（信号与信息处理专业论文）电磁式微机械陀螺检测电路设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 微机械陀螺是硅加工工艺与机械制造相结合的产物，作为惯导系统组成部 分，微机械陀螺在军事和民用中得到广泛应用。精确测量是微机械陀螺研究的 目标，检测电路的性能优劣直接影响整体器件测量效果，因此本论文主要针对 电磁式微机械陀螺检测电路展开研究。通过对电磁激励动力学分析提出激励电 路设计方案，通过对噪声源分析提出检测电路的整体设计思路。本文重点分析 了电磁式振动环微机械陀螺同频干扰因素及消除方法，改进了检测电路带通滤 波模块，详细阐述测试转台的软硬件结构。上述研究成果对微机械陀螺的进一 步工作奠定了基础。 关键词：微机械陀螺，检测电路，同频干扰，测试转台 a b s t r a c t m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ei sam a i np a r to fi n sw h i c hc o m b i n e st h es i l i c o n p r o c e s sa n dm a c h i n em a n u f a c t u r i n g g y r o s c o p e sw e r ew i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r y a f f a i ra n dl i f e e x a c tm e a s u r e m e n ti st h ep u r p o s eo ft h eg y r o s c o p ed e s i g na n dt h e s e n s i t i v i t yi sa f f e c t e db yt h ed e t e c t i o nc i r c u i t b ya n a l y s i st h ed y n a m i c a le q u a t i o n s o ft h ee x c i t a t i o nm o d e ，e x c i t a t i o nc i r c u i tw a sp r o p o s e d ad e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do n t h e a n a l y s i so fn o i s es o u r c ew a si n t r o d u c e d i n t h i st h e s i s ，t h em e t h o df o r e l i m i n a t i n gt h es a m e - f r e q u e n c yn o i s ew a si n t r o d u c e d ，ab a n df i l t e ra n dat e s t p l a t f o r m w a s d e s i g n ，w h i c hp r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p e h a nl e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nf e n g - j i e k e yw o r d s ：m i e r o m a c h i n e dg y r o s c o p e ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，s a m e f r e q u e n c yn o i s e ， t e s tp l a t f o r m 华北电力大学硕士学位论文 摘要 微机械陀螺是硅加工工艺与机械制造相结合的产物，作为惯导系统组成部 分，微机械陀螺在军事和民用中得到广泛应用。精确测量是微机械陀螺研究的 目标，检测电路的性能优劣直接影响整体器件测量效果，因此本论文主要针对 电磁式微机械陀螺检测电路展开研究。通过对电磁激励动力学分析提出激励电 路设计方案，通过对噪声源分析提出检测电路的整体设计思路。本文重点分析 了电磁式振动环微机械陀螺同频干扰因素及消除方法，改进了检测电路带通滤 波模块，详细阐述测试转台的软硬件结构。