CN103776469A - 一种基于fpga的硅微陀螺仪温控温补电路装置 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，包括集成了微型加热器和温度传感器的微陀螺、接口电路和FPGA处理电路，通过相互连接形成温控回路、驱动控制回路和检测控制回路，利用了微陀螺内部集成的温度传感器和微型加热器实现硅微陀螺仪芯片级温控温补，具有灵敏度高、重复性好、惯性小、温度信息可信度高、功耗小、控制精度高等优点；基于FPGA的数字温控温补平台，减少了模拟电路本身温度漂移的影响，同时数字化平台参数调整灵活，功能强大，可以灵活实现各种复杂的温控温补算法，有利于***性能优化。

Description

一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置

技术领域

本发明涉及硅微陀螺仪温控领域，具体涉及一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置。

背景技术

硅微陀螺仪采用微机械加工技术和半导体集成电路制造工艺，器件体积小、功耗低、可靠性高，易于数字化和智能化,在军事和民用领域获得了广泛应用。硅微陀螺仪使用环境复杂，其性能易受环境温度变化影响。随着硅微陀螺仪精度的不断提高，其温度误差已经显得越来越突出。因此，校正硅微陀螺仪的温度误差对于提高硅微陀螺仪性能有着很重要的意义。

现有针对硅微陀螺仪温度误差的补偿和校正方法较多，目前常用的有三种：第一种是通过改进硅微陀螺仪的结构来消除或抑制温度误差，但其结构和工艺复杂，成本较高，仅能消除少部分温度误差。第二种方法是通过硬件电路或软件算法进行温度误差补偿，但是布置在微陀螺周围的温度传感器仅能近似反应微陀螺周围温度特性，温度误差较大，直接影响补偿效果。第三种方法是采用一定的硬件措施尽量使MEMS陀螺仪的工作环境温度恒定，如热屏蔽、温控等，常规温控一般将整个陀螺仪作为温控对象，升温速度慢，功耗大，惯性大，温控精度有限，温度均匀性差，且一般温控器件与MEMS工艺不兼容，不利于微陀螺小型化和集成化。

以上三种常规温度误差补偿和校正方法都有自身的缺陷，很难达到较好的效果。针对这一问题进行研究，成为了现有技术的发展方向。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，该装置在现有集成了微型加热器和温度传感器的微陀螺基础上，采用FPGA平台来实现硅微陀螺仪的芯片级温控温补电路，解决了现有技术的问题。

技术方案：一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，包括集成了微型加热器和温度传感器的微陀螺、一组A/D采样电路、一组驱动接口电路、一组接口放大电路和一组D/A转换电路；

所述微陀螺包括检测谐振器、驱动谐振器、驱动检测电极、驱动电极和敏感电极；设置有两个输入端和三个输出端；其中，驱动谐振器与驱动电极构成驱动电容，驱动谐振器与驱动检测电极构成驱动检测电容，检测谐振器与敏感电极构成敏感电容；

其特征在于，包括FPGA处理电路，该电路包括三个输入端和三个输出端；微陀螺的三个输出端分别是温度传感器、检测谐振器和驱动谐振器的输出端，这三个输出端分别通过接口放大电路之后，经过A/D采样电路接入FPGA处理电路的三个输入端；

FPGA处理电路包括滤波模块、比较模块、PI控制模块、标度因数温补模块、幅度控制模块、频率控制模块、调制控制模块、检测信号调理模块和零偏温度补偿模块；

微陀螺和FPGA处理电路的连接分别构成三组回路：温控回路、驱动控制回路和检测控制回路；

温控回路为温度传感器用于测量温度信息，温度信号经过放大和A/D采样后接入滤波模块，滤波模块实现温度信号的滤波，滤波模块的输出端与比较模块的输入端连接实现设定温度与测量温度的比较，比较模块的输出端与PI控制模块的输入端连接实现校正控制，PI控制模块的输出端经D/A转换和驱动接口电路接入微型加热器的输入端，微型加热器实现加热；同时，滤波模块的输出端分别与标度因数温补模块和零偏温度补偿模块的输入端连接，为该两个模块提供温度信息；

驱动控制回路为驱动检测电容信号通过驱动检测电极与接口放大电路和A/D采样电路连接之后输入FPGA处理电路，分为两路，一路接入频率控制模块后，进入频率控制模块，实现频率控制和相位跟踪；另一路进入标度因数温补模块，实现标度因数补偿控制；标度因数温补模块输出端和频率控制模块的一个输出端接入幅度控制模块，实现幅度检测和控制；幅度控制模块的输出端接入调制控制模块，频率控制模块的另一个输出端也接入调制控制模块，实现幅度调制控制；调制控制模块的输出端经D/A转换和驱动接口电路与驱动谐振器驱动电极连接，实现闭环驱动控制；

