一種基于fpga的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置制造方法
【專利摘要】一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，包括集成了微型加熱器和溫度傳感器的微陀螺、接口電路和FPGA處理電路，通過相互連接形成溫控回路、驅(qū)動(dòng)控制回路和檢測(cè)控制回路，利用了微陀螺內(nèi)部集成的溫度傳感器和微型加熱器實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀芯片級(jí)溫控溫補(bǔ)，具有靈敏度高、重復(fù)性好、慣性小、溫度信息可信度高、功耗小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)；基于FPGA的數(shù)字溫控溫補(bǔ)平臺(tái)，減少了模擬電路本身溫度漂移的影響，同時(shí)數(shù)字化平臺(tái)參數(shù)調(diào)整靈活，功能強(qiáng)大，可以靈活實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的溫控溫補(bǔ)算法，有利于系統(tǒng)性能優(yōu)化。
【專利說明】—種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅微陀螺儀溫控領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]硅微陀螺儀采用微機(jī)械加工技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路制造工藝，器件體積小、功耗低、可靠性高，易于數(shù)字化和智能化，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。硅微陀螺儀使用環(huán)境復(fù)雜，其性能易受環(huán)境溫度變化影響。隨著硅微陀螺儀精度的不斷提高，其溫度誤差已經(jīng)顯得越來越突出。因此，校正硅微陀螺儀的溫度誤差對(duì)于提高硅微陀螺儀性能有著很重要的意義。
[0003]現(xiàn)有針對(duì)硅微陀螺儀溫度誤差的補(bǔ)償和校正方法較多，目前常用的有三種：第一種是通過改進(jìn)硅微陀螺儀的結(jié)構(gòu)來消除或抑制溫度誤差，但其結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，成本較高，僅能消除少部分溫度誤差。第二種方法是通過硬件電路或軟件算法進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償，但是布置在微陀螺周圍的溫度傳感器僅能近似反應(yīng)微陀螺周圍溫度特性，溫度誤差較大，直接影響補(bǔ)償效果。第三種方法是采用一定的硬件措施盡量使MEMS陀螺儀的工作環(huán)境溫度恒定，如熱屏蔽、溫控等，常規(guī)溫控一般將整個(gè)陀螺儀作為溫控對(duì)象，升溫速度慢，功耗大，慣性大，溫控精度有限，溫度均勻性差，且一般溫控器件與MEMS工藝不兼容，不利于微陀螺小型化和集成化。
[0004]以上三種常規(guī)溫度誤差補(bǔ)償和校正方法都有自身的缺陷，很難達(dá)到較好的效果。針對(duì)這一問題進(jìn)行研究，成為了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，該裝置在現(xiàn)有集成了微型加熱器和溫度傳感器的微陀螺基礎(chǔ)上，采用FPGA平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀的芯片級(jí)溫控溫補(bǔ)電路，解決了現(xiàn)有技術(shù)的問題。
[0006]技術(shù)方案：一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，包括集成了微型加熱器和溫度傳感器的微陀螺、一組A/D采樣電路、一組驅(qū)動(dòng)接口電路、一組接口放大電路和一組D/A轉(zhuǎn)換電路；
[0007]所述微陀螺包括檢測(cè)諧振器、驅(qū)動(dòng)諧振器、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極、驅(qū)動(dòng)電極和敏感電極；設(shè)置有兩個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；其中，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電容，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極構(gòu)成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，檢測(cè)諧振器與敏感電極構(gòu)成敏感電容；
[0008]其特征在于，包括FPGA處理電路，該電路包括三個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；微陀螺的三個(gè)輸出端分別是溫度傳感器、檢測(cè)諧振器和驅(qū)動(dòng)諧振器的輸出端，這三個(gè)輸出端分別通過接口放大電路之后,經(jīng)過A/D采樣電路接入FPGA處理電路的三個(gè)輸入端；
[0009]FPGA處理電路包括濾波模塊、比較模塊、PI控制模塊、標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊、幅度控制模塊、頻率控制模塊、調(diào)制控制模塊、檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊；[0010]微陀螺和FPGA處理電路的連接分別構(gòu)成三組回路:溫控回路、驅(qū)動(dòng)控制回路和檢測(cè)控制回路；
