用于硅微音叉陀螺的集成测控单元制造技术

本发明专利技术公开一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，包括：用于测试陀螺检测轴的振动位移的跨阻式前置放大器(202)、用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号的电荷式前置放大器(203)、用于保持驱动轴的振动速度不变的自动增益控制器(207)、用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号的三阶ΣΔ型模数转换器(204、205)、用于解调驱动速度信号与检测位移信号以得到模拟解调输出信号的模拟乘法器(206)、用于将数字信号滤波、频率读出、解调、温度补偿并输出的数字模块(214)。本发明专利技术的集成测控单元，体积小、功耗低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于角速度测量
，特别是一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元。
技术介绍
基于硅微机械加工工艺的音叉陀螺具有体积小，可批量加工的特点，在中低精度应用中具有广泛的市场。现有硅微音叉陀螺的微机构结构如图1所示。质量块101与质量块102被弹性梁103，104，105，106，107，108支撑在锚点103上。质量块101，102可以在x，y两个方向进行振动。定义x方向为驱动方向，y方向为检测方向。通过在驱动梳齿电容109，104，107，108上施加驱动电压从而产生静电力。质量块101，102在静电力的作用下反相运动，当有z轴角速度输入时，由于哥氏加速度的作用，质量101，102会在y方向受到哥氏力的作用，从而在检测方向产生反相位移，通过检测电容113，114，115，116可以读出位移，从而计算出角速度的值。除去开环测量外，还可以通过检测电容产生静电力，将检测方向的位移控制在0，通过静电力的大小也可以计算出角速度的大小。这种音叉陀螺具有双质量结构，主要工作模态有驱动模态与检测模态。驱动模态主要指陀螺的两个质量块在测控电路输出的静电力作用下，在驱动方向上以反向方式保持稳定幅度的振动。当有Z轴角速度输入时，陀螺坐标系内会受到哥氏力的作用，检测模态在哥氏力的作用下会产生与驱动模态正交的位移，通过测量检测模态的位移可以计算出输入角速度的值。测控电路在陀螺中起重要的作用。首先驱动模态的稳幅振动是由测控电路来控制的。其次，为了保证角速度的测量精度，信号的检测，解调过程都需要高精度电路的支撑。在一个良好结构设计的基础上，陀螺输出的噪声很大程度上取决于测控电路的噪声。为了抑制陀螺在温度变化过程中性能的漂移，温度补偿电路也是必不可少的。随着测控电路集成的功能越来越多，基于分立器件的测控电路体积与功耗也不断增加，给实验室原理样机到工程应用中的转换带来较大的困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，体积小、功耗低。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，包括跨阻式前置放大器、电荷式前置放大器、自动增益控制器、第一三阶ΣΔ型模数转换器、第二三阶ΣΔ型模数转换器、模拟乘法器、数字模块，所述自动增益控制器的输入端与跨阻式前置放大器的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，所述电荷式前置放大器的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，所述模拟乘法器的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，所述数字模块的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1、功耗低：本专利技术通过驱动前置放大电路，能够同时提供反映驱动模态振动的速度信号与位移信号，在保证了驱动检测的幅值与相位的测量精度的前提下降低了功耗；2、体积小：集成度高，体积小。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。附图说明图1为现有技术硅微音叉陀螺的微机械结构示意图。图2为本专利技术用于硅微音叉陀螺的集成测控单元的电原理框图。图3为图2中跨阻式前置放大器的电路示意图。图4为图2中电荷式前置放大器的电路示意图。图5为图2中自动增益控制模块的电原理框图。图6为图2中自动增益控制模块的电路示意图。图7为图6中整流电路的局部放大图。图8为图6中减法电路与比例积分电路的局部放大图。图9为图6中斩波器的局部放大图。图10为图5中可变增益放大器的电路示意图。图11为图2中三阶低通型CRFF结构ΣΔ模数转换器的电原理框图。图12为驱动频率测量、数字滤波、温度补偿、解调和输出环境原理图。图13为SPI接口信号传输示意图。具体实施方式如图2所示，本专利技术用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，用于如图1所示的硅微音叉陀螺。其包括跨阻式前置放大器202、电荷式前置放大器203、自动增益控制器207、第一三阶ΣΔ型模数转换器204、第二三阶ΣΔ型模数转换器205、模拟乘法器206、数字模块214，所述自动增益控制器207的输入端与跨阻式前置放大器202的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路202的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输入端相连，所述电荷式前置放大器203的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输入端相连，所述模拟乘法器206的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，所述数字模块214的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连。