检测控制回路为敏感检测电容信号通过敏感电极经过放大和A/D采样后接入检测信号调理模块，同时频率控制模块的一个输出端也接入检测信号调理模块，实现检测信号放大、解调和滤波；检测信号调理模块的输出端和滤波模块的输出端分别与零偏温度补偿模块的两个输入端连接，实现零偏温度补偿；零偏温度补偿模块的输出端与输出信号端口Vout连接实现信号输出；

在驱动控制回路中，所述标度因数温补模块为受到温度信息控制的可变增益放大器；当温度信息的温度系数为正系数时，标度因数温补模块将采取负系数进行补偿；当所述温度系数为负系数时，标度因数温补模块将采取正系数进行补偿；

在检测控制回路中，所述零偏温度补偿模块为加法电路；当所述温度系数为正系数时，零偏温度补偿模块的零偏温度系数为正系数，零偏温度补偿模块采取负系数进行补偿；当所述温度系数为负系数时，零偏温度补偿模块的零偏温度系数为负系数，零偏温度补偿模块采取正系数进行补偿。

述频率控制模块包括延时调整模块、幅度饱和器、解调器、滤波器、PI控制器和压控振荡模块；

延时调制模块的输入端作为频率控制模块的输入端，接收驱动检测电容信号经过放大和A/D采样后的信号，延时调制模块实现相位调整；延时调制模块输出端接入幅度饱和器，实现幅度信息隔离，将交流信号的频率和相位信息接入解调器，同时压控震荡模块的一个输出端也接入解调器，实现相位解调；解调器的输出端与滤波器的输入端连接，实现相位信息滤波；滤波器的输出端与PI控制器的输入端连接，实现相位校正控制；PI控制器的输出端与压控振荡模块的输入端连接，实现输出交流信号的频率和相位调整；压控振荡模块两个输出端作为频率控制模块的输出端分别输入幅度控制模块和调制控制模块。

压控振荡模块两个输出端的输出信号相位差90o。

温度传感器包括采用恒流源的敏感接口电路。采用恒流源的温度传感器敏感接口电路，线性度好，电路结构简单，消除了多余电阻温度系数影响；输出直接，便于后续对接口部分电阻残余温度系数进行校正和补偿。

有益效果：

1、利用微陀螺内部集成的温度传感器和微型加热器实现硅微陀螺仪芯片级温控温补灵敏度高、重复性好、惯性小、温度信息可信度高、功耗小、控制精度高；

2、基于FPGA的数字温控温补平台，减少了模拟电路本身温度漂移的影响，同时数字化平台参数调整灵活，功能强大，可以灵活实现各种复杂的温控温补算法，有利于***性能优化；

3、在驱动控制回路里，通过温度控制的可变增益补偿模块实现驱动速度恒定控制，来完成标度因数补偿，具有补偿直接，线性度小，同时可以部分消除由于驱动速度温度漂移导致零偏温度漂移；

4、采用恒流源的温度传感器敏感接口电路，线性度好，电路结构简单，消除了多余电阻温度系数影响；输出直接，便于后续对接口部分电阻残余温度系数进行校正和补偿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为驱动控制回路结构示意图

图3为检测控制回路结构示意图

图4为集成微型加热器驱动接口电路示意图

图5为集成温度传感器敏感接口放大电路示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，结合图1,一种基于FPGA的硅微陀螺1仪温控温补电路装置，包括集成了微型加热器和温度传感器的微陀螺1、一组A/D采样电路、一组驱动接口电路、一组接口放大电路和一组D/A转换电路；利用微陀螺内部集成的温度传感器和微型加热器实现硅微陀螺仪芯片级温控温补，具有灵敏度高、重复性好、惯性小、温度信息可信度高、功耗小、控制精度高等优点；同时基于FPGA的数字温控温补平台，减少了模拟电路本身温度漂移的影响，同时数字化平台参数调整灵活，功能强大，可以灵活实现各种复杂的温控温补算法，有利于***性能优化。

微陀螺1包括检测谐振器、驱动谐振器、微型加热器、温度传感器、驱动检测电极C、驱动电极D和敏感电极S；设置有两个输入端和三个输出端；其中，驱动谐振器与驱动电极D构成驱动电容，驱动谐振器与驱动检测电极C构成驱动检测电容，检测谐振器与敏感电极S构成敏感电容。

