CN114593723B - 石英音叉陀螺电路及陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石英音叉陀螺电路及陀螺仪，所述石英音叉陀螺电路包括：驱动子电路、检测子电路和开关子电路；所述开关子电路分别与所述驱动子电路和所述检测子电路连接；所述开关子电路用于产生控制所述驱动子电路和所述检测子电路分时工作的控制信号；驱动子电路和检测子电路分时工作。本发明提供的石英音叉陀螺电路及陀螺仪，通过开关子电路将驱动信号和检测信号在时间空间上隔离，从而消除驱动电压信号对拾取电极的静电耦合。驱动信号加载的周期内不进行检测信号的拾取，检测的周期内不加载驱动信号，从时间上彻底错开了驱动和检测之间的静电耦合，能够将静电耦合误差彻底消除。

Description

石英音叉陀螺电路及陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种石英音叉陀螺电路及陀螺仪。

背景技术

陀螺是一种惯性敏感器件，用于测量物体相对于惯性空间转动角速度的敏感装置。微机械传感器具有体积小、重量轻、功耗低、易集成、抗过载能力强及可批量生产等特点。石英音叉陀螺是微机械陀螺的一种。

现有的陀螺电路主要包括：振动部(即角速度敏感元件)、检测电路、时序信号输出电路(解调信号生成电路)、驱动电路。振动监控信号来自振动部，该信号经过低通滤波器、比较器和第一移相器后产生用于同步检测的时序信号。即该部分电路生成解调信号。驱动电路包括第二移相器和振幅调整器，输出驱动信号。检测电路用于对微弱检测信号进行放大检测，电路主要包括同步检测器和滤波器。同步检测器需要来自同步信号输出电路生成的解调信号进行同步检测。解调信号是一个与驱动信号或检测信号周期相等，相位相等的方波。

现有技术中的方案，检测电路中对敏感电极的信号进行解调时都用到了一个与检测信号同频同相的时序信号，且该信号与驱动信号也同频同相。解调的同时，驱动信号工作在驱动电极上，由驱动信号跟检测信号前放输入端之间的寄生电容引起的静电耦合误差，会随着驱动信号、寄生电容的变化而变化，影响陀螺的噪声和零偏稳定性。

发明内容

本发明提供一种石英音叉陀螺电路及陀螺仪，用以解决现有技术中陀螺的噪声大的技术问题。

本发明提供一种石英音叉陀螺电路，包括：

驱动子电路、检测子电路和开关子电路；

所述开关子电路分别与所述驱动子电路和所述检测子电路连接；

所述开关子电路用于产生控制所述驱动子电路和所述检测子电路分时工作的控制信号；

所述驱动子电路和所述检测子电路分时工作。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述开关子电路为分频子电路。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述分频子电路的输入信号为所述驱动子电路产生的驱动方波。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述控制信号为所述分频子电路对所述驱动方波进行二分频后得到的开关信号。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述分频子电路为D触发器。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述驱动子电路包括第一多路选择器；

所述开关子电路的输出端与所述第一多路选择器的数据选择端。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述检测子电路包括第二多路选择器；

所述开关子电路的输出端与所述第二多路选择器的数据选择端。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，还包括：峰值检测子电路；

所述峰值检测子电路与所述驱动子电路连接；

所述峰值检测子电路用于控制石英音叉起振。

根据本发明提供的一种石英音叉陀螺电路，所述峰值检测子电路由峰值检测器和比较器构成。

本发明还提供一种陀螺仪，包括以上任一项所述的石英音叉陀螺电路。

本发明提供的石英音叉陀螺电路及陀螺仪，通过开关子电路将驱动信号和检测信号在时间空间上隔离，从而消除驱动电压信号对拾取电极的静电耦合。驱动信号加载的周期内不进行检测信号的拾取，检测的周期内不加载驱动信号，从时间上彻底错开了驱动和检测之间的静电耦合，能够将静电耦合误差彻底消除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的石英音叉陀螺电路的结构示意图；

图2是本发明提供的石英音叉陀螺电路的信号时序图；

图3是本发明提供的开关子电路的结构示意图；

图4是本发明提供的检测子电路分时控制电路的结构示意图；

图5是本发明提供的峰值检测子电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的石英音叉陀螺电路的结构示意图，如图1所示，石英音叉陀螺电路包括驱动子电路、检测子电路和开关子电路三部分。D为石英音叉驱动叉指，S为石英音叉敏感叉指。

驱动子电路的作用为产生使驱动端叉指稳定振动的驱动信号，该驱动信号具有恒频恒幅的特点，且谐振频率与石英音叉驱动端叉指的谐振频率一致。

音叉驱动端叉指电极输出的电信号经过放大电路后，再经过比较器及自动增益控制(AGC)电路后生成方波，该方波频率与音叉驱动叉指的谐振频率一致，且幅值受AGC电路控制。

