一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路制造技术

一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路，主要应用于直接输出频率谐振式微机械陀螺输出特性的研究，包括比例放大电路、模拟乘法器单元、加法器和积分单元。比例放大电路由反相比例放大电路组成，实行两级放大，使相位一致，且方便参数的调节；模拟乘法器单元要可实现正负信号的相乘，采用四象限的模拟乘法器；加法器实现两路信号的叠加，采用同相比例加法电路；积分单元由两个一次积分电路组成，构成双重积分。本发明专利技术根据直接输出频率谐振式微机械陀螺的动态特性方程，建立了其谐振子的电路模型，采用了一种新的方法来研究直接输出频率谐振式微机械陀螺，可用于指导此类陀螺的结构优化设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机械陀螺研究领域，是陀螺仪表的重要发展方向之一，对国民经济发展和国防现代化建设具有重要作用。
技术介绍
陀螺是实现在惯性空间测量旋转角速度或角位移的装置。作为核心关键器件，陀螺广泛应用于导航制导与控制系统中，在当今科学
具有极其重要的地位，在国民经济发展和国防现代化建设中发挥着重要作用。陀螺技术及应用的水平很大程度上反映着信息技术的水平，也影响着科学技术的发展与进步。微机械陀螺仪以其体积小，质量轻，成本低，可靠性好，测量范围大和功耗低等一系列优点得到了各国的高度重视。由于电容检测具有温漂小，灵敏度高，可靠性好和稳定性好等优点,目前微机械陀螺仪多采用该种检测方式，但随着微惯性器件结构尺寸的不断缩小，检测输出信号的信噪比变得非常低，信号检测电路和处理电路极为复杂，不利于小型化和集成化。2002年,加州大学伯克利分校的A.A.Seshia在IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems国际会议上提出了直接输出频率谐振式微机械陀螺的原理模型，直接输出频率谐振式微机械陀螺能直接将微弱的被测角速度转化为复合敏感结构的调频波，通过对调频波频率参数的解算便可以得到被测角速度，这类微陀螺具有谐振式传感器特有的迟滞小、重复性好、稳定性高、可靠性高、无需A/D或V/F变换直接与微处理器接口的优点，是陀螺仪表的重要发展方向之一。当研究直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的稳态测量问题时，其运动规律可以用类Mathieu方程描述：式中，δ表示谐振子的静态刚度，由其自身的结构特性与材料参数决定；ω为频率型微陀螺驱动模态的工作频率，由其与被测角速度Ω等共同引起谐振子的科氏效应，并反映在谐振子上的交变刚度ε上，显然其幅值与被测量的幅值Ω有关；t为时间，q(t)为谐振梁随时间的振动变化规律。类Mathieu方程解算出来的周期运动的频率即为此类陀螺检测模态的频率。类Mathieu方程输出解的稳定性及稳定区间内解的特性都由其系数决定，类Mathieu方程的工程化应用至今尚未给出一个满意的近似解。“类Mathieu方程与谐振式传感器动态问题研究”被专家遴选为由国家自然科学基金委员会、教育部、科学技术部、中国科学院组织编写的“10000个科学难题（信息科学卷）”，2011，pp.798-800。正是由于类Mathieu方程研究的复杂性，针对直接输出频率谐振式微机械陀螺实际工作情况的研究还处于艰难的起步阶段。对于微机械陀螺的研究，目前多集中于采用电容检测的微机械陀螺，对于此类陀螺的模拟电路，也有相关的研究，车录锋、熊彬等人在《微机械陀螺传感器模型与接口电路的混合模拟》一文中给出了微机械陀螺的一种电路模型，根据微机械陀螺的动力学方程建立了组合微机械陀螺振动特性和电学特性的传感器等效电路模型，此模型把陀螺的振动特性和检测角速度信号的电容变化有机结合起来，但此模型针对的是采用梳齿电容检测的微机械陀螺。对于直接输出频率谐振式微机械陀螺，自2002年问世以来，发展的很慢，文献搜素发现多是关于其陀螺结构和原理的简单定性描述，关于其动态特性的研究则很少，樊尚春、李艳等人在《Dynamic characteristics of resonant gyroscopes study based on the Mathieu equation approximate solution》一文中运用Mathieu方程的近似解来研究直接输出频率谐振式微机械陀螺的动态特性，但是此文所用的小参数摄动法中有近似的步骤，从而引入了理论误差。而对于此类陀螺谐振子的模拟电路，未发现有相关报道。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：针对直接输出频率谐振式微机械陀螺，建立其谐振子动态特性的电路模型，实现模拟电路与谐振式微机械陀螺的对应，为直接输出频率谐振式微机械陀螺提供一种新的研究方案。本专利技术的技术解决方案：一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路，由比例放大电路（a）、模拟乘法器单元（b）、加法器（c）和积分单元（d）组成。比例放大器有完全相同的两路，每路都由两个反相比例放大电路串联在一起组成同相放大，将输入信号放大一定的倍数；模拟乘法器单元将一路比例放大电路的输出信号与输入的余弦信号相乘；加法器将另一路比例放大电路的输出信号与模拟乘法器的输出信号相加；积分单元由两个一次积分电路组成，构成双重积分，对加法器的输出信号进行双重积分，积分单元的输出接到比例放大电路的输入端，构成闭环，整个电路的数学表达式即为类Mathieu方程。所述的比例放大电路由运算放大器(30、31、32、33)、电阻器（1、2、3、4、5、6、7、8）组成，其中电阻器（1、2、5、6）为可变电阻器。第一电阻器与第三电阻器以及第二电阻器与第四电阻器的比值决定第一路比例放大电路的放大倍数，设第一、二、三、四电阻器的阻值分别为R1、R2、R3和R4，则第一路比例放大电路的放大倍数为第五电阻器与第七电阻器以及第六电阻器与第八电阻器的比值决定第二路比例放大电路的放大倍数，设第五、六、七、八电阻器的阻值分别为R5、R6、R7和R8，则第二路比例放大电路的放大倍数为从而实现对两路比例放大电路的放大倍数分别进行控制。第一路比例放大电路的输出连接至加法器的一个输入端，第二路比例放大器的输出连接至模拟乘法器单元。所述的模拟乘法器单元由运算放大器（39、40）、四象限模拟乘法器（41）、电阻器（24、25、26、27）组成。运算放大器（39）和电阻器（24、25）构成反相比例放大电路，其放大倍数由第二十四电阻器与第二十五电阻器的比值决定，设这两个电阻的阻值分别为R24和R25，则该反相比例放大电路的放大倍数为该反相比例放大电路用于匹配四象限模拟乘法器的输入电压峰值与电路中的电压峰值。为了使模拟乘法器模块不引入信号的放大，在模拟乘法器的输出端连接一个反向比例放大电路，由运算放大器（40）和电阻器（26、27）组成，第二十六电阻器与第二十七电阻器的比值决定其放大倍数，设这两个电阻的阻值分别为R26和R27，则该反相比例放大电路的放大倍数为设定此反相比例放大电路的放大倍数与模拟乘法器前的反相比例放大电路的放大倍数成倒数关系，两次反相放大使输入输出同相。此模块的输出连接至加法器的输入端。所述的积分单元由运算放大器（35、36、37、38）、电阻器（1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路，其特征在于：由比例放大电路（a）、模拟乘法器单元（b）、加法器（c）和积分单元（d）组成。比例放大器有完全相同的两路，每路都由两个反相比例放大电路串联在一起组成同相放大，将输入信号放大一定的倍数；模拟乘法器单元将一路比例放大电路的输出信号与输入的余弦信号相乘；加法器将另一路比例放大电路的输出信号与模拟乘法器的输出信号相加；积分单元由两个一次积分电路组成，构成双重积分，对加法器的输出信号进行双重积分，积分单元的输出接到比例放大电路的输入端，构成闭环，整个电路的数学表达式即为类Mathieu方程。