上述研究成果对微机械陀螺的进一 步工作奠定了基础。 关键词：微机械陀螺，检测电路，同频干扰，测试转台 a b s t r a c t m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ei sam a i np a r to fi n sw h i c hc o m b i n e st h es i l i c o n p r o c e s sa n dm a c h i n em a n u f a c t u r i n g g y r o s c o p e sw e r ew i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r y a f f a i ra n dl i f e e x a c tm e a s u r e m e n ti st h ep u r p o s eo ft h eg y r o s c o p ed e s i g na n dt h e s e n s i t i v i t yi sa f f e c t e db yt h ed e t e c t i o nc i r c u i t b ya n a l y s i st h ed y n a m i c a le q u a t i o n s o ft h ee x c i t a t i o nm o d e ，e x c i t a t i o nc i r c u i tw a sp r o p o s e d ad e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do n t h e a n a l y s i so fn o i s es o u r c ew a si n t r o d u c e d i n t h i st h e s i s ，t h em e t h o df o r e l i m i n a t i n gt h es a m e - f r e q u e n c yn o i s ew a si n t r o d u c e d ，ab a n df i l t e ra n dat e s t p l a t f o r m w a s d e s i g n ，w h i c hp r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p e h a nl e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nf e n g - j i e k e yw o r d s ：m i e r o m a c h i n e dg y r o s c o p e ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，s a m e f r e q u e n c yn o i s e ， t e s tp l a t f o r m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电磁式微机械陀螺检测电路设计， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 ，f吵 学位论文作者签名：殛名复日期：丕箜星：墨=学位论文作者签名：j 塑么丛日期：丕箜x ：兰= 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，e p 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝 日 期：坦显：三 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 陀螺是用于测量物体相对惯性空间转动的角速度或角度的装置，用来确定载体 方位或导航，在许多领域有极为重要的应用。陀螺应用在惯导系统中：与加速度计 组合用来确定物体的方位。陀螺测量物体角速度，对时间积分后就得到物体转过的 角度，从而确定现在的方向。