AGC电路具有自动调节增益的功能，输入信号在很大范围内变化时，通过控制放大器的增益，使输出信号的幅值保持稳定。

本发明中使用该方波作为加到音叉驱动端叉指并使之振动的驱动信号。也可以使用外部电路生成驱动信号。

检测子电路的作用是将石英音叉检测端产生的与角速度相关的微弱电信号收集并放大，然后经过同步检测信号解调后，再经过低通滤波电路产生对应角速度量的直流电压信号。

开关子电路的作用是产生用于控制驱动子电路分时工作和检测子电路分时工作的控制信号，驱动子电路和检测子电路分时工作。该控制信号为驱动子电路产生的驱动方波经过分频电路二分频后得到的开关信号，分频电路可通过D触发器实现。

在电路工作时，为了实现在时间上对驱动叉指施加电激励和对检测叉指的电信号的检测、解调进行隔离，分别采用开关信号的高电平和低电平控制驱动子电路施加激励和检测子电路采集解调。

当开关信号为高电平(或低电平)时，驱动子电路中驱动方波信号与驱动叉指接通，驱动叉指被正常驱动工作，此时，检测子电路中地被接通到解调电路中，即不解调角速度信号。

开关信号为低电平(或高电平)时，驱动子电路中地被接通到驱动叉指上，虽然没有驱动信号，但是驱动叉指由于惯性仍然能保持原来的振动，此时，检测电极的信号被接通到后续的放大电路和解调电路，解调并经低通滤波后得到角速度电压信号。由于角速度信号解调时，驱动电极未施加驱动信号，因而避免了由驱动电极引入的静电耦合。

开关子电路的作用是产生控制驱动子电路和检测子电路分时工作的控制信号，驱动子电路和检测子电路分时工作。输入信号为驱动方波，经过分频器产生二分频信号。将二分频后的信号分别作为控制驱动子电路工作和检测子电路工作的开关信号。

图2是本发明提供的石英音叉陀螺电路的信号时序图，陀螺电路工作时，各信号时序如图2所示，时序图中信号与电路框图中信号对应。

方波QD0由驱动子电路生成，其频率与表芯驱动叉指谐振频率一致，幅值受AGC电路调节并保持稳定。开关信号switch由方波QD0经过分频器二分频得到。开关信号switch被分别连接到驱动子电路和检测子电路的多路选择器上，作为控制信号。

陀螺驱动子电路中，switch连接到驱动子电路的多路选择器的控制信号，输入信号分别为驱动方波QD0和地信号。陀螺检测子电路中，switch连接到检测子电路的多路选择器的控制信号，输入信号分别为检测信号JC和地信号。

陀螺电路工作时，为了将驱动和检测在时间空间隔开，设计电路为以下工作方式：

当switch为高电平(或低电平)时，驱动子电路中多路选择器输出驱动方波QD0，此时检测子电路中多路选择器输出地信号，检测信号无法进入后续的解调电路，从而检测信号携带的由驱动电极静电耦合得到的误差信号也无法进入解调电路。

当switch为低电平(或高电平)时，驱动子电路中多路选择器输出地信号，虽然此时没有驱动方波对音叉驱动端进行加电驱动，但由于惯性，驱动音叉依旧保持原来的振动，此时检测端多路选择器输出检测信号JC，JC进入后续的解调电路解调后经过低通滤波电路得到与角速度信号对应的直流电压信号。

为实现音叉起振，增加驱动峰值检测子电路，刚上电时，驱动子电路不分时驱动，当检测到驱动幅值超过设定值时，产生控制信号，驱动子电路分时驱动，从而保证起振。

静电耦合主要由驱动信号(包含电极、引线以及PCB布线)跟检测信号前级放大器之间的寄生电容引起，会随着驱动信号、寄生电容的变化而变化，影响陀螺的噪声和零偏稳定性。本发明的陀螺电路目的是要从时间上对静电耦合误差进行隔离，从而彻底消除静电耦合误差。

基于上述实施例，开关子电路为分频子电路。在电路中增加一个分频器，并由分频器产生的信号作为控制驱动子电路分时工作和控制检测子电路分时工作的控制信号，驱动子电路和检测子电路分时工作。

分频器的输入为驱动子电路产生的驱动方波。输出的信号为驱动方波二分频后的信号。二分频后的信号作为驱动方波施加驱动力和检测信号采集解调的控制信号。本发明中驱动方波施加驱动力的有效开关电平为该二分频信号的高电平，检测子电路采集、解调的有效开关电平为该二分频信号的低电平。

在驱动子电路中，上述控制信号通过一个开关连接到驱动音叉的电极。上述控制信号的高电平，开关选通驱动方波与音叉驱动端电极连接，音叉受到驱动信号的施力作用。上述信号的低电平，开关选通地信号与音叉驱动端电极连接，音叉不受驱动信号的施力作用。但在惯性力的作用下，驱动端音叉仍保持原来的振动。实际施加到驱动端音叉上的驱动信号如图2中的QD1所示。