[0011]溫控回路為溫度傳感器用于測(cè)量溫度信息，溫度信號(hào)經(jīng)過放大和A/D采樣后接入濾波模塊，濾波模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的濾波，濾波模塊的輸出端與比較模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度與測(cè)量溫度的比較，比較模塊的輸出端與PI控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)校正控制，PI控制模塊的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)接口電路接入微型加熱器的輸入端，微型加熱器實(shí)現(xiàn)加熱；同時(shí)，濾波模塊的輸出端分別與標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸入端連接，為該兩個(gè)模塊提供溫度信息； [0012]驅(qū)動(dòng)控制回路為驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極與接口放大電路和A/D采樣電路連接之后輸入FPGA處理電路，分為兩路，一路接入頻率控制模塊后，進(jìn)入頻率控制模塊，實(shí)現(xiàn)頻率控制和相位跟蹤；另一路進(jìn)入標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償控制；標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊輸出端和頻率控制模塊的一個(gè)輸出端接入幅度控制模塊，實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)和控制；幅度控制模塊的輸出端接入調(diào)制控制模塊，頻率控制模塊的另一個(gè)輸出端也接入調(diào)制控制t旲塊，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制控制；調(diào)制控制t旲塊的輸出〗而經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)接口電路與驅(qū)動(dòng)諧振器驅(qū)動(dòng)電極連接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制；
[0013]檢測(cè)控制回路為敏感檢測(cè)電容信號(hào)通過敏感電極經(jīng)過放大和A/D采樣后接入檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊，同時(shí)頻率控制模塊的一個(gè)輸出端也接入檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)放大、解調(diào)和濾波；檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的輸出端和濾波模塊的輸出端分別與零偏溫度補(bǔ)償模塊的兩個(gè)輸入端連接，實(shí)現(xiàn)零偏溫度補(bǔ)償；零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸出端與輸出信號(hào)端口 Vout連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出；
[0014]在驅(qū)動(dòng)控制回路中，所述標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊為受到溫度信息控制的可變?cè)鲆娣糯笃?；?dāng)溫度信息的溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)所述溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；
[0015]在檢測(cè)控制回路中，所述零偏溫度補(bǔ)償模塊為加法電路；當(dāng)所述溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，零偏溫度補(bǔ)償模塊的零偏溫度系數(shù)為正系數(shù)，零偏溫度補(bǔ)償模塊采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)所述溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，零偏溫度補(bǔ)償模塊的零偏溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)，零偏溫度補(bǔ)償模塊采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0016]述頻率控制模塊包括延時(shí)調(diào)整模塊、幅度飽和器、解調(diào)器、濾波器、PI控制器和壓控振蕩模塊；
[0017]延時(shí)調(diào)制模塊的輸入端作為頻率控制模塊的輸入端，接收驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容信號(hào)經(jīng)過放大和A/D采樣后的信號(hào)，延時(shí)調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整；延時(shí)調(diào)制模塊輸出端接入幅度飽和器，實(shí)現(xiàn)幅度信息隔離，將交流信號(hào)的頻率和相位信息接入解調(diào)器，同時(shí)壓控震蕩模塊的一個(gè)輸出端也接入解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)；解調(diào)器的輸出端與濾波器的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)相位信息濾波；濾波器的輸出端與PI控制器的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)相位校正控制；PI控制器的輸出端與壓控振蕩模塊的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)輸出交流信號(hào)的頻率和相位調(diào)整；壓控振蕩模塊兩個(gè)輸出端作為頻率控制模塊的輸出端分別輸入幅度控制模塊和調(diào)制控制模塊。