应用于平台稳定：舰船中的测量设备，数码相机，天 文望远镜等工作时需要稳定在指定的方向，其中根据要求稳定性的不同，需要不同 精度陀螺。此外陀螺仪还应用于汽车驾驶，g p s 定位，机器人【1 】等诸多领域。随着 自动控制技术的进步，陀螺这种角速度传感器将具有越来越广泛的应用。 现在使用的陀螺大多是传统意义上的陀螺，使用精密的金属制造工艺，体积大 价格昂贵，应用场合受到很大限制。微机械陀螺是硅加工工艺与机械制造相结合的 产物，比拟传统陀螺具有以下四大优势： 1 体积小，质量轻，功耗低：通常一个微机械陀螺器件的体积与常见集成电路 体积相仿。例如，一个日本生产的微机械陀螺器件，连同激励、检测电路， 金属壳真空封装，总体积仅1 5 c m 3 ，用于汽车导航及相机防抖，这是传统机 械陀螺体积上不可比拟的。 2 集成化：采用m e m s ( 微电子机械系统) 工艺，可以把不同功能、不同敏感 方向的多个传感器或执行器集中于一体，形成复杂的微系统。多传感器融合， i c 电路的融合可以使微机械陀螺具有更多功能，更高可靠性。 3 批量化生产，成本低：使用硅加工工艺，在同一硅片上可同时制造成百上千 个器件。降低了成本，有利于实现产品规模经济发展。 4 多样化的应用领域：如上所述微小的体积，低廉的价格使陀螺的应用更广泛。 微机械陀螺产品与其原形一样在汽车、航天、医疗、环境监测、自动控制等 领域广泛应用。 正因为微机械陀螺的诸多优势与广泛的应用前景，各国竟相展开对微机械陀螺 的研制开发。1 9 8 8 年美国d r a p e r 实验室将哥氏( c o r i o l i s ) 力测量角速度原理与m e m s 工艺相结合制造出第一个微机械陀螺试验品【2 】。日本、德国也在政府的支持下，分 别从9 0 年代开始计划为期l o 年的国家级研究计划【3 捌。一时间各种结构微机械陀螺 孕育而出，根据其性能不同，目前的微陀螺可以分为三类：角速度级，战术级和惯 性级r 卜9 】，性能总结如下： 华北电力大学硕士学位论文 表1 1三类陀螺应用性能比较 参数角速度级应用 战术级应用惯性级应用 角速度随机行走( o 压) 0 50 5 0 0 5 o 0 0 l 漂移( o h ) 1 0 一1 0 0 00 1 1 0 4 0 0 抗过载0 ) 1 0 31 0 3 1 0 4 1 0 3 带宽( h z ) 7 0 1 0 01 0 0 可以看出微机械陀螺的性能要求从角速度应用级到惯性应用级逐渐升高，我国 微机械陀螺研制较发达国家起步稍晚，正处于战术级性能陀螺研究阶段。课题研究 内容电磁式振动环微机械陀螺正是我国自行研制的战术级应用微陀螺之一。检 测电路是微陀螺器件的主要组成部分，它的精度和抗干扰能力直接影响微机械陀螺 整体性能。因此，通过对微机械陀螺广泛调研和理论研究，设计出一套高精度、低 噪声的检测电路对电磁式环状微机械陀螺具有重要意义，也是对我国战术级微陀螺 研究的有力贡献。 1 2 微机械陀螺研究现状 国内外对微机械陀螺研究已有近2 0 年历史，从原始的实验器件【lo j 到现在成熟的 市场商品，微陀螺结构与精度都在不断改进。目前主流的微机械陀螺从结构上分可 以分为三类：音叉式陀螺，梳状陀螺，振动环微机械陀螺。 1 音叉式陀螺 音叉式陀螺【1 1 d 3 】常用的制作材料是石英晶体，如图1 1 所示，音叉式陀螺结构 成h 型。器件激励振动和检测振动的检测通过压电效应体现，激励振动沿音叉平面 方向，当音叉转动时，哥氏力引起垂直于音叉平面的振动。由于两叉上的哥氏力方 向相反，因此两叉的运动是反相的，故利用两叉上输出信号差分检测可消除陀螺的 寄生效应。这种音叉式陀螺的优势在于结构简单，但是石英材料加工困难，且激励 和检测线路间的杂散电容耦合问题严重【l 引。 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 1 s y s t r o no o m l e r 公司设计的石英音叉结构图示 2 梳状微机械陀螺 梳状陀螺【l 孓1 7 】由d r a p e r 实验室1 9 9 3 年研制出。结构如图1 2 ，彼此交错的梳齿 形成一对对电容器，采用静电激励。这种结构比音叉式陀螺仅有一对极板检测的结 构具有更高的精度，且通过在极板间加静电修正电容可以实现激励、检测模态的频 率匹配，进一步提高陀螺精度。但是，由图可以看出这样的结构非常复杂，要求非 常高的工艺水平，且这种结构激励和检测振型对称性差模态匹配困难。 