1、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊2、驅(qū)動信號解調(diào)模塊3、驅(qū)動信號幅值生成單元4、驅(qū)動激勵信號生成單元5、調(diào)制模塊6、電壓加載單元7和信號輸出單元8，電容電壓轉(zhuǎn)換模塊2將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并輸入驅(qū)動信號解調(diào)模塊3，驅(qū)動信號解調(diào)模塊3根據(jù)高頻載波發(fā)生器I輸出的驅(qū)動載波信號對輸入的電壓信號進行解調(diào)得到驅(qū)動信號；驅(qū)動信號幅值生成單元4對驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；驅(qū)動激勵信號生成單元5對驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；調(diào)制模塊6在驅(qū)動激勵信號的控制下將驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號；電壓加載單元7將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極；信號輸出單兀8包括依次相連的一次解調(diào)電路81、二次解調(diào)電路82、濾波放大電路83和調(diào)零電路84，電容電壓轉(zhuǎn)換模塊2輸出的電壓信號依次經(jīng)過一次解調(diào)電路81根據(jù)高頻載波發(fā)生器I輸出的檢測載波信號進行一次解調(diào)、二次解調(diào)電路82根據(jù)驅(qū)動激勵信號生成單元5輸出的驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大電路83進行濾波放大、調(diào)零電路84進行電位調(diào)零后輸出。如圖2所示，高頻載波發(fā)生器I主要由單片機C8051F410/2和開關(guān)芯片ADG736BRM組成，通過配置單片機C8051F410/2的內(nèi)部寄存器，從I/O端口輸出兩路高頻標準方波信號(驅(qū)動載波信號Drive+、Drive-;檢測載波信號Detect+、Detect-),利用開關(guān)調(diào)制技術(shù),將驅(qū)動載波信號(Drive+、Drive-)和檢測載波信號(Detect+、Detect-)的幅值分別限定在+2.5V和+4.5V。利用高頻載波信號將檢測質(zhì)量塊微弱電容的變化調(diào)制到高頻段，可以有效濾除低頻噪聲，提高輸出信號的信噪比。本實施例中將高頻載波發(fā)生器I輸出的驅(qū)動載波信號的頻率優(yōu)選為檢測載波信號的頻率的整數(shù)倍，綜合考慮噪聲干擾、帶寬和頻率混疊等因素影響，有效減少電路的高頻噪聲的干擾。本實施例中，檢測載波信號的頻率為369KHz，驅(qū)動載波信號的頻率為檢測載波信號的頻率的2倍，即738KHZ。高頻載波發(fā)生器I使用的開關(guān)調(diào)制技術(shù)原理如圖3所示。y(t)是單片機C8051F410/2產(chǎn)生的高頻方波信號，作為開關(guān)芯片的控制信號，限幅電壓值Xl(t)、低電平x2(t) (GND)作為開關(guān)芯片的兩個輸入信號。控制信號y(t)控制開關(guān)芯片ADG736BRM周期進行選通關(guān)斷，U0 (t)為輸出信號(檢測載波信號的正信號Detect+和驅(qū)動載波信號的正信號Drive+hUjt)的反相信號(檢測載波信號的負信號Detect-和驅(qū)動載波信號的負信號Drive-)只需要將&(0和X2 (t)交換一下即可，在此不再贅述。本實施例中，微機械陀螺四個電極上的電壓分別為:Vd + =Dd + Ad sin (OJ + Efl sin ωη
K- = D,i — 4 sin coJ —I:, isin C0< J'(I)
Vs+=Ef2smmf2t
Vs— = -Ef2 sin 0)f2t式(I)中，Vd+為驅(qū)動電極正極的電壓，Vd_為驅(qū)動電極負極的電壓，Vs+為檢測電極正極的電壓，vs_為檢測電極負極的電壓，Dd為直流升壓模塊71輸出的驅(qū)動偏置電壓，EflSincoflt為高頻載波發(fā)生器I輸出的驅(qū)動載波信號，Ef2Sincof2t為高頻載波發(fā)生器I輸出的檢測載波信號，AdSincodt為調(diào)制模塊6輸出的閉環(huán)控制信號。如圖4所示，電容電壓轉(zhuǎn)換模塊2包括串聯(lián)的電荷放大器AD8066和高通濾波放大器，用于將微機械陀螺輸出的微弱電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號以方便后續(xù)檢測電路處理，電荷放大器AD8066的輸入端與微機械陀螺的輸出端(輸出的微弱電容信號位Cout)相連，電荷放大器AD8066輸出信號Vch的輸出電壓為:
權(quán)利要求
1.一種用于微機械陀螺的信號檢測方法，其特征在于實施步驟如下: 1)將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并根據(jù)驅(qū)動載波信號解調(diào)得到驅(qū)動信號; 2)對所述驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；對所述驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；在所述驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號； 3)將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極；同時，將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換得到的電壓信號依次根據(jù)檢測載波信號進行一次解調(diào)、根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大、電位調(diào)零后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機械陀螺的信號檢測方法，其特征在于，所述步驟2)中在驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號的詳細步驟如下:將所述驅(qū)動信號幅值和地信號作為兩路輸入信號輸入開關(guān)芯片，將所述驅(qū)動激勵信號作為開關(guān)芯片的控制信號輸入開關(guān)芯片，通過所述開關(guān)芯片對兩路輸入信號進行開關(guān)連通狀態(tài)切換實現(xiàn)信號調(diào)制，得到的信號作為閉環(huán)控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機械陀螺的信號檢測方法，其特征在于，所述步驟3)中將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極的詳細步驟如下:將所述閉環(huán)控制信號和驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，同時將反相后的閉環(huán)控制信號、反相后的驅(qū)動載波信號、直流偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極；所述驅(qū)動載波信號的頻率為檢測載波信號的頻率的整數(shù)倍，且所述驅(qū)動載波信號的頻率大小范圍為 