[0018]壓控振蕩模塊兩個(gè)輸出端的輸出信號(hào)相位差90ο。
[0019]溫度傳感器包括采用恒流源的敏感接口電路。采用恒流源的溫度傳感器敏感接口電路，線性度好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除了多余電阻溫度系數(shù)影響；輸出直接，便于后續(xù)對(duì)接口部分電阻殘余溫度系數(shù)進(jìn)行校正和補(bǔ)償。
[0020]有益效果：
[0021]I、利用微陀螺內(nèi)部集成的溫度傳感器和微型加熱器實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀芯片級(jí)溫控溫補(bǔ)靈敏度高、重復(fù)性好、慣性小、溫度信息可信度高、功耗小、控制精度高；
[0022]2、基于FPGA的數(shù)字溫控溫補(bǔ)平臺(tái)，減少了模擬電路本身溫度漂移的影響，同時(shí)數(shù)字化平臺(tái)參數(shù)調(diào)整靈活，功能強(qiáng)大，可以靈活實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的溫控溫補(bǔ)算法，有利于系統(tǒng)性能優(yōu)化；
[0023]3、在驅(qū)動(dòng)控制回路里，通過溫度控制的可變?cè)鲆嫜a(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)速度恒定控制，來完成標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償，具有補(bǔ)償直接，線性度小，同時(shí)可以部分消除由于驅(qū)動(dòng)速度溫度漂移導(dǎo)致零偏溫度漂移；
[0024]4、采用恒流源的溫度傳感器敏感接口電路，線性度好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除了多余電阻溫度系數(shù)影響；輸出直接，便于后續(xù)對(duì)接口部分電阻殘余溫度系數(shù)進(jìn)行校正和補(bǔ)償。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為驅(qū)動(dòng)控制回路結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖3為檢測(cè)控制回路結(jié)構(gòu)示意圖
[0028]圖4為集成微型加熱器驅(qū)動(dòng)接口電路示意圖
[0029]圖5為集成溫度傳感器敏感接口放大電路示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0031]如圖I所示，結(jié)合圖1，一種基于FPGA的硅微陀螺I儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，包括集成了微型加熱器和溫度傳感器的微陀螺I、一組A/D采樣電路、一組驅(qū)動(dòng)接口電路、一組接口放大電路和一組D/A轉(zhuǎn)換電路；利用微陀螺內(nèi)部集成的溫度傳感器和微型加熱器實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀芯片級(jí)溫控溫補(bǔ)，具有靈敏度高、重復(fù)性好、慣性小、溫度信息可信度高、功耗小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)基于FPGA的數(shù)字溫控溫補(bǔ)平臺(tái)，減少了模擬電路本身溫度漂移的影響，同時(shí)數(shù)字化平臺(tái)參數(shù)調(diào)整靈活，功能強(qiáng)大，可以靈活實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的溫控溫補(bǔ)算法，有利于系統(tǒng)性能優(yōu)化。
[0032]微陀螺I包括檢測(cè)諧振器、驅(qū)動(dòng)諧振器、微型加熱器、溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極C、驅(qū)動(dòng)電極D和敏感電極S ;設(shè)置有兩個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；其中，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)電極D構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電容，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極C構(gòu)成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，檢測(cè)諧振器與敏感電極S構(gòu)成敏感電容。
[0033]用于控制的是FPGA處理電路2，該電路包括三個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；微陀螺I的三個(gè)輸出端分別是溫度傳感器、檢測(cè)諧振器和驅(qū)動(dòng)諧振器的輸出端，這三個(gè)輸出端分別通過接口放大電路之后,經(jīng)過A/D采樣電路接入FPGA處理電路2的三個(gè)輸入端；
[0034]FPGA處理電路2包括濾波模塊、比較模塊、PI控制模塊、標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊、幅度控制模塊、頻率控制模塊、調(diào)制控制模塊、檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊；
[0035]微陀螺I和FPGA處理電路2的連接分別構(gòu)成三組回路：溫控回路、驅(qū)動(dòng)控制回路和檢測(cè)控制回路；