图l - 2 梳齿式陀螺结构图示 3 华北电力大学硕士学位论文 3 振动环微机械陀螺 19 9 4 年，美国m i c h i g a n 大学于首次报道了一种振动环微机械陀螺【1 8 】。其敏感结 构是一个挠性环，环由8 根梁支撑，通过中心的锚点与基座相连。此振动环陀螺为 静电激励环外分布有电极与环上的电极形成一个个电容器，一部分电极通过加静电 力使环振动。当有垂直于环面的角速度时，由于哥氏力作用环的振动模态发生变化， 另一部分电极用以检测敏感信号。振动环陀螺激励、检测同样由多对电极完成，但 是结构较梳状大为简化，且圆环本身是对称结构有利于激励、检测模态频率匹配， 是目前比较先进的结构之一。 图l 一3m i c h i g a n 大学振动环型微机械陀螺结构图 音叉式、梳状、振动环型微机械陀螺是目前主流的三种微机械陀螺的结构，每 种陀螺仍在不断改进，其中音叉式陀螺已经发展成熟并出现在市场上。振动环型陀 螺出现时间最晚但以其结构对称性好，精度高的特点受到广泛重视。振动环式陀螺 按激励方式分又可以为静电激励和电磁激励两种。本文研究的电磁激励方式的振动 环微陀螺结构与图1 3 相似，但激励力为洛伦兹力，检测方式也与静电有所不同， 下文详细介绍。 1 3电磁式振动环微陀螺特点及检测方式 1 3 1电磁式振动环陀螺结构 电磁式振动环微机械陀螺敏感角速度的结构为硅材质振动环，如图1 4 ，振动环 由8 根挠性梁支撑，梁的另一端连接陀螺基座。支撑梁和两根梁之间的环上含导电 通道，如图1 5 示，支撑梁的导电通道连接至基座的锚点，与外接电路相连。经过 两根梁和两梁之间1 8 环中的导电通道组成一个电路回路，整个结构共8 个导电通 道，且这8 个导电通道结构完全对称，4 个用于激励4 个用于检测。 电磁式振动环陀螺与静电激励结构不同在电磁式支撑梁在环外，环中间留作放 置永磁体( 如图1 6 ) ，永磁体和铁质磁轭形成闭合磁通路，仅在下方留有气隙放置 4 华北电力大学硕士学位论文 振动环。这样通过振动环面的磁场非常接近于匀强磁场。在匀强磁场下，有电流通 过陀螺上的导电通道时，洛伦兹力使振动环发生形变，周期性电流使环周期性振动。 i 基l 。 含有 l 座i ，r 导电 匀 通道 的支 强 。 撑梁 磁 场 a 匕 一z 一i 振 一 i感应 动 ! 卜 电流 环 。 l 输出 i 图1 4 电磁式环状陀螺示意图( 俯视) 图1 5 振动环及梁上导电通道示意图 ( 振动环位置) 图1 6 磁场结构图( 侧视) 5 甲 1 - 3 2 电磁式振动环微机械陀螺激励检测方式 的二篆翟0 0 主竺! ：。窑皇竺二对导电通道中加适当电流，使环同时受到向内、向外 竺洛竺耋妻二竺孚竺堇鍪兰李翌图卜7 左图，这个振动模态森菇运毒嘉荔磊未三萎 耋二霎堂篓耄为要雯乏竺耋鲁竺苎前提条件。当陀螺载体有主二；主羞孬_ 言 盖嘉萎窒苎。耋茎髓奎笋转移，环振型偏转4 5 。形茹嚣r 高? 群备， 篓篓萎耄曩茎兰! 三黧向竺芒电通道删磁慨产。茹蔷鼍动妄：茹二 电动势大小与角速度成正比，既是检测电路的检测对缓 “尥酣胜 激励模态 、 酥| | x 罗、 0 v 卜 一一吵 、 检测模态 赫昙蓑莲琶翟芝登苎械苎坚竺制在国内尚属次，作为陀螺主要组成部分：激 竺二竺测：竺兰黧苎兰二翌苎竺竺能直接影咖螺器件的灵敏主- 磊磊磊三鑫；茎 茎萎譬二茎芝竺竺銮氅雹壁曹陀螺器件，对蕴励1 - 4 、蛤i & ：l , 测电路设计也主二吴蒺蔷，司翥 羹激矍等竺鐾罂羔蛰果频率不稳定，将无法保莲赫茬著磊姜 塞二雪量曼霉耋竺警竺量苎譬；激励信号幅值不稳将造成假性；苫磊主羞磊；? 灭： 竺鬻，裳及凳冀竺三竺翌竺妻除噪声的憾振动环输苫葛基主墨豸雾墨主童集 喜：竺恐譬2 电三纂苎孽翌过来的共频干扰都完全有可能把荔嘉磊；主竺 有置警的检测电路，再优秀的陀螺工艺也无法应用于实际。“引日了1 吧汉汉 小涧兰毫怎篓苎黧声垄苎警式振动环微机械陀螺的检测电路设计，另外还包括一 个测试用转台的研制，章节安排如下： “川“巴帕 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章：介绍电磁式微机械陀螺检测数学理论，总结出角速度电压信号的构成 因素，从而推导出检测电路中提高检测灵敏度的措施。 第三章：结合理论推导，对检测信号进行噪声分析，设计微机械陀螺激励、检 测电路。