【技术特征摘要】
1.一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路，其特征在于：
由比例放大电路（a）、模拟乘法器单元（b）、加法器（c）和积分单元（d）组
成。比例放大器有完全相同的两路，每路都由两个反相比例放大电路串联在一
起组成同相放大，将输入信号放大一定的倍数；模拟乘法器单元将一路比例放
大电路的输出信号与输入的余弦信号相乘；加法器将另一路比例放大电路的输
出信号与模拟乘法器的输出信号相加；积分单元由两个一次积分电路组成，构
成双重积分，对加法器的输出信号进行双重积分，积分单元的输出接到比例放
大电路的输入端，构成闭环，整个电路的数学表达式即为类Mathieu方程。
2.根据权利要求1所述的直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟
电路，其特征在于：所述的比例放大电路由运算放大器(30、31、32、33)、电
阻器（1、2、3、4、5、6、7、8）组成，其中电阻器（1、2、5、6）为可变
电阻器。第一电阻器与第三电阻器以及第二电阻器与第四电阻器的比值决定第
一路比例放大电路的放大倍数，设第一、二、三、四电阻器的阻值分别为R1、R2、
R3和R4，则第一路比例放大电路的放大倍数为第五电阻器与第七电阻器
以及第六电阻器与第八电阻器的比值决定第二路比例放大电路的放大倍数，设
第五、六、七、八电阻器的阻值分别为R5、R6、R7和R8，则第二路比例放大电
路的放大倍数为从而实现对两路比例放大电路的放大倍数分别进行控制。
第一路比例放大电路的输出连接至加法器的一个输入端，第二路比例放大器的
输出连接至模拟乘法器单元。
3.根据权利要求1所述的直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟

\t电路，其特征在于：所述的模拟乘法器单元由运算放大器（39、40）、四象限
模拟乘法器（41）、电阻器（24、25、26、27）组成，运算放大器（39）和电
阻器（24、25）构成反相比例放大电路，其放大倍数由第二十四电阻器与第二
十五电阻器的比值决定，设这两个电阻的阻值分别为R24和R25，则该反相比例放
大...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊尚春，续龙，曹乐，郭占社，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11