[0036]在芯片級(jí)的溫控回路里，集成溫度傳感器與溫度接口放大電路的輸入端連接用于測(cè)量溫度信息，溫度接口放大電路的輸出端與A/D采樣電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D采樣電路的輸出端與溫度信號(hào)濾波模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的濾波，溫度信號(hào)濾波模塊的輸出端與比較模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度與測(cè)量溫度的比較，同時(shí)溫度信號(hào)濾波模塊的輸出端分別與標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸入端連接為標(biāo)度因數(shù)和零偏補(bǔ)償提供溫度信息，比較模塊的輸出端與PI控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)校正控制，PI控制模塊的輸出端與D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與溫度驅(qū)動(dòng)接口電路的輸入端連接，溫度驅(qū)動(dòng)接口電路的輸出端與集成微型加熱器連接實(shí)現(xiàn)加熱。其中溫度信號(hào)濾波模塊、比較模塊和PI控制模塊在FPGA處理電路2內(nèi)通過硬件電路描述語言編程實(shí)現(xiàn)。
[0037]在驅(qū)動(dòng)控制回路里，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極C與驅(qū)動(dòng)接口放大電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)接口放大電路的輸出端與A/D采樣電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D采樣電路的輸出端和溫度信號(hào)濾波模塊的輸出端分別與標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償控制，A/D采樣電路的輸出端同時(shí)與頻率控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)頻率控制和相位跟蹤，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊的輸出端和頻率控制模塊的輸出端B分別與幅度控制模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)和控制，同時(shí)相位控制模塊的輸出端A與檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的一個(gè)輸入端連接，相位控制模塊的輸出端A與幅度控制模塊的輸出端分別與調(diào)制控制模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制控制，調(diào)制控制模塊的輸出端與D/A轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)接口電路的輸入端連接，驅(qū)動(dòng)接口電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電極D連接實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。其中，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊、幅度控制模塊、頻率控制模塊和調(diào)制控制模塊在FPGA處理電路2內(nèi)通過硬件電路描述語言編程實(shí)現(xiàn)。
[0038]在檢測(cè)控制回路里，敏感檢測(cè)電容信號(hào)通過敏感電極S與敏感接口放大電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)敏感信號(hào)放大，敏感接口放大電路的輸出端與A/D采樣電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D采樣電路的輸出端和頻率控制模塊的輸出端A分別與檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)放大、解調(diào)和濾波，檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的輸出端和溫度信號(hào)濾波模塊的輸出端分別與零偏溫度補(bǔ)償模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)零偏溫度補(bǔ)償，零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸出端與輸出信號(hào)端口 Vout連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。其中檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊在FPGA處理電路2內(nèi)通過硬件電路描述語言編程實(shí)現(xiàn)。
[0039]結(jié)合圖2，在標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償電路里，A/D采樣電路的輸出端和溫度信息T分別與標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償控制，A/D采樣電路的輸出端同時(shí)與頻率控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)頻率控制和相位跟蹤。其中頻率控制模塊包括延時(shí)調(diào)整模塊，幅度飽和器，解調(diào)器，濾波器，PI控制器和壓控振蕩器DCO模塊，壓控振蕩器DCO模塊的兩個(gè)輸出端A和B相位相差90o。