提出电路设计方案，使用m u l t i s i m 电路仿真软件模拟电路性能，实际做p c b 电路板测试并对仿真和实验结果做出讨论。 第四章：测试用角速度转台的设计：设计转台具有3 0 0 。s 角速度范围线性可 调，精确到1 。s 转速精度，l c d 显示转速并具有实时校正转速功能。 第五章：文章工作总结及对未来展望。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章电磁式环状陀螺检测理论 陀螺依靠c o r i o l i s 效应检测角速度信号，对于陀螺检测电路设计而言，了解陀 螺器件工作原理并分析其输出信号的特性是非常必要的。本章中，首先简要说明 c o r i o l i s 效应原理，在此基础上建立振动环微机械陀螺激励和检测模态的动力学方 程，并以此分析陀螺输出信号特征及影响陀螺灵敏度的因素，作为激励、检测电路 设计的理论依据。 2 1陀螺检测的数学理论 c o r i o l i s 效应是陀螺检测角速度的数学理论基础，如图2 1 【2 1 ，2 2 1 ，非惯性参考系 b 相对惯性参考系a 以矢量r ( t ) ，角速度e ( t ) 运动。当一个质点相对非惯性系 b 以矢径w 。( t ) 运动时，质点在惯性参考系a 中测量的矢径( w a ( t 2 ) 一w a ( t 1 ) ) 对时间的微分与在非惯性系b 中的运动矢径( w b ( t 2 ) w b ( t 1 ) ) 对时间的微分不 同，这被称为c o r i o l i s 效应。 图2 - 1c o r i o l i s 加速度计算示意图 它们的关系由下式确定： 二 二二 一 只o ) = ( f ) + o ( f ) ( f ) 由上式，我们可以计算在非惯性参考系中运动质点的加速度： 元o ) = 尺o ) + 名( f ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 元o ) = 辰o ) + 毛( f ) + 西( f ) p b ( t ) 元= r + f b + o x 毛+ o x ( 6 ) + 西毛+ 园磊 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 所以，在非惯性系中的运动质点的加速度为： 厅= 么+ 厅口+ q 弓+ f 2 x ( q 名) + 2 q v n ( 2 1 5 ) 上式最后一项为c o r i o l i s 加速度： a c = 2 壶 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以看出，c o r i o l i s 加速度的方向与转动角速度方向和物体运动角 速度都垂直：测量角速度q ，可以通过测量c o r i o l i s 加速度玩和物体速度获得。 c o r i o l i s 加速度的理论( c o r i o l i s 效应) 是所有陀螺测量角速度的理论基础。 2 2电磁式振动环陀螺检测理论 当电磁式振动环陀螺载体具有角速度时，c o r i o l i s 效应使振动环的振动模态转 变：从激励模态转变为检测模态。假设垂直于环面的匀强磁场强度为曰，环上切割 磁感线部分导电通道长工，导电通道电阻r 。加激励电压= 匕s i n ( c o d f ) ，其中圪是 电压幅值，激励频率。则振动环受到的激励力尼，为： 只，= 口三j = b 三鱼= b l - v , s i n ( c o d t ) = es i n ( 纨f ) ( 2 2 1 ) “ 尺尺 。 激励力使振动环周期振动，为达到最好的振动效果，令激励力的频率等于陀螺激励 模态的固有频率，这样谐振下的振动模态就是陀螺工作过程中的第一个模态激励模 态。激励模态是检测模态形成的基础，下面首先对激励模态的振动模型进行分析。 2 2 1激励模态振动模型 激励模态振动方程可以等效近似成二阶振动系统【2 3 1 ，表示为： m xa u 啦, _ _ c - + 巳誓+ 屯略= 乃 ( 2 2 2 ) 出2 + 巳j 产+ t 略2 ，d 、厶z ， 式中，豫、q 、疋和蜥分别是激励模态振动的等效质量、等效阻尼、等效刚度 和位移，等式两边同时除以k 有： 去等+ 去鲁+ = 譬血( 嘞 ( 2 2 3 ) 屯出2 t 出。