一種數(shù)字陀螺儀信號控制處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，涉及陀螺儀的信號處理和控制電路的軟硬件實現(xiàn)架 構(gòu)，特別是涉及振動式陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微陀螺儀是一種振動陀螺儀，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、抗惡劣環(huán)境、可批量 生產(chǎn)等優(yōu)點。目前的微加工工藝主要基于光刻的圖案傳遞和腐蝕技術(shù)，工藝相對誤差在10 3 量級或者更大，為了提高振動式微陀螺儀的精度，必須對微加工過程中的各種誤差進行補 償。
[0003] 根據(jù)振動式陀螺的敏感原理科里奧利效應(yīng)，角速度激發(fā)的檢測模態(tài)的振動跟驅(qū)動 模態(tài)的振動速度成正比。因此為了保證角速度輸出的穩(wěn)定性，目前的主流做法是用鎖相環(huán) 跟蹤驅(qū)動模態(tài)的諧振頻率變化，利用穩(wěn)幅控制環(huán)路來穩(wěn)定驅(qū)動環(huán)路的振幅的穩(wěn)定。
[0004] 為了保證陀螺儀驅(qū)動模態(tài)鎖相環(huán)的頻率跟蹤精度和穩(wěn)幅控制環(huán)路的幅度控制精 度，必須獲得精確的驅(qū)動諧振頻率和幅度信息。對于陀螺儀檢測模態(tài)的角速度信號和正交 信號的提取和陀螺儀驅(qū)動模態(tài)頻率信息和幅度信息的提取類似，現(xiàn)在有兩種常用方法：一 種是采用鎖相解調(diào)的方法來獲取幅度和相位信息，鎖相解調(diào)方案需要低通濾波器抑制帶外 噪聲，對濾波器的性能要求極高，這增加了對系統(tǒng)硬件資源的消耗；另一種常用的方法是自 適應(yīng)解調(diào)，但自適應(yīng)算法實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：發(fā)明了一種數(shù)字陀螺儀信號控制處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對 振動式陀螺儀信號的高效處理和控制，克服了現(xiàn)有陀螺儀處理電路采用鎖相解調(diào)技術(shù)對濾 波器參數(shù)要求過高的缺點，或者采用自適應(yīng)解調(diào)技術(shù)實施方案過于復(fù)雜的問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種數(shù)字陀螺儀信號控制處理系統(tǒng)，包括驅(qū)動模塊控制環(huán) 路Ll和檢測模態(tài)控制環(huán)路L2 ;
[0007] 驅(qū)動模塊控制環(huán)路Ll :第一電容電壓轉(zhuǎn)換模塊把振動式陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的振動 信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過第一抗混疊濾波模塊進行抗混疊濾波處理后傳送給第一 AD轉(zhuǎn)換 模塊；通過第一相關(guān)欠采樣模塊對第一 AD轉(zhuǎn)換模塊進行相關(guān)欠采樣處理獲得頻率偏移信 息和振動幅度信息；頻率跟蹤PI控制器將第一相關(guān)欠采樣模塊獲得的頻率偏移信息與頻 率參考進行比較，得到相應(yīng)的誤差信號，根據(jù)誤差信號的大小輸出相應(yīng)的頻率控制字給信 號發(fā)生器模塊，使得信號發(fā)生器模塊生成的陀螺儀驅(qū)動信號sinl跟蹤陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的 諧振頻率；信號發(fā)生器模塊生成陀螺儀驅(qū)動信號sinl、檢測模態(tài)調(diào)制正交基準信號sin2和 cos2 ;穩(wěn)幅PI控制器將第一相關(guān)欠采樣模塊獲得的幅度信息與幅度參考進行比較，得到相 應(yīng)的誤差信號，根據(jù)誤差信號的大小生成相應(yīng)的控制電壓給驅(qū)動幅度調(diào)制模塊；驅(qū)動幅度 調(diào)制模塊將調(diào)制后的驅(qū)動信號通過第一 DA轉(zhuǎn)換模塊輸出給驅(qū)動加力模塊；驅(qū)動加力模塊 把電壓信號施加在振動式陀螺儀的驅(qū)動電極上實現(xiàn)電信號到力信號的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對振 動式陀螺儀的驅(qū)動；