A/D采樣電路的輸出端與延時(shí)調(diào)整模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整，延時(shí)調(diào)整模塊的輸出端與幅度飽和器的輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度信息隔離，只保留交流信號(hào)的頻率和相位信息，幅度飽和器的輸出端和壓控振蕩器DCO模塊的輸出端分別與解調(diào)器的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)，解調(diào)器的輸出端與濾波器的輸入端連接實(shí)現(xiàn)相位信息濾波，濾波器的輸出端與PI控制器的輸入端連接實(shí)現(xiàn)相位校正控制，PI控制器的輸出端與壓控振蕩器DCO模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)輸出交流信號(hào)的頻率和相位調(diào)整。標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊的輸出端與幅度控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度控制，其中幅度控制模塊包括幅度解調(diào)模塊、濾波電路和幅度PI控制。標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊的輸出端與幅度解調(diào)模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度信息提取，標(biāo)度因數(shù)溫度補(bǔ)償模塊的輸出端與壓控振蕩器DCO模塊的輸出端B分別與幅度解調(diào)模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度信息提取，幅度解調(diào)模塊的輸出端與濾波電路的輸入端連接信息濾波，濾波電路的輸出端與幅度PI控制的輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度控制，幅度PI控制的輸出端與壓控振蕩器DCO模塊的輸出端A分別與調(diào)制控制模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。
[0040]標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化主要原因是由于結(jié)構(gòu)或電路的溫度系數(shù)導(dǎo)致硅微陀螺I儀的驅(qū)動(dòng)速度發(fā)生變化。在驅(qū)動(dòng)控制回路里，頻率和相位控制模塊與幅度控制模塊分別控制硅微陀螺I的驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)幅度，因此，可以在幅度控制回路里對(duì)結(jié)構(gòu)和電路的溫度系數(shù)補(bǔ)償。由于幅度控制模塊將幅度解調(diào)模塊的輸入電壓控制在某一恒定值，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊為受溫度信息T控制的可變?cè)鲆娣糯笃鳌．?dāng)結(jié)構(gòu)和電路的溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)的溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，同樣當(dāng)結(jié)構(gòu)和電路的溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)的溫度系數(shù)為正系數(shù)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0041]結(jié)合圖3，在零偏補(bǔ)償電路，A/D采樣電路的輸出端與檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)放大、解調(diào)和濾波，檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路敏感信號(hào)解調(diào)模塊和濾波器，A/D采樣電路的輸出端與信號(hào)放大電路的輸入端連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，信號(hào)放大電路的輸出端和壓控振蕩器DCO模塊的輸出端Vref分別與敏感信號(hào)解調(diào)模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)敏感信號(hào)解調(diào)，敏感信號(hào)解調(diào)模塊的輸出端與濾波器的輸入端相連實(shí)現(xiàn)解調(diào)后信號(hào)濾波，濾波器的輸出端和溫度信號(hào)濾波模塊的輸出端T分別與零偏溫度補(bǔ)償模塊的兩個(gè)輸入端連接實(shí)現(xiàn)零偏溫度補(bǔ)償，零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸出端與輸出信號(hào)端口 Vout連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。
[0042]零偏隨溫度變化主要原因是由于結(jié)構(gòu)或電路的溫度系數(shù)導(dǎo)致硅微陀螺I儀的敏感共模誤差發(fā)生變化。在檢測(cè)控制回路里，輸出信號(hào)Vout直接反應(yīng)零偏溫度變化，零偏溫度補(bǔ)償是一個(gè)加法電路，溫度信號(hào)T和濾波器輸出的零偏信號(hào)分別輸入加法電路實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)和電路的溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，零偏的溫度系數(shù)為正系數(shù)，零偏溫補(bǔ)模塊將采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，同樣當(dāng)結(jié)構(gòu)和電路的溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，零偏的溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)，零偏溫補(bǔ)模塊將采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0043]結(jié)合圖4，集成微型加熱驅(qū)動(dòng)接口電路主要將D/A輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成集成加熱器需要的控制電壓，D/A的輸出與電阻R4的一端連接，電阻R4另一端接運(yùn)算放大器U2的反向端，U2的同向端接地，電阻R5跨接在運(yùn)算放大器U2的反向端和輸出端，運(yùn)算放大器U2主要實(shí)現(xiàn)輸入電壓Input的符號(hào)轉(zhuǎn)換；電阻Rl —端接+5V偏置電壓，另一端接運(yùn)算放大器Ul的反向端，電阻R2 —端接地，另一端接運(yùn)算放大器Ul的同向端，電阻R3跨接在接運(yùn)算放大器Ul的同向端和輸出端，運(yùn)算放大器Ul主要產(chǎn)生偏置電壓用于補(bǔ)償運(yùn)算放大器U3輸入端的直流偏置；R6 —端接Ul的輸出端，另一端接運(yùn)算放大器U3的反向端，R7 一端接U2的輸出端，另一端接運(yùn)算放大器U3的反向端，電阻R8跨接在運(yùn)算放大器U3的反向端和輸出端，集成微型加熱電阻R9 —端接地，一端接運(yùn)算放大器U3的輸出端，運(yùn)算放大器U3主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成，產(chǎn)生合適的信號(hào)驅(qū)動(dòng)集成微型加熱電阻R9。
[0044]結(jié)合圖5，集成溫度傳感器敏感接口電路采用恒流源，優(yōu)點(diǎn)是線性度好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除了多余電阻溫度系數(shù)影響；輸出直接，便于后續(xù)對(duì)接口部分電阻殘余溫度系數(shù)進(jìn)行校正和補(bǔ)償。集成溫度傳感器敏感接口電路主要實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的信號(hào)提取和放大，恒流源Il的一端接地，另一端接儀表放大器U4的正向輸入端，為集成溫度傳感器R13轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)提供恒定的電流，集成溫度傳感器R13 —端接儀表放大器U4的正向輸入端,另一端接地，恒流源12的一端接地，另一端接儀表放大器U4的反向輸入端，電阻R12 —端接儀表放大器U4的反向輸入端,另一端與電阻R14 —端連接，電阻R14的另一端接地，電阻R15跨接在儀表放大器U4的3腳和4腳實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整。電阻R12和R14串聯(lián)支路是電阻R13的差動(dòng)補(bǔ)償支路，主要用來消除儀表放大器的共模輸出。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，包括集成了微型加熱器和溫度傳感器的微陀螺（I)、一組A/D采樣電路、一組驅(qū)動(dòng)接口電路、一組接口放大電路和一組D/A轉(zhuǎn)換電路； 所述微陀螺（I)包括檢測(cè)諧振器、驅(qū)動(dòng)諧振器、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極（C)、驅(qū)動(dòng)電極（D)和敏感電極（S);設(shè)置有兩個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；其中，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)電極（D)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電容，驅(qū)動(dòng)諧振器與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極（C)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，檢測(cè)諧振器與敏感電極（S)構(gòu)成敏感電容； 其特征在于，包括FPGA處理電路（2)，該電路包括三個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端；微陀螺(1)的三個(gè)輸出端分別是溫度傳感器、檢測(cè)諧振器和驅(qū)動(dòng)諧振器的輸出端，這三個(gè)輸出端分別通過接口放大電路之后,經(jīng)過A/D采樣電路接入FPGA處理電路（2 )的三個(gè)輸入端； FPGA處理電路（2)包括濾波模塊、比較模塊、PI控制模塊、標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊、幅度控制模塊、頻率控制模塊、調(diào)制控制模塊、檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊； 微陀螺（I)和FPGA處理電路（2)的連接分別構(gòu)成三組回路：溫控回路、驅(qū)動(dòng)控制回路和檢測(cè)控制回路； 溫控回路為溫度傳感器用于測(cè)量溫度信息，溫度信號(hào)經(jīng)過放大和A/D采樣后接入濾波模塊，濾波模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的濾波，濾波模塊的輸出端與比較模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度與測(cè)量溫度的比較，比較模塊的輸出端與PI控制模塊的輸入端連接實(shí)現(xiàn)校正控制，PI控制模塊的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)接口電路接入微型加熱器的輸入端，微型加熱器實(shí)現(xiàn)加熱；同時(shí)，濾波模塊的輸出端分別與標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊和零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸入端連接，為該兩個(gè)模塊提供溫度信息（T)； 