CN109029409B - 一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置，该方法包括驱动信号产生、调谐信号产生、调谐信号放大、位移检测、幅度和相位提取五个步骤。该装置包括可调谐微机械陀螺、驱动信号产生电路、电容/电压转换电路、调谐信号放大电路、第一数/模转换器、模/数转换器、第二数/模转换器和现场可编程门阵列芯片。本发明利用了变面积式三角形电极实现调谐结构而不会引入软弹簧效应，利用现场可编程门阵列芯片产生根号形式的调谐电压信号，能够对直流调谐能力和参量放大能力进行分开设置。该方法可被应用于微机械陀螺的驱动模态或者检测模态，也可被应用于其他种类的微机械谐振器。

Description

一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置
技术领域
本发明涉及微机械陀螺，尤其涉及一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置。
背景技术
微机械陀螺具有体积小、功耗低、可批量生产等特点，在工业和民用领域有着广泛的应用前景。近几年来，微机械陀螺的性能指标不断提高，显示出了高精度应用的潜力，如惯性导航单元。
参量放大的原理是弹性系数的周期性变化，在特定参数下可以抵消一部分阻尼系数的作用，会导致器件的品质因数被放大，能提高器件的机械灵敏度。微机械陀螺又叫科氏振动陀螺，是基于两个振动模态的能量交换机制，即驱动模态和检测模态。对于微机械陀螺来说，参量放大可应用于驱动模态或检测模态，但只有当模态匹配时应用到检测模态才能提高灵敏度。
传统的可调谐微机械器件一般是基于梳齿变间距调谐结构，在应用参量放大的时候会引入软弹簧效应。本发明采用的三角形调谐电极，是一种线性调谐结构，不会在调谐过程中引入软弹簧效应，也不会因此限制器件的振动位移幅度。此外，传统的参量放大调谐信号的形式一般有三种：Vt＝Vaccos(ωt)、Vt＝Vdc+Vaccos(ωt)、Vt＝Vdc+Vaccos(2ωt)，这三种形式都无法直接通过调节参数Vdc和Vac将直流调谐能力和参量放大能力进行分开设置。本发明采用的这种根号形式的调谐信号，能够通过Adc调节直流调谐能力，Aac调节参量放大能力。比起其它的调谐信号形式，具有优越性。该方法可被应用于微机械陀螺驱动模态或者检测模态，也可被应用于其他种类的微机械谐振器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置。
本发明的技术方案如下：
所采用的调谐结构基于变面积式三角形电极，所采用的调谐信号是由现场可编程门阵列芯片产生的根号形式。
一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法的具体步骤如下：
1)驱动信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生交流驱动信号和载波信号，利用基准电压芯片产生直流驱动信号，通过驱动信号产生电路的运放芯片将交流驱动信号和直流驱动信号进行相加减产生两路驱动信号。两路驱动信号的形式为Vd＝Vd-DC±Vd-ACcos(ωt)，其中，Vd-DC为驱动直流分量，Vd-AC为驱动交流幅度，ω为驱动频率。驱动交流幅度和驱动频率由串口通信对现场可编程门阵列芯片中的参数进行实时调节得到，当驱动频率在一定的频率区间内以固定间隔递增时，即可进行扫频操作。将驱动信号输出到微机械陀螺的任一模态的驱动信号输入端，在微机械陀螺的驱动电极上会完成从驱动电信号到静电驱动力的转换。将载波信号输出到微机械陀螺的载波信号输入端。
2)调谐信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生了根号形式的调谐信号，输出到调谐信号放大模块。
3)调谐信号放大模块利用调谐信号放大电路对调谐信号进行进一步放大，输出至可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端来实现直流调谐或者参量放大，在微机械陀螺的调谐电极上会完成从调谐电信号到静电调谐力的转换。
4)位移检测模块利用电容/电压转换电路，将微机械陀螺的输出振动信号引起的电容变化转换为电压信号，并完成了载波调制，将得到的检测电压信号输入到幅度和相位提取模块。
5)幅度和相位提取模块将检测电容/电压模块得到的检测电压信号采样进现场可编程门阵列芯片，进行载波解调和正交解调，后利用坐标旋转数字计算方法的向量模式来完成幅度和相位提取。
进一步的，所述调谐信号产生模块产生的调谐信号的形式为