用于控制的是FPGA处理电路2，该电路包括三个输入端和三个输出端；微陀螺1的三个输出端分别是温度传感器、检测谐振器和驱动谐振器的输出端，这三个输出端分别通过接口放大电路之后，经过A/D采样电路接入FPGA处理电路2的三个输入端；

FPGA处理电路2包括滤波模块、比较模块、PI控制模块、标度因数温补模块、幅度控制模块、频率控制模块、调制控制模块、检测信号调理模块和零偏温度补偿模块；

微陀螺1和FPGA处理电路2的连接分别构成三组回路：温控回路、驱动控制回路和检测控制回路；

在芯片级的温控回路里，集成温度传感器与温度接口放大电路的输入端连接用于测量温度信息，温度接口放大电路的输出端与A/D采样电路的输入端连接实现模数转换，A/D采样电路的输出端与温度信号滤波模块的输入端连接实现温度信号的滤波，温度信号滤波模块的输出端与比较模块的输入端连接实现设定温度与测量温度的比较，同时温度信号滤波模块的输出端分别与标度因数温补模块和零偏温度补偿模块的输入端连接为标度因数和零偏补偿提供温度信息，比较模块的输出端与PI控制模块的输入端连接实现校正控制，PI控制模块的输出端与D/A转换模块的输入端连接实现数模转换，D/A转换模块的输出端与温度驱动接口电路的输入端连接，温度驱动接口电路的输出端与集成微型加热器连接实现加热。其中温度信号滤波模块、比较模块和PI控制模块在FPGA处理电路2内通过硬件电路描述语言编程实现。

在驱动控制回路里，驱动检测电容信号通过驱动检测电极C与驱动接口放大电路的输入端连接实现驱动检测信号放大，驱动接口放大电路的输出端与A/D采样电路的输入端连接实现模数转换，A/D采样电路的输出端和温度信号滤波模块的输出端分别与标度因数温补模块的两个输入端连接实现标度因数补偿控制，A/D采样电路的输出端同时与频率控制模块的输入端连接实现频率控制和相位跟踪，标度因数温补模块的输出端和频率控制模块的输出端B分别与幅度控制模块的两个输入端连接实现幅度检测和控制，同时相位控制模块的输出端A与检测信号调理模块的一个输入端连接，相位控制模块的输出端A与幅度控制模块的输出端分别与调制控制模块的两个输入端连接实现幅度调制控制，调制控制模块的输出端与D/A转换电路的输入端连接实现数模转换，D/A转换电路的输出端与驱动接口电路的输入端连接，驱动接口电路的输出端与驱动电极D连接实现闭环驱动控制。其中，标度因数温补模块、幅度控制模块、频率控制模块和调制控制模块在FPGA处理电路2内通过硬件电路描述语言编程实现。

在检测控制回路里，敏感检测电容信号通过敏感电极S与敏感接口放大电路的输入端连接实现敏感信号放大，敏感接口放大电路的输出端与A/D采样电路的输入端连接实现模数转换，A/D采样电路的输出端和频率控制模块的输出端A分别与检测信号调理模块的两个输入端连接实现检测信号放大、解调和滤波，检测信号调理模块的输出端和温度信号滤波模块的输出端分别与零偏温度补偿模块的两个输入端连接实现零偏温度补偿，零偏温度补偿模块的输出端与输出信号端口Vout连接实现信号输出。其中检测信号调理模块和零偏温度补偿模块在FPGA处理电路2内通过硬件电路描述语言编程实现。

结合图2，在标度因数补偿电路里，A/D采样电路的输出端和温度信息T分别与标度因数温补模块的两个输入端连接实现标度因数补偿控制，A/D采样电路的输出端同时与频率控制模块的输入端连接实现频率控制和相位跟踪。其中频率控制模块包括延时调整模块，幅度饱和器，解调器，滤波器，PI控制器和压控振荡器DCO模块，压控振荡器DCO模块的两个输出端A和B相位相差90o。A/D采样电路的输出端与延时调整模块的输入端连接实现相位调整，延时调整模块的输出端与幅度饱和器的输入端连接实现幅度信息隔离，只保留交流信号的频率和相位信息，幅度饱和器的输出端和压控振荡器DCO模块的输出端分别与解调器的两个输入端连接实现相位解调，解调器的输出端与滤波器的输入端连接实现相位信息滤波，滤波器的输出端与PI控制器的输入端连接实现相位校正控制，PI控制器的输出端与压控振荡器DCO模块的输入端连接实现输出交流信号的频率和相位调整。标度因数温补模块的输出端与幅度控制模块的输入端连接实现幅度控制，其中幅度控制模块包括幅度解调模块、滤波电路和幅度PI控制。标度因数温补模块的输出端与幅度解调模块的输入端连接实现幅度信息提取，标度因数温度补偿模块的输出端与压控振荡器DCO模块的输出端B分别与幅度解调模块的两个输入端连接实现幅度信息提取，幅度解调模块的输出端与滤波电路的输入端连接信息滤波，滤波电路的输出端与幅度PI控制的输入端连接实现幅度控制，幅度PI控制的输出端与压控振荡器DCO模块的输出端A分别与调制控制模块的两个输入端连接实现幅度调制。