驅(qū)動(dòng)控制回路為驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極（C)經(jīng)過放大和A/D采樣后接入FPGA處理電路（2)，分為兩路，一路接入頻率控制模塊后，進(jìn)入頻率控制模塊，實(shí)現(xiàn)頻率控制和相位跟蹤；另一路進(jìn)入標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償控制；標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊輸出端和頻率控制模塊的一個(gè)輸出端接入幅度控制模塊，實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)和控制；幅度控制模塊的輸出端接入調(diào)制控制模塊，頻率控制模塊的另一個(gè)輸出端也接入調(diào)制控制模塊，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制控制；調(diào)制控制模塊的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)接口電路與驅(qū)動(dòng)諧振器驅(qū)動(dòng)電極D連接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制； 檢測(cè)控制回路為敏感檢測(cè)電容信號(hào)通過敏感電極（S)經(jīng)過放大和A/D采樣后接入檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊，同時(shí)頻率控制模塊的一個(gè)輸出端也接入檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)放大、解調(diào)和濾波；檢測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊的輸出端和濾波模塊的輸出端分別與零偏溫度補(bǔ)償模塊的兩個(gè)輸入端連接，實(shí)現(xiàn)零偏溫度補(bǔ)償；零偏溫度補(bǔ)償模塊的輸出端與輸出信號(hào)端口Vout連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出； 在驅(qū)動(dòng)控制回路中，所述標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊為受到溫度信息（T)控制的可變?cè)鲆娣糯笃鳎划?dāng)溫度信息（T)的溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)所述溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，標(biāo)度因數(shù)溫補(bǔ)模塊將采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償； 在檢測(cè)控制回路中，所述零偏溫度補(bǔ)償模塊為加法電路；當(dāng)所述溫度系數(shù)為正系數(shù)時(shí)，零偏溫度補(bǔ)償模塊的零偏溫度系數(shù)為正系數(shù)，零偏溫度補(bǔ)償模塊采取負(fù)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)所述溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)時(shí)，零偏溫度補(bǔ)償模塊的零偏溫度系數(shù)為負(fù)系數(shù)，零偏溫度補(bǔ)償模塊采取正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，其特征在于:所述頻率控制模塊包括延時(shí)調(diào)整模塊、幅度飽和器、解調(diào)器、濾波器、PI控制器和壓控振蕩模塊； 延時(shí)調(diào)制模塊的輸入端作為頻率控制模塊的輸入端，接收驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容信號(hào)經(jīng)過接口放大和A/D采樣后的信號(hào)，延時(shí)調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整；延時(shí)調(diào)制模塊輸出端接入幅度飽和器，實(shí)現(xiàn)幅度信息隔離，將交流信號(hào)的頻率和相位信息接入解調(diào)器，同時(shí)壓控震蕩模塊的一個(gè)輸出端也接入解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)；解調(diào)器的輸出端與濾波器的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)相位信息濾波；濾波器的輸出端與PI控制器的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)相位校正控制；PI控制器的輸出端與壓控振蕩模塊的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)輸出交流信號(hào)的頻率和相位調(diào)整；壓控振蕩模塊兩個(gè)輸出端作為頻率控制模塊的輸出端分別輸入幅度控制模塊和調(diào)制控制模塊。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，其特征在于，所述壓控振蕩模塊兩個(gè)輸出端的輸出信號(hào)相位差90ο。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的硅微陀螺儀溫控溫補(bǔ)電路裝置，其特征在于，所述溫度傳感器包括敏感接口電路。`
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103776469SQ201410065841
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】楊波, 柳小軍, 戴波, 趙輝, 王行軍, 鄧允朋 申請(qǐng)人:東南大學(xué)