Figure GDA0002566915660000021
其中，Adc为调谐直流分量，Aac为调谐交流幅度，
Figure GDA0002566915660000022
为调谐相位。扫频模式用于参量放大效果的测试，当驱动信号为扫频模式时，ω在一定的频率区间内以固定间隔递增，此时调谐信号的频率须一直保持为2ω，通过幅度和相位提取模块，可绘制出参量放大前后的频率响应曲线，可以观察到明显的模态放大；工作模式用于角速度检测，当驱动信号为工作模式时，ω保持为驱动谐振频率，此时调谐信号的频率依然保持为2ω，可测试得到微机械陀螺在参量放大前后的灵敏度、角度随机游走、偏置不稳定性等性能变化。
本发明公开了一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法装置，包括可调谐微机械陀螺、驱动信号产生电路、调谐信号放大电路、电容/电压转换电路、第一数/模转换器、第二数/模转换器、模/数转换器、和现场可编程门阵列芯片。现场可编程门阵列芯片的第一输出端与第一数/模转换器的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第二输出端与第二数/模转换器的输入端连接。第一数/模转换器的输出端与驱动信号产生电路的输入端连接，驱动信号产生电路的输出端与可调谐微机械陀螺的驱动信号输入端连接。第二数/模转换器的输出端与调谐信号放大电路的输入端连接，调谐信号放大电路的输出端与可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端连接。调谐微机械陀螺的振动位移输出端与电容/电压转换电路的输入端连接，电容/电压转换电路的输出端与模/数转换器的输入端连接，模/数转换器的输出端与现场可编程门阵列芯片的输入端连接。
进一步的，所述可调谐微机械陀螺包括驱动端、反馈端、力平衡端、检测端和调谐端，调谐端是基于变面积三角形电极实现调谐功能的，变面积三角形电极由可动矩形电极与固定三角形构成，或者变面积三角形电极由可动三角形电极与固定矩形电极构成。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明的参量放大基于三角形变面积的调谐电极实现，不会引入软弹簧效应，不会因此限制可调谐栅结构微机械陀螺的工作位移。
2)本发明的参量放大基于一种新型的根号形式的调谐电压，可以对直流调谐能力和参量放大能力进行分开设置。
3)本发明的参量放大方法能有效的提高可调谐栅结构微机械陀螺的灵敏度、角度随机游走、偏置不稳定性等性能。
4)本发明的参量放大方法不仅能被应用于微机械陀螺的驱动模态或者检测模态，也可被应用于其他种类的微机械谐振器。
附图说明
图1是可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法的原理图。
图中，可调谐微机械陀螺1指的是驱动模态或检测模态设计了三角形调谐电极的微机械陀螺，位移检测模块2指的是利用电容/电压转换电路得到检测电压信号，幅度和相位信号提取模块3指的是利用坐标旋转数字计算方法的矢量模式来计算检测电压信号的幅度和相位。
图2是本发明中的驱动信号产生模块示意图。
图3是本发明中的调谐信号产生模块示意图。
图4是本发明中的驱动信号和调谐信号时序图。
图5是可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大装置的结构示意图。
图6是本发明中的微机械结构示意图。
图7是本发明的驱动信号产生电路图。
图8是本发明的调谐信号放大电路图。
图9是本发明的电容/电压转换电路图。
具体实施方式
如图1所示，可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法的步骤如下：
1)驱动信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生交流驱动信号和载波信号，利用基准电压芯片产生直流驱动信号，通过驱动信号产生电路的运放芯片将交流驱动信号和直流驱动信号进行相加减产生两路驱动信号。两路驱动信号的形式为Vd＝Vd-DC±Vd-ACcos(ωt)，其中，Vd-DC为驱动直流分量，Vd-AC为驱动交流幅度，ω为驱动频率。驱动交流幅度和驱动频率由串口通信对现场可编程门阵列芯片中的参数进行实时调节得到，当驱动频率在一定的频率区间内以固定间隔递增时，即可进行扫频操作。将驱动信号输出到微机械陀螺的任一模态的驱动信号输入端，在微机械陀螺的驱动电极上会完成从驱动电信号到静电驱动力的转换。将载波信号输出到微机械陀螺的载波信号输入端。