标度因数随温度变化主要原因是由于结构或电路的温度系数导致硅微陀螺1仪的驱动速度发生变化。在驱动控制回路里，频率和相位控制模块与幅度控制模块分别控制硅微陀螺1的驱动频率和驱动幅度，因此，可以在幅度控制回路里对结构和电路的温度系数补偿。由于幅度控制模块将幅度解调模块的输入电压控制在某一恒定值，标度因数温补模块为受温度信息T控制的可变增益放大器。当结构和电路的温度系数为正系数时，标度因数的温度系数为负系数，标度因数温补模块将采取负系数进行补偿，同样当结构和电路的温度系数为负系数时，标度因数的温度系数为正系数，标度因数温补模块将采取正系数进行补偿。

结合图3，在零偏补偿电路，A/D采样电路的输出端与检测信号调理模块的输入端连接实现检测信号放大、解调和滤波，检测信号调理模块包括信号放大电路敏感信号解调模块和滤波器，A/D采样电路的输出端与信号放大电路的输入端连接实现信号放大，信号放大电路的输出端和压控振荡器DCO模块的输出端Vref分别与敏感信号解调模块的两个输入端连接实现敏感信号解调，敏感信号解调模块的输出端与滤波器的输入端相连实现解调后信号滤波，滤波器的输出端和温度信号滤波模块的输出端T分别与零偏温度补偿模块的两个输入端连接实现零偏温度补偿，零偏温度补偿模块的输出端与输出信号端口Vout连接实现信号输出。

零偏随温度变化主要原因是由于结构或电路的温度系数导致硅微陀螺1仪的敏感共模误差发生变化。在检测控制回路里，输出信号Vout直接反应零偏温度变化，零偏温度补偿是一个加法电路，温度信号T和滤波器输出的零偏信号分别输入加法电路实现加减运算，当结构和电路的温度系数为正系数时，零偏的温度系数为正系数，零偏温补模块将采取负系数进行补偿，同样当结构和电路的温度系数为负系数时，零偏的温度系数为负系数，零偏温补模块将采取正系数进行补偿。

结合图4，集成微型加热驱动接口电路主要将D/A输出信号转换成集成加热器需要的控制电压，D/A的输出与电阻R4的一端连接，电阻R4另一端接运算放大器U2的反向端，U2的同向端接地，电阻R5跨接在运算放大器U2的反向端和输出端，运算放大器U2主要实现输入电压Input的符号转换；电阻R1一端接+5V偏置电压，另一端接运算放大器U1的反向端，电阻R2一端接地，另一端接运算放大器U1的同向端，电阻R3跨接在接运算放大器U1的同向端和输出端，运算放大器U1主要产生偏置电压用于补偿运算放大器U3输入端的直流偏置；R6一端接U1的输出端，另一端接运算放大器U3的反向端，R7一端接U2的输出端，另一端接运算放大器U3的反向端，电阻R8跨接在运算放大器U3的反向端和输出端，集成微型加热电阻R9一端接地，一端接运算放大器U3的输出端，运算放大器U3主要是实现信号合成，产生合适的信号驱动集成微型加热电阻R9。

结合图5，集成温度传感器敏感接口电路采用恒流源，优点是线性度好，电路结构简单，消除了多余电阻温度系数影响；输出直接，便于后续对接口部分电阻残余温度系数进行校正和补偿。集成温度传感器敏感接口电路主要实现温度传感器的信号提取和放大，恒流源I1的一端接地，另一端接仪表放大器U4的正向输入端，为集成温度传感器R13转换成电压信号提供恒定的电流，集成温度传感器R13一端接仪表放大器U4的正向输入端，另一端接地，恒流源I2的一端接地，另一端接仪表放大器U4的反向输入端，电阻R12一端接仪表放大器U4的反向输入端，另一端与电阻R14一端连接，电阻R14的另一端接地，电阻R15跨接在仪表放大器U4的3脚和4脚实现增益调整。电阻R12和R14串联支路是电阻R13的差动补偿支路，主要用来消除仪表放大器的共模输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，包括集成了微型加热器和温度传感器的微陀螺（1）、一组A/D采样电路、一组驱动接口电路、一组接口放大电路和一组D/A转换电路；