[0008] 檢測模態(tài)控制環(huán)路L2 :第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊將振動式陀螺儀的檢測模態(tài)振動 信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過第二抗混疊濾波模塊進行抗混疊濾波處理后傳給第二AD轉(zhuǎn)換模 塊；第二相關(guān)欠采樣模塊對第二AD轉(zhuǎn)換模塊進行相關(guān)欠采樣處理，獲得振動式陀螺儀的正 交誤差信息和角速度信息；第一環(huán)路補償模塊對角速度力平衡環(huán)路進行補償以滿足力平 衡閉環(huán)要求，輸出相關(guān)的控制信號到角速度加力調(diào)制模塊，所述的角速度力平衡環(huán)路包括： 第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、第二抗混疊濾波模塊、第二AD轉(zhuǎn)換模塊、第二相關(guān)欠采樣模塊、第 一環(huán)路補償模塊、信號發(fā)生模塊、角速度加力調(diào)制模塊、第二DA轉(zhuǎn)換模塊、檢測加力模塊和 振動式陀螺儀；信號發(fā)生模塊生成相互正交的角速度力平衡參考信號c〇s2和正交誤差力 平衡參考信號sin2 ;角速度加力調(diào)制模塊對信號發(fā)生模塊生成的角速度力平衡參考信號 c〇S2利用第一環(huán)路補償模塊輸出的控制信號進行調(diào)制，生成角速度力平衡信號；第二環(huán)路 補償模塊對正交誤差力平衡環(huán)路進行補償以滿足正交誤差閉環(huán)要求，輸出相關(guān)的控制信號 正交加力調(diào)制模塊，所述的正交誤差力平衡環(huán)路包括：第二電容電壓轉(zhuǎn)換模塊、第二抗混 疊濾波模塊、第二AD轉(zhuǎn)換模塊、第二相關(guān)欠采樣模塊、第二環(huán)路補償模塊、正交加力調(diào)制模 塊、第二DA轉(zhuǎn)換模塊、檢測加力模塊和振動式陀螺儀；正交加力調(diào)制模塊對信號發(fā)生模塊 生成的正交誤差力平衡參考信號sin2利用第二環(huán)路補償模塊輸出的控制信號進行調(diào)制， 生成正交誤差力平衡信號；合力模塊將正交誤差力平衡信號和角速度力平衡信號相加，傳 給第二DA轉(zhuǎn)換模塊；檢測加力模塊把第二DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出施加給振動式陀螺儀檢測模 態(tài)的相關(guān)加力電極，實現(xiàn)振動式陀螺儀檢測模態(tài)角速度和正交誤差的力平衡；
[0009] 所述的信號發(fā)生模塊包括第一相位累加器、第一單位延遲模塊、正交信號發(fā)生模 塊、第一移相模塊、第二移相模塊、分頻器、第二相位累加器、第二單位延遲模塊、第一時鐘 觸發(fā)模塊、第三相位累加器、第三單位延遲模塊、第二時鐘觸發(fā)模塊；
[0010] 第一相位累加器和第一單位延遲模塊組成的積分器對頻率跟蹤PI控制器的輸出 信號進行積分，生成相位控制字給正交信號發(fā)生模塊，正交信號發(fā)生模塊根據(jù)相位控制字 生成振動式陀螺儀的驅(qū)動信號，并通過第一移相模塊和第二移相模塊生成驅(qū)動力參考信號 sinl、角速度加力參考信號sin2、正交誤差加力參考信號cos2 ;
[0011] 分頻器、第二相位累加器、第二單位延遲模塊和組成了驅(qū)動采樣時鐘升頻模塊，經(jīng) 過第一時鐘觸發(fā)模塊用來產(chǎn)生第一相關(guān)欠米樣模塊所用的米樣時鐘clksl和clkcl ;偏置1 用來調(diào)整相關(guān)采樣時鐘clksl和clkcl相對于驅(qū)動振動信號的相位，以確保第一相關(guān)欠采 樣模塊的輸出精確反映振動式陀螺儀的驅(qū)動振動幅度信息和頻率偏移信息；