2)调谐信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生了根号形式的调谐信号，输出到调谐信号放大模块。
3)调谐信号放大模块利用调谐信号放大电路对调谐信号进行进一步放大，输出至可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端来实现直流调谐或者参量放大，在微机械陀螺的调谐电极上会完成从调谐电信号到静电调谐力的转换。
4)位移检测模块利用电容/电压转换电路，将微机械陀螺的输出振动信号引起的电容变化转换为电压信号，并完成了载波调制，将得到的检测电压信号输入到幅度和相位提取模块。
5)幅度和相位提取模块将检测电容/电压模块得到的检测电压信号采样进现场可编程门阵列芯片，进行载波解调和正交解调，后利用坐标旋转数字计算方法的向量模式来完成幅度和相位提取。
在本发明中，所述调谐信号产生模块产生的调谐信号的形式为
Figure GDA0002566915660000041
其中，Adc为调谐直流分量，Aac为调谐交流幅度，
Figure GDA0002566915660000042
为调谐相位。扫频模式用于参量放大效果的测试，当驱动信号为扫频模式时，ω在一定的频率区间内以固定间隔递增，此时调谐信号的频率须一直保持为2ω，通过幅度和相位提取模块，可绘制出参量放大前后的频率响应曲线，可以观察到明显的模态放大；工作模式用于角速度检测，当驱动信号为工作模式时，ω保持为驱动谐振频率，此时调谐信号的频率依然保持为2ω，可测试得到微机械陀螺在参量放大前后的灵敏度、角度随机游走、偏置不稳定性等性能变化。
在微机械陀螺的某一模态施加如上所示的调谐电压后，该模态的差分方程变为
Figure GDA0002566915660000051
其中等式右侧代表了双路驱动信号在陀螺驱动信号端所产生的驱动力，F0为驱动力幅度，ω为驱动频率，m、c、k分别为谐振器的可动质量块的等效质量、阻尼系数、弹性系数，KT表示调谐系数。根据标准扰动法可解得振动位移x的稳态解，及其一阶导数和二阶导数，再代回差分方程，那么振动位移x可通过三角函数变换被求解。尤其的，在谐振处，调谐后的谐振频率、谐振位移幅度、谐振位移相位分别如下所示：
Figure GDA0002566915660000052
Figure GDA0002566915660000053
Figure GDA0002566915660000054
通过以上的推导，通俗来说，调谐效应由调谐直流分量Adc决定，这与直流调谐的情况是一致的。而参量放大/缩小效应，只由调谐交流幅度Aac和调谐相位
Figure GDA0002566915660000055
决定。最大的谐振位移幅度在
Figure GDA0002566915660000056
达到，最小的谐振位移幅度在
Figure GDA0002566915660000057
达到，而在这两种情况下，谐振位移相位都为-π/2。因此本发明所述参量方法可以通过这种电压形式实现对直流调谐能力和参量放大能力分开调节。
如图2所示，所述驱动信号产生模块是将如步骤1)所述的驱动交流幅度和驱动频率在现场可编程门阵列芯片中通过坐标旋转数字计算方法产生交流驱动信号，再通过驱动信号产生电路的运放芯片将交流驱动信号和直流驱动信号进行相加减产生驱动信号。
如图3所示，所述调谐信号产生模块是将如步骤2)所述的交流分量幅度、交流分量相位和驱动频率在现场可编程门阵列芯片中通过坐标旋转数字计算方法产生交流调谐信号，继续在在现场可编程门阵列芯片中与直流调谐信号相加且开根号，得到调谐信号。
如图4所示，是驱动信号和调谐信号的时序图。所述驱动信号和所述调谐信号，在
Figure GDA0002566915660000061
的情况下会产生最明显的参量放大效应，在具体实施中，调谐相位被设为
Figure GDA0002566915660000062
调谐直流分量Adc可单独调节直流调谐能力，调谐交流幅度Aac可单独调节参量放大能力，Adc和Aac越大，直流调谐能力和参量放大能力就会分别越明显。图中，两路驱动信号为Vd＝Vd-DC±Vd-AC cos(ωt)，其中Vd-DC＝5V，Vd-AC＝2V，ω＝4000πrad/s。调谐信号为
Figure GDA0002566915660000063
其中Adc＝50V，Aac＝20V，
Figure GDA0002566915660000064