IOOKHz 900KHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于微機械陀螺的信號檢測方法，其特征在于，所述步驟3)中根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號二次解調(diào)的詳細步驟如下:將一次解調(diào)輸出的待解調(diào)信號進行反相，將反相后的待解調(diào)信號和原始待解調(diào)信號分別輸入開關(guān)芯片的兩個輸入引腳，通過所述驅(qū)動激勵信號控制切換開關(guān)芯片輸出引腳與兩個輸入引腳之間的連通關(guān)系將待解調(diào)信號進行解調(diào)輸出。
5.一種用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于，包括高頻載波發(fā)生器(I)、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)、驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)、驅(qū)動信號幅值生成單元(4)、驅(qū)動激勵信號生成單元(5)、調(diào)制模塊￠)、電壓加載單元(7)和信號輸出單元(8)，所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)將微機械陀螺的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并輸入驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)，所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)根據(jù)所述高頻載波發(fā)生器(I)輸出的驅(qū)動載波信號對輸入的電壓信號進行解調(diào)得到驅(qū)動信號；所述驅(qū)動信號幅值生成單元(4)對所述驅(qū)動信號采用整流濾波獲取驅(qū)動信號幅值；所述驅(qū)動激勵信號生成單元(5)對所述驅(qū)動信號采用正交移相與過零比較器的方法獲取與驅(qū)動信號同頻、相位正交的方波作為驅(qū)動激勵信號；所述調(diào)制模塊(6)在所述驅(qū)動激勵信號的控制下將所述驅(qū)動信號幅值與地信號進行開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號；所述電壓加載單元(7)將直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號和所述閉環(huán)控制信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū) 動電極；所述信號輸出單元(8)包括依次相連的一次解調(diào)電路(81)、二次解調(diào)電路(82)、濾波放大電路(83)和調(diào)零電路(84)，所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)輸出的電壓信號依次經(jīng)過一次解調(diào)電路(81)根據(jù)高頻載波發(fā)生器(I)輸出的檢測載波信號進行一次解調(diào)、二次解調(diào)電路(82)根據(jù)所述驅(qū)動激勵信號生成單元(5)輸出的驅(qū)動激勵信號進行二次解調(diào)、濾波放大電路(83)進行濾波放大、調(diào)零電路(84)進行電位調(diào)零后輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于:所述驅(qū)動信號幅值生成單元(4)包括整流器(41)、濾波放大器(42)、加法器(43)和PID控制器(44)，所述驅(qū)動激勵信號生成單元(5)包括串聯(lián)的積分移相器(51)和比較器(52)，所述調(diào)制模塊(6)為開關(guān)芯片；所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)輸出的驅(qū)動信號依次經(jīng)過整流器(41)進行整流、濾波放大器(42)進行濾波放大、加法器(43)將其與指定大小的直流電壓相加、PID控制器(44)進行PID控制，且所述PID控制器(44)輸出的信號與接地信號一起作為調(diào)制模塊(6)的兩路輸入信號，同時所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)輸出的驅(qū)動信號依次經(jīng)過積分移相器(51)進行正交移相、比較器(52)將其與預(yù)設(shè)的閾值電壓進行比較，如果高于預(yù)設(shè)的閾值電壓則比較器(52)輸出高電平，否則比較器(52)輸出低電平，最終比較器(52)將輸出與驅(qū)動信號同頻率的方波信號作為驅(qū)動激勵信號輸入調(diào)制模塊￠);所述調(diào)制模塊(6)在驅(qū)動激勵信號的控制下對兩路輸入信號進行開關(guān)連通狀態(tài)切換實現(xiàn)信號調(diào)制得到閉環(huán)控制信號并輸出至電壓加載單元(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于:所述電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)包括串聯(lián)的電荷放大器和高通濾波放大器，所述電荷放大器的輸入端與微機械陀螺的輸出端相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于:所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)包括串聯(lián)的同步解調(diào)電路和低通濾波器，所述驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)的同步解調(diào)電路基于開關(guān)芯片實現(xiàn)，所述開關(guān)芯片的控制端與聞頻載波發(fā)生器(I)的驅(qū)動載波信號輸出端相連，所述開關(guān)芯片的兩個輸入端分別與電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)輸出的電壓信號以及其反