七r 4 吖 m tc i 将阻尼系数q = 2 彘- t ，l 。，吼= 也m ，代入( 2 2 3 ) 式并写成传递函数形 式： 孑1 。似卅2 台壶争耶) + y ( 沪乏州j ) ( 2 2 4 ) ，国，石。 由匕式计算激励模态的振幅： 9 华北电力大学硕士学位论文 相位 ”：削：墨 2 嘲2 芒。 口一肴 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 因此，激励模态位移表达式： 蚝= ”一s i n ( c o d t - a ) ( 2 2 7 ) 对( 2 2 7 ) 式求导得激励模态的振动速度表达式【1 8 】： f y = 二 _ t s i n ( t - a + 2 ) ( 2 2 8 ) 综上可知： l 、当激励信号频率等于激励模态振动固有频率时，激励模态振幅最大，即陀 螺工作在谐振状态。 2 、谐振时振动位移相位滞后激励信号o r ，口= 州4 ，振动速度相位超前激励信 号4 。 3 、谐振时，激励模态振动速度与激励力大小e 和纨成正比，与驱动模态弹性 系数t 阻尼文成反比。 2 2 2 检测模态振动数学模型 理想状态检测模态振动的动力学方程等效成二阶振动系统为： 。等w 鲁却y = c = 2 m x 删删 ( 2 2 9 ) 其中，班，c ，b 分别是检测模态等效运动质量，等效阻尼，等效弹性系数， 吟为振动位移，设角速度表达式f 2 ( t ) = r 。c o s ( o , , t ) ( d e g s ) ，通过求解： 甜，= 儿c o s ( o j d + t o r ) t 一戎】+ 卫c o s ( c o d 一颤a r ) t 一丸】 ( 2 2 1 0 ) 其中： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 y + 。 且= 丸一：y 阿, o ) y 1 一i 兰业f ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) ( 2 2 1 3 ) 丸：a r c t a n 当 旦百 ( 2 2 1 4 ) l i 世i lqj 由于“吼，有儿y - ，戎以九，代入( 2 2 1 0 ) 有： ”，= y o c o s ( a ，d + ) f 一九】+ c o s ( o j d 一弘一九】) ( 2 2 1 5 ) 检测模态的振动速度： 一= y o 一( 嘞+ ) s 埘( + t o r ) t 一九卜( 一r - o r ) s i n ( o j d 一弦一九】 其中： - 2 s i n ( t o d t 一九) 检测端输出电压： ( 2 2 1 6 ) ( 2 2 1 7 ) ：型塑型翟型匕 ( 2 2 1 8 ) 1 8 0 七，k ， 一 匕= b 上 ( 2 2 1 9 ) 综上可知，陀螺输出信号主要取决于巧，根据式( 2 2 1 8 ) 提高陀螺输出信噪比， 可以通过提高检测模态运动质量，激励力及模态品质因数g ，9 。 2 3 提高陀螺灵敏度的因素分析 通过2 2 节对电磁式振动环微机械陀螺激励模态，检测模态动力学分析，可以 总结出提高陀螺灵敏度的主要方法有： a ) 增加激励力，增加陀螺结构的运动质量及提高激励、检测模态品质因数。增 l l 生旦趴别 丝! 堕q 上旦j 弋 趾缸 = 丸 华北电力大学硕士学位论文 加激励力的方法适用在陀螺环的挠性承受范围之内，增大效果非常有限。 b ) 增加运动模块质量，但是这样的同时会降低器件抗过载能力，无法满足战术 级陀螺性能要求。 。 c ) 提高陀螺激励、检测模态的品质因数g ，9 ： 1 、品质因数与模态的阻尼系数成反比，降低阻尼可有效提高q 值。将陀螺器件 真空封装可以降低空气阻尼，大幅提高q 值。一般在空气中微陀螺的q 值在1 0 0 范围，而在真空环境中振动模态q 值在1 0 4 级。 2 、当模态的激励力频率等于模态振动的固有频率时，振动处在谐振状态品质因 数最高，即激励力频率等于激励模态固有频率等于检测模态固有频率时g ，g 最高， 这就要求陀螺结构尽量对称使二者固有频率相近，完美状态是两固有频率相等。 3 、使用频率稳定性好的激励信号发生电路，避免因频率漂离谐振频率而使q 值 下降。 4 、模拟仿真试验，改进的陀螺结构，提高品质因数。 