如图5所示，一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法装置包括可调谐微机械陀螺、驱动信号产生电路、调谐信号放大电路、电容/电压转换电路、第一数/模转换器、第二数/模转换器、模/数转换器、和现场可编程门阵列芯片。现场可编程门阵列芯片的第一输出端与第一数/模转换器的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第二输出端与第二数/模转换器的输入端连接。第一数/模转换器的输出端与驱动信号产生电路的输入端连接，驱动信号产生电路的输出端与可调谐微机械陀螺的驱动信号输入端连接。第二数/模转换器的输出端与调谐信号放大电路的输入端连接，调谐信号放大电路的输出端与可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端连接。调谐微机械陀螺的振动位移输出端与电容/电压转换电路的输入端连接，电容/电压转换电路的输出端与模/数转换器的输入端连接，模/数转换器的输出端与现场可编程门阵列芯片的输入端连接。
如图6所示，所述可调谐微机械陀螺是指驱动模态或检测模态设计了三角形调谐电极的微机械陀螺。在具体实施过程中，如果在驱动模态加了足够大的驱动信号依然没有达到极限振动位移，可以在驱动模态应用参量放大方法；若在驱动模态已经能够达到极限振动位移，可以在模态匹配陀螺的检测模态应用参量放大方法；因此需要根据实际情况选择在哪一个模态应用本发明。图中给出了检测模态可调谐的栅结构微机械陀螺结构，若在驱动模态应用参量放大方法，只需在驱动模态设计如图所示的三角形调谐电极。其中，驱动端和反馈端代表了驱动模态的驱动信号输入端和振动位移输出端，力平衡端和检测端代表了检测模态的驱动信号输入端和振动位移输出端，可以在两个模态中的其中一个模态应用参量放大方法。
如图7所示，所述的驱动信号产生电路为：交流驱动信号分别与第一电阻R1和第五电阻R5的一端连接，直流驱动信号分别与第二电阻R2和第七电阻R7的一端连接。第一电阻R1和第二电阻R2的另一端与第一运算放大器的负输入端连接，第四电阻R4的一端接地，第四电阻R4的另一端与第一运算放大器的正输入端连接。第七电阻R7的另一端与第一运算放大器的负输入端连接，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器的正输入端连接，第六电阻R6的一端接地，第六电阻R6的另一端与第二运算放大器的正输入端连接。第三电阻R3的一端与第一运算放大器的负输入端连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端输出的信号为第一路驱动信号。第八电阻R8的一端与第二运算放大器的负输入端连接，第八电阻R8的另一端与第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的输出端输出的信号为第二路驱动信号。两路驱动信号会连接到可调谐微机械陀螺的驱动信号输入端，用于驱动可调谐微机械陀螺产生振动位移。
如图8所示，所述的调谐信号放大电路为：调谐信号与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端与第三运算放大器的负输入端连接。第十一电阻R11的一端接地，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器的正输入端连接。第十电阻R10的一端与第三运算放大器的负输入端连接，第十电阻R10的另一端与第三运算放大器的输出端连接。第三运算放大器的输出端输出的信号为放大后的调谐信号。放大后的调谐信号会连接到可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端，用于应用直流调谐或者参量放大方法。
如图9所示，所述的电容/电压转换电路为：可调谐微机械陀螺的两组差分检测电容C1和C2的一端与载波信号连接，C1和C2的另一端分别与第一路检测电容信号和第二路检测电容信号连接，两路检测电容信号分别与第四运算放大器和第五运算放大器的负输入端连接。第十二电阻R12和第三电容C3并联，并联后的一端与第四运算放大器的负输入端连接，另一端与第四运算放大器的输出端连接。第十三电阻R13和第四电容C4并联，并联后的一端与第五运算放大器的负输入端连接，另一端与第五运算放大器的输出端连接。第四运算放大器和第五运算放大器的正输入端都接地，第四运算放大器和第五运算放大器的输出端分别为第一路检测电压信号和第二路检测电压信号。至此，通过第四运算放大器和第五运算放大器完成了从电容信号到电压信号的转换。第十四电阻R14的一端与第四运算放大器的输出端连接，第十四电阻R14的另一端与第六运算放大器的正输入端连接，第十五电阻R15的一端接地，第十五电阻R15的另一端也与第六运算放大器的正输入端连接。第十六电阻R16的一端与第五运算放大器的输出端连接，第十六电阻R16的另一端与第六运算放大器的负输入端连接，第十七电阻R17的一端与第六运算放大器的负输入端连接，第十七电阻R17的另一端与第六运算器的输出端连接。第六运算放大器的输出信号为检测电压信号。通过第六运算放大器实现了对第一路检测电压信号和第二路检测电压信号的差分相减，得到检测电压信号。