在检测子电路中，同样的上述控制信号通过一个开关连接检测信号JC和地信号。为了在时间上对驱动信号和检测信号进行隔离，检测子电路开关的有效电平选择二分频信号的低电平。上述控制信号为高电平时，开关接通地信号，此时检测信号不能进入后续解调电路，此时，虽然驱动子电路中方波信号被选中施加到驱动音叉上，且通过静电耦合作用到检测信号上，但由于检测信号未能进入后续解调电路，因此，检测子电路输出的角速度信号不含静电耦合误差。上述控制信号为低电平时，开关接通检测信号JC，JC通过开关后进入后续的放大电路及解调电路，得到如图2所示的解调信号SS，最后经过低通滤波电路得到一个与输入角速度信号成比例的直流电压信号。

开关子电路产生可以在时间上对驱动子电路和检测子电路隔离控制的控制信号。本发明利用驱动子电路产生的驱动方波，经过一个分频电路二分频产生。分别由该二分频信号的高、低电平作为控制驱动音叉驱动和检测信号解调的控制信号。

为进一步实现在时间上隔离驱动端对检测信号引入的静电耦合，在上述二分频信号产生的基础上，在驱动子电路和检测子电路中各增加一个控制开关，实现分时驱动、分时检测。

增加驱动峰值检测子电路，刚上电时，驱动子电路不分时，当检测到驱动幅值超过设定值时，产生控制信号，驱动子电路分时，从而保证起振。

图3是本发明提供的开关子电路的结构示意图，如图3所示，分频子电路为D触发器。

QD0信号经过D触发器后得到二分频信号作为驱动子电路和检测子电路分时工作的开关信号。

在本发明中，由图3所示的开关子电路产生的开关信号作为分时控制信号，switch信号为QD0二分频后的信号。

图4是本发明提供的检测子电路分时控制电路的结构示意图，如图4所示，驱动子电路分时控制电路和检测子电路分时控制电路可由图4所示的两通道模拟开关实现。工作时序见表1所示。

表1驱动子电路和检测子电路工作时序

switch	X通道	Y通道	驱动子电路工作状态	检测子电路工作状态
					0	地	JC	无效	有效
1	QD0	地	有效	无效

图5是本发明提供的峰值检测子电路的结构示意图，如图5所示，峰值检测子电路的位置见图2所示。峰值检测子电路由峰值检测器和比较器组成。当检测驱动方波幅值不符合起振幅值时，驱动方波不经过开关分时施加到驱动端音叉，而是直接施加到驱动端音叉、而当检测到幅值符合起振幅值时，驱动方波经过开关分时施加到驱动端音叉。这样处理，保证了音叉能够起振。

石英音叉陀螺的主要误差来自机械耦合误差和静电耦合误差。驱动电极与敏感检测电极之间不可避免的存在寄生电容Cp，Cp在0.1pF左右，驱动信号通过寄生电容耦合到检测电极前放，该部分耦合称为静电耦合。由于机械耦合可以利用质量修调技术降低，检测前放输出以静电耦合为主，等效角速度在1°/s量级。理想情况下，陀螺仪静止时角速度应为0°/s。

驱动信号产生温度漂移：在驱动子电路中，要维持驱动振动位移(或速度不变)，就需要调整驱动信号幅值，因此驱动信号幅值总是会改变的，驱动信号改变最直接的原因是驱动模态品质因数的改变，在-40℃～+80℃的温度范围，品质因数的变化量可达到20％甚至更大，相应地驱动信号的变化量也会达到20％，因此驱动信号的温度系数为0.167％/℃，则静电耦合的温度系数也为0.167％/℃，相当于6°/h/℃。

如果消除驱动信号产生的静电耦合，则由静电耦合引入导致的零位漂移及由于温度的影响引起的零位噪声都将消除。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种石英音叉陀螺电路，其特征在于，包括：

驱动子电路、检测子电路和开关子电路；

所述开关子电路分别与所述驱动子电路和所述检测子电路连接；

所述开关子电路用于产生控制所述驱动子电路和所述检测子电路分时工作的控制信号；所述开关子电路为分频子电路；所述分频子电路的输入信号为所述驱动子电路产生的驱动方波；所述控制信号为所述分频子电路对所述驱动方波进行二分频后得到的开关信号；分别采用开关信号的高电平和低电平控制驱动子电路施加激励和检测子电路采集解调；

所述驱动子电路和所述检测子电路分时工作。

2.根据权利要求1所述的石英音叉陀螺电路，其特征在于，所述分频子电路为D触发器。

3.根据权利要求1所述的石英音叉陀螺电路，其特征在于，所述驱动子电路包括第一多路选择器；

所述开关子电路的输出端与所述第一多路选择器的数据选择端。

4.根据权利要求1所述的石英音叉陀螺电路，其特征在于，所述检测子电路包括第二多路选择器；

所述开关子电路的输出端与所述第二多路选择器的数据选择端。

5.根据权利要求1-4任一项所述的石英音叉陀螺电路，其特征在于，还包括：峰值检测子电路；

所述峰值检测子电路与所述驱动子电路连接；

所述峰值检测子电路用于控制石英音叉起振。

6.根据权利要求5所述的石英音叉陀螺电路，其特征在于，所述峰值检测子电路由峰值检测器和比较器构成。

7.一种陀螺仪，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的石英音叉陀螺电路。