通过上述分析可看出，通过提高陀螺激励、检测模态品质因数的方法提高陀螺 的灵敏度是最可行而且能够达到突出效果的方法。 2 4本章小结 本章从电磁式振动环微机械陀螺激励和检测模型入手，对电磁激励，电磁检测 模态进行动力学分析，激励和检测模型是检测电路设计的理论依据。通过模态分析 推导出影响检测信号的因素，进而得到提高陀螺品质因数是从结构上提高陀螺灵敏 度的有效措旆。另外，高性能的检测电路，对输出信号的精密放大，高质量的抗噪 声能力，是从信号处理方面提高灵敏度的有效手段。下章将结合理论讲述激励、检 测电路的设计思路及仿真、实验结果。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章微机械陀螺激励及检测电路设计 微机械振动环陀螺工作时须施加一定的激励，使陀螺工作在振动状态。载体具 有角速度时才能够由于c o r i o l i s 效应发生模态转换，通过检测转换后的振动模态得 到角速度。文章研究电磁激励电磁检测的微机械陀螺，激励力通过施加正弦电压的 方式获得。激励电流通过环上导电通道时的电流产生洛仑兹力激励环振动。检测端 检测c o r i o l i s 效应引起的感应电动势。这种激励和检测方式的好处在于振动模态外 部没有电极限制可使振幅增大，有效提高信噪比和量程，并且这种结构的振动环质 量轻，具有极强的抗过载能力，适用于战术级应用。 本章首先结合前章陀螺激励理论介绍陀螺激励电路设计方案，电路组成。然后 重点介绍检测电路微弱信号检测，噪声抑制及解调输出模块电路，对设计的电路进 行仿真及实验分析。 3 1激励电路设计与实现 3 1 1激励电路结构设计 激励电路旨在产生频率等于陀螺振动模态固有频率，且频率和幅值稳定的正弦 电压信号。文章设计激励电路用于陀螺研发、改进过程中，除具有上述特征外，还 力求有较宽的频率适用范围，以适应不断改进中陀螺的固有频率变化及收集不同频 率振动情况的实验数据。激励电路结构如图3 1 ，包括方波发生模块，高阶低通滤 波模块，增益调节模块和电压跟随器。增益模块输出的正弦信号分作两路，一路用 作激励陀螺，另一路作解调参考信号。下面分别介绍四个模块电路设计后再讨论实 验结果。 图3 - 1 激励电路结构示意图 l 、方波发生模块： 模块主要功能是产生幅值稳定和频率可调的周期电压信号。设计使用l t c 6 9 0 0 频率发生芯片，具有电路精简( 如图3 2 ) 、频率稳定性高( 固定电阻下频率漂移 1 5 ) 、温度漂移 o 0 0 4 。c ) 、可调范围大( 1 k h z 2 0 m h z ) 、功耗低等优势。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 方波发生模块电路 输出方波频率f o s c 由可调电阻和d i v 引脚决定： l1 0 0 ，d i v p i n = v + f 甜c = l o x l 0 6 l 盹2 0 x 1 讹0 3 沙肚 i 嬲：苗确1 ) 试验电路设计中d i v 引脚接+ 5 v 电源电压，如用1 0 0 k o 电位器和3 9 0 k q 电阻 r l ，使方波频率在4 1 k h z 5 1 k h z 问可调。上电后l t c 6 9 0 0 输出低电平0 v ，高电 平5 v 的方波，要得到激励陀螺所需正弦信号还要将方波去除直流分量，去掉高次 谐波，调整电压幅值三步工作。 2 、高阶低通滤波模块： 一个方波由基波、3 次、5 次及更高的谐波组成，用高阶低通滤波器滤除3 次以 上谐波，保留基波即可将方波信号转化为同频正弦信号。m a x 7 4 1 0 为5 阶 b u t t e r w o r t h 低通滤波器芯片，适用频率范围1 h z 一1 5 k h z ，通过电容c 6 调节3 d b 截 止频率。为使3 次谐波更干净的滤除，选取电容使一次基波处在滤波器1 d b 位置， 这样率得正弦波幅值稍有损失，而高次谐波被过滤干净。 图3 - 3 高阶低通滤波模块图 3 、增益调节模块 经过高阶低通滤波后，信号仍有直流分量和幅值不合适的问题，由增益调节模 1 4 华北电力大学硕士学位论文 块解决。用有源运放组成增益放大电路3 - 4 上图，输出电压r o = 伍，r 。坨。另外在 输入前加l u f 隔直电容c 7 滤除前端输入正弦波的直流分量。