Claims (3)

1.一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法，其特征在于具体步骤如下：
1)驱动信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生交流驱动信号和载波信号，利用基准电压芯片产生直流驱动信号，通过驱动信号产生电路的运放芯片将交流驱动信号和直流驱动信号进行相加减产生两路驱动信号，两路驱动信号的形式为Vd＝Vd-DC±Vd-ACcos(ωt)，其中，Vd-DC为驱动直流分量，Vd-AC为驱动交流幅度，ω为驱动频率；驱动交流幅度和驱动频率由串口通信对现场可编程门阵列芯片中的参数进行实时调节得到，当驱动频率在一定的频率区间内以固定间隔递增时，进行扫频操作，将驱动信号输出到可调谐微机械陀螺的任一模态的驱动信号输入端，在可调谐微机械陀螺的驱动电极上会完成从驱动电信号到静电驱动力的转换，将载波信号输出到可调谐微机械陀螺的载波信号输入端；
2)调谐信号产生模块利用现场可编程门阵列芯片产生根号形式的调谐信号，输出到调谐信号放大模块；
所述调谐信号产生模块产生的调谐信号的形式为
Figure FDA0002566915650000011
其中，Adc为调谐直流分量，Aac为调谐交流幅度，
Figure FDA0002566915650000012
为调谐相位；扫频模式用于参量放大效果的测试，当驱动信号为扫频模式时，ω在一定的频率区间内以固定间隔递增，此时调谐信号的频率须一直保持为2ω，通过幅度和相位提取模块，可绘制出参量放大前后的频率响应曲线，可以观察到明显的模态放大；工作模式用于角速度检测，当驱动信号为工作模式时，ω保持为驱动谐振频率，此时调谐信号的频率依然保持为2ω，可测试得到微机械陀螺在参量放大前后的灵敏度、角度随机游走、偏置不稳定性变化；
3)调谐信号放大模块利用调谐信号放大电路对调谐信号进行进一步放大，输出至可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端来实现直流调谐或者参量放大，在微机械陀螺的调谐电极上会完成从调谐电信号到静电调谐力的转换；
4)位移检测模块利用电容/电压转换电路，将微机械陀螺的输出振动信号引起的电容变化转换为电压信号，并完成载波调制，将得到的检测电压信号输入到幅度和相位提取模块；
5)幅度和相位提取模块将位移检测模块得到的检测电压信号采样进现场可编程门阵列芯片，进行载波解调和正交解调，后利用坐标旋转数字计算方法的向量模式来完成幅度和相位提取。
2.一种实现权利要求1所述可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法的装置，其特征在于包括可调谐微机械陀螺、驱动信号产生电路、调谐信号放大电路、电容/电压转换电路、第一数/模转换器、第二数/模转换器、模/数转换器和现场可编程门阵列芯片，现场可编程门阵列芯片的第一输出端与第一数/模转换器的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第二输出端与第二数/模转换器的输入端连接，第一数/模转换器的输出端与驱动信号产生电路的输入端连接，驱动信号产生电路的输出端与可调谐微机械陀螺的驱动信号输入端连接，第二数/模转换器的输出端与调谐信号放大电路的输入端连接，调谐信号放大电路的输出端与可调谐微机械陀螺的调谐信号输入端连接，可调谐微机械陀螺的振动位移输出端与电容/电压转换电路的输入端连接，电容/电压转换电路的输出端与模/数转换器的输入端连接，模/数转换器的输出端与现场可编程门阵列芯片的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述可调谐微机械陀螺包括驱动端、反馈端、力平衡端、检测端和调谐端，调谐端是基于变面积三角形电极实现调谐功能的，变面积三角形电极由可动矩形电极与固定三角形构成，或者变面积三角形电极由可动三角形电极与固定矩形电极构成。
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