所述微陀螺（1）包括检测谐振器、驱动谐振器、驱动检测电极（C）、驱动电极（D）和敏感电极（S）；设置有两个输入端和三个输出端；其中，驱动谐振器与驱动电极（D）构成驱动电容，驱动谐振器与驱动检测电极（C）构成驱动检测电容，检测谐振器与敏感电极（S）构成敏感电容；

其特征在于，包括FPGA处理电路（2），该电路包括三个输入端和三个输出端；微陀螺（1）的三个输出端分别是温度传感器、检测谐振器和驱动谐振器的输出端，这三个输出端分别通过接口放大电路之后，经过A/D采样电路接入FPGA处理电路（2）的三个输入端；

FPGA处理电路（2）包括滤波模块、比较模块、PI控制模块、标度因数温补模块、幅度控制模块、频率控制模块、调制控制模块、检测信号调理模块和零偏温度补偿模块；

微陀螺（1）和FPGA处理电路（2）的连接分别构成三组回路：温控回路、驱动控制回路和检测控制回路；

温控回路为温度传感器用于测量温度信息，温度信号经过放大和A/D采样后接入滤波模块，滤波模块实现温度信号的滤波，滤波模块的输出端与比较模块的输入端连接实现设定温度与测量温度的比较，比较模块的输出端与PI控制模块的输入端连接实现校正控制，PI控制模块的输出端经D/A转换和驱动接口电路接入微型加热器的输入端，微型加热器实现加热；同时，滤波模块的输出端分别与标度因数温补模块和零偏温度补偿模块的输入端连接，为该两个模块提供温度信息（T）；

驱动控制回路为驱动检测电容信号通过驱动检测电极（C）经过放大和A/D采样后接入FPGA处理电路（2），分为两路，一路接入频率控制模块后，进入频率控制模块，实现频率控制和相位跟踪；另一路进入标度因数温补模块，实现标度因数补偿控制；标度因数温补模块输出端和频率控制模块的一个输出端接入幅度控制模块，实现幅度检测和控制；幅度控制模块的输出端接入调制控制模块，频率控制模块的另一个输出端也接入调制控制模块，实现幅度调制控制；调制控制模块的输出端经D/A转换和驱动接口电路与驱动谐振器驱动电极D连接，实现闭环驱动控制；

检测控制回路为敏感检测电容信号通过敏感电极（S）经过放大和A/D采样后接入检测信号调理模块，同时频率控制模块的一个输出端也接入检测信号调理模块，实现检测信号放大、解调和滤波；检测信号调理模块的输出端和滤波模块的输出端分别与零偏温度补偿模块的两个输入端连接，实现零偏温度补偿；零偏温度补偿模块的输出端与输出信号端口Vout连接实现信号输出；

在驱动控制回路中，所述标度因数温补模块为受到温度信息（T）控制的可变增益放大器；当温度信息（T）的温度系数为正系数时，标度因数温补模块将采取负系数进行补偿；当所述温度系数为负系数时，标度因数温补模块将采取正系数进行补偿；

在检测控制回路中，所述零偏温度补偿模块为加法电路；当所述温度系数为正系数时，零偏温度补偿模块的零偏温度系数为正系数，零偏温度补偿模块采取负系数进行补偿；当所述温度系数为负系数时，零偏温度补偿模块的零偏温度系数为负系数，零偏温度补偿模块采取正系数进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，其特征在于：所述频率控制模块包括延时调整模块、幅度饱和器、解调器、滤波器、PI控制器和压控振荡模块；

延时调制模块的输入端作为频率控制模块的输入端，接收驱动检测电容信号经过接口放大和A/D采样后的信号，延时调制模块实现相位调整；延时调制模块输出端接入幅度饱和器，实现幅度信息隔离，将交流信号的频率和相位信息接入解调器，同时压控震荡模块的一个输出端也接入解调器，实现相位解调；解调器的输出端与滤波器的输入端连接，实现相位信息滤波；滤波器的输出端与PI控制器的输入端连接，实现相位校正控制；PI控制器的输出端与压控振荡模块的输入端连接，实现输出交流信号的频率和相位调整；压控振荡模块两个输出端作为频率控制模块的输出端分别输入幅度控制模块和调制控制模块。

3.如权利要求2所述的一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，其特征在于，所述压控振荡模块两个输出端的输出信号相位差90o。

4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的硅微陀螺仪温控温补电路装置，其特征在于，所述温度传感器包括敏感接口电路。

Images