仿真结果如3 4 下图： 厂、| 勰瓣辩- a 溉 ；v “ 八 ， 一3 毋i i生。迎i 。娥- 。 ； 一v 一：。一 百1 嚣蕊_ 1 门丽1 秭广百稼广融v 髑ir 器|1 渤v 瀑| 裳v v 器端l- 4 2 ：4 8 善= 函赢 、用1l 工v 2 i- 工、一b 2 、甩 i v ：l u v _ - 图3 4 增益调节电路及放大结果 输入电压肚4 8 v 直流偏置2 5 v ，经过增益模块滤掉直流偏量并将幅值减至1 2 的结果，输出1 2 v 1 2 v 正弦信号，符合目标要求。 4 、电压跟随电路： 经过增益调节后的激励信号分成两路一路做陀螺激励用，另一路做检测电路中 解调参考信号。为防止解调电路器件工作时影响激励信号幅值稳定，在增益调节和 陀螺之间加电压跟随电路，如图3 5 ，增益调节与电压跟随用一片o p a 2 2 7 7 双运放 构成减少体积。 华北电力大学硕士学位论文 雌 ， 图3 - 5 增益调节和电压跟随电路 综上所述，陀螺激励信号试验电路的设计主要从以下方面考虑： 1 、产生激励信号频率，幅值稳定。 2 、电路体积小便于在试验转台上测试。 3 、价格便宜并有贴片封装，温度范围大，有在成品中使用的前景。 3 1 2 测试结果及分析 将上述四个电路模块在实验面包板上分别测试完成后，做成p c b 板上电测试稳 定性，用示波器观察输出正弦信号的幅值和频率漂移情况，记录如下表： 表3 1 激励电路幅值、频率稳定性测试 记录时间 4 3 0 0 i 沮z4 4 0 0 k h z4 5 0 0 k h z 单位：分钟频率( k h z )幅值( v )频率( k h z )幅值( v )频率( k h z )幅值( v ) 54 3 0 01 0 84 4 0 01 0 64 5 0 0 1 0 4 1 04 - 3 0 01 0 84 4 0 1 1 0 64 5 0 01 0 4 1 54 2 9 91 0 94 4 0 11 0 64 5 0 01 0 4 2 04 2 9 91 0 84 4 0 11 0 64 5 0 1 1 0 4 2 54 2 9 9 1 0 8 4 4 0 11 0 64 5 0 11 0 4 3 04 2 9 91 0 84 4 0 11 0 54 5 0 11 0 4 3 54 2 9 91 0 94 4 0 11 0 64 5 0 11 0 4 4 04 2 9 9 1 0 9 4 4 0 11 0 6 4 5 0 11 0 4 4 54 2 9 91 0 84 4 0 11 0 54 5 0 01 0 4 5 04 2 9 91 0 84 4 0 11 0 5 4 5 0 01 0 4 5 54 2 9 91 0 8 4 4 0 1 1 0 64 5 0 01 0 4 6 04 2 9 91 0 94 4 0 11 0 64 5 0 01 0 4 结果讨论：测试三种频率结果频率漂移i 叫 = 5 0 ) i f f n s p e e d _ o n 码盘输出脉冲频率 t e m p 6 = n s p e e d _ f ； i f ( ( t e m p 6 15 0 ) & ( v a l u e 15 ) ) v a l u e = v a l u e - 10 ； e l s e i f ( ( t e m p 6 15 ) & ( v a l u e 8 ) ) v a l u e = v a l u e - 3 ； e l s ei f ( ( ( n - s p e e d _ f ) 2 ) & ( v a l u e 6 ) ) v a l u e - - v a l u e 一1 ； e l s ev a l u e = v a l u e ； ) e l s ei f ( n 15 0 ) & ( v a l u e 15 ) & ( v a l u e 2 ) & ( v a l u e s p e e d _ f ) 华北电力大学硕士学位论文 i f ( ( ( n - s p e e d f ) 2 ) & ( v a l u e 6 ) ) v a l u e - - v a l u e l ； ) e l s ei f ( n 2 ) & ( v a l u e 7 9 4 ) ) v a l u e 2 v a l u e + l ； ) ) ) p w