相信號相連，所述開關(guān)芯片在驅(qū)動載波信號的控制下將電容電壓轉(zhuǎn)換模塊(2)輸出的電壓信號以及其反相信號輪流切換輸出至低通濾波器，所述低通濾波器將輸入信號進行低通濾波后輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于:所述電壓加載單元(7)包括直流升壓模塊(71)、第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(72)、第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(73)、第一反相器(74)、第二反相器(75)和第三反相器(76)，所述第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(72)的輸入端分別與直流升壓模塊(71)的正極、調(diào)制模塊￠)的輸出端、高頻載波發(fā)生器(I)的驅(qū)動載波輸出端相連，所述第一RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(72)的輸出端與微機械陀螺的驅(qū)動電極正極相連，所述第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(73)的輸入端分別與直流升壓模塊(71)的負極相連、通過第一反相器(74)與調(diào)制模塊￠)的輸出端相連、通過第二反相器75與高頻載波發(fā)生器⑴的驅(qū)動載波輸出端相連，所述第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(73)的輸出端與微機械陀螺的驅(qū)動電極負極相連；所述高頻載波發(fā)生器(I)的檢測載波輸出端與微機械陀螺的檢測電極正極相連，且高頻載波發(fā)生器(I)的檢測載波輸出端通過第三反相器(76)與微機械陀螺的檢測電極負極相連；所述高頻載波發(fā)生器(I)在將檢測載波信號輸入微機械陀螺的檢測電極正極、將檢測載波信號通過第三反相器(76)輸入微機械陀螺的檢測電極負極時，所述第一 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(72)將調(diào)制模塊(6)輸出的閉環(huán)控制信號和高頻載波發(fā)生器(I)輸出的驅(qū)動載波信號、直流升壓模塊(71)的正極輸出的正極性偏置電壓三者疊加加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極正極，同時第二 RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊(73)將第一反相器(74)輸出的反相后的閉環(huán)控制信號、第二反相器(75)輸出的反相后的驅(qū)動載波信號、直流升壓模塊(71)的負極輸出的負極性偏置電壓三者通過RC耦合網(wǎng)絡(luò)模塊疊加加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極負極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于微機械陀螺的信號檢測裝置，其特征在于:所述二次解調(diào)電路(82)包括90°移相器(821)、過零比較器(822)、反向器(823)、開關(guān)解調(diào)芯片(824)、低通濾波器(825)，所述開關(guān)解調(diào)芯片(824)的控制端依次通過過零比較器(822)、90°移相器(821)與驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)輸出端相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片(824)的一個輸入端直接與一次解調(diào)電路(81)相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片(824)的另一個輸入端通過反向器(823)與一次解調(diào)電路(81)相連，所述開關(guān)解調(diào)芯片(824)的輸出端通過低通濾波器(825)與濾波放大電路(83)相連；所述90°移相器(821)將驅(qū)動信號解調(diào)模塊(3)的輸出信號進行90度移相使其相位與檢測信號保持一致，所述過零比較器(822)將90°移相器(821)移相后的信號轉(zhuǎn)換為標準方波時鐘信號輸出至開關(guān)解調(diào)芯片(824)的控制端；所述反向器(823)將一次解調(diào)電路(81)輸出的待解調(diào)信號進行反相，所述開關(guān)解調(diào)芯片(824)將反向器(823)輸出的反相后的待解調(diào)信號和一次解調(diào)電路(81)輸出的原始待解調(diào)信號在過零比較器(822)輸出的標準方波時鐘信號控制下，切換兩個輸入引腳的連通關(guān)系將待解調(diào)信號完成二次解調(diào)并依次經(jīng)過濾波放大電路(83)進行濾波放大、調(diào)零電路(84)進行電位調(diào)零后 輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微機械陀螺的信號檢測方法及裝置，方法實施步驟如下1)將原始輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓并解調(diào)得到驅(qū)動信號；2)獲取驅(qū)動信號幅值，并轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號作為驅(qū)動激勵信號，根據(jù)驅(qū)動激勵信號將驅(qū)動信號幅值經(jīng)開關(guān)調(diào)制得到閉環(huán)控制信號；3)將閉環(huán)控制信號與直流偏置電壓、驅(qū)動載波信號一起加載到微機械陀螺的驅(qū)動電極，同時將微機械陀螺的原始輸出信號進行一次解調(diào)、二次解調(diào)、濾波放大、調(diào)零后輸出。裝置包括高頻載波發(fā)生器、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動信號解調(diào)模塊、驅(qū)動信號幅值控制單元、驅(qū)動激勵信號生成單元、調(diào)制模塊、電壓加載單元、信號輸出單元。本發(fā)明具有檢測精度高、功耗低、電源接口簡單、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。
文檔編號G01C19/5776GK103162681SQ20131008801
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者吳學(xué)忠, 肖定邦, 陳志華, 胡小平, 侯占強, 蘇劍彬, 劉學(xué), 張旭 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)