[0012] 分頻器、第三相位累加器、第三單位延遲模塊和組成了檢測采樣時鐘升頻模塊，經(jīng) 過第二時鐘觸發(fā)模塊用來產(chǎn)生第二相關(guān)欠采樣模塊所用的采樣時鐘Clks2和clkc2 ;偏置2 用來調(diào)整相關(guān)采樣時鐘clks2和clkc2相對于檢測振動信號的相位，以確保第二相關(guān)欠采 樣模塊的輸出精確反映振動式陀螺儀的角速度信息和正交誤差信息。
[0013] 所述的第一相關(guān)欠采樣模塊包括第一重抽取模塊、第一 CIC模塊、第二重抽取模 塊、第二CIC模塊；通過信號發(fā)生模塊中的第一時鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時鐘clksl和clkcl， 利用第一重抽取模塊和第二重抽取模塊對振動式陀螺儀振動信號進行重采樣，并通過第一 CIC模塊和第二CIC模塊提取振動式陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的頻率信息和幅度信息。
[0014] 所述的第二相關(guān)欠采樣模塊包括第三重抽取模塊、第三CIC模塊、第四重抽取模 塊、第四CIC模塊；通過信號發(fā)生模塊中的第二時鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時鐘clks2和clkc2， 利用第三重抽取模塊和第四重抽取模塊對振動式陀螺儀檢測模態(tài)振動信號進行重采樣，并 通過第三CIC模塊和第四CIC模塊提取振動式陀螺儀檢測模態(tài)的角速度信息和正交誤差信 息。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0016] 1)通過第一相關(guān)欠采樣模塊，通過信號發(fā)生模塊中的第一時鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時 鐘clksl和clkcl直接實現(xiàn)了對振動式陀螺儀振動信號的進行采樣并通過第一相關(guān)欠采樣 模塊中的第一 CIC模塊和第二CIC模塊提取振動式陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的頻率信息和幅度信 息。由于頻率信息和幅度信息由直接采樣并通過CIC濾波得到，CIC濾波可以通過移動累 加實現(xiàn)，避免使用乘法器，從而節(jié)省了大量硬件資源。
[0017] 2)通過信號發(fā)生模塊中的第二時鐘觸發(fā)模塊產(chǎn)生的時鐘clks2和clkc2直接實 現(xiàn)了對振動式陀螺儀檢測模態(tài)振動信號進行采樣并通過第二相關(guān)欠采樣模塊中的第三CIC 模塊和第四CIC模塊提取振動式陀螺儀檢測模態(tài)的角速度信息和正交誤差信息。避免了鎖 相解調(diào)和自適應(yīng)解調(diào)大量使用乘法器的缺點，節(jié)省了大量的硬件資源。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的振動式陀螺儀的信號控制處理系統(tǒng)的總體框圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的信號發(fā)生模塊的組成框圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的第一欠采樣模塊的組成框圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明的第二欠采樣模塊的組成框圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明的相關(guān)欠采樣工作原理示意圖；
[0023] 圖6為振動式陀螺的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 1.信號控制處理系統(tǒng)總體框架
[0025] 振動式陀螺的敏感機理基于科里奧利效應(yīng)。振動式MEMS陀螺機械敏感結(jié)構(gòu)部件 可看作一個二自由度的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)，如圖6所示。XYZ是建立在陀螺表頭上的 相對坐標系。微機械陀螺工作時，外加驅(qū)動力使得可動質(zhì)量塊沿X軸方向諧振，進入驅(qū)動振 動模態(tài)；當輸入一個垂直于平面（繞Z軸）的旋轉(zhuǎn)角速度時