所述跨阻式前置放大器202，用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号；所述电荷式前置放大器203，用于测试陀螺检测轴的振动位移；所述自动增益控制器207，用于通过速度信号的幅值来调节反馈信号的幅值，保持驱动轴的振动速度不变；所述第一三阶ΣΔ型模数转换器204、第二三阶ΣΔ型模数转换器205，用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号；所述模拟乘法器206，用于解调驱动速度信号与检测位移信号，以得到模拟解调输出信号；所述数字模块214，用于将数字信号滤波、频率读出、解调，温度补偿并输出。硅微音叉陀螺的微机械结构201按照模态可以分为驱动轴与检测轴。跨阻式前置放大电路202检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号217，信号幅度自动增益控制电路207通过速度信号217的幅值来调节反馈信号215的幅值，保持驱动轴的振动速度不变。陀螺检测轴的振动位移由电荷式前置放大器203来进行测试，由203输出的信号为检测轴振动位移信号。驱动速度信号与检测位移信号经过模拟乘法器206解调后得到模拟解调输出信号220，220经低通滤波后可以作为陀螺的角速度输出信号。电路除了模拟解调方式外还提供了数字解调与输出。驱动位移信号与检测信号经过三阶ΣΔ型模数转换器202,203后被转换为218与219的数字化信号。数字化后的信号在数字模块中进行滤波，频率读出，解调，温度补偿等算法的计算，最终结果由SPI接口输出，可以直接与嵌入式处理器相连接。如图3所示，所述跨阻式前置放大器202包括第一差分运算放大器307、第一反馈电容305、第二反馈电容306、第一偏值电阻303、第二偏值电阻304、第一寄生电容301、第二寄生电容302、第二差分运算放大器314、第一前置电容308、第二前置电容309、第一反馈电阻312、第二反馈电阻313、第一补偿电容310和与第二补偿电容311；所述第一差分运算放大器307的输入正端用于与硅微音叉陀螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，其特征在于：包括跨阻式前置放大器(202)、电荷式前置放大器(203)、自动增益控制器(207)、第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)、第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)、模拟乘法器(206)、数字模块(214)，所述自动增益控制器(207)的输入端与跨阻式前置放大器(202)的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路(202)的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输入端相连，所述电荷式前置放大器(203)的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输入端相连，所述模拟乘法器(206)的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，所述数字模块(214)的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连；所述跨阻式前置放大器(202)，用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号；所述电荷式前置放大器(203)，用于测试陀螺检测轴的振动位移；所述自动增益控制器(207)，用于通过速度信号的幅值来调节反馈信号的幅值，保持驱动轴的振动速度不变；所述第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)、第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)，用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号；所述模拟乘法器(206)，用于解调驱动速度信号与检测位移信号，以得到模拟解调输出信号；所述数字模块(214)，用于将数字信号滤波、频率读出、解调，温度补偿并输出。...

【技术特征摘要】
1.一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，其特征在于：包括跨阻式前置放大器(202)、电荷式前置放大器(203)、自动增益控制器(207)、第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)、第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)、模拟乘法器(206)、数字模块(214)，所述自动增益控制器(207)的输入端与跨阻式前置放大器(202)的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路(202)的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输入端相连，所述电荷式前置放大器(203)的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输入端相连，所述模拟乘法器(206)的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，所述数字模块(214)的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连；所述跨阻式前置放大器(202)，用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号；所述电荷式前置放大器(203)，用于测试陀螺检测轴的振动位移；所述自动增益控制器(207)，用于通过速度信号的幅值来调节反馈信号的幅值，保持驱动轴的振动速度不变；所述第一三阶ΣΔ型模数转换器(204)、第二三阶ΣΔ型模数转换器(205)，用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号；所述模拟乘法器(206)，用于解调驱动速度信号与检测位移信号，以得到模拟解调输出信号；所述数字模块(214)，用于将数字信号滤波、频率读出、解调，温度补偿并输出。2.根据权利要求1所述的集成测控单元，其特征在于：所述跨阻式前置放大器(202)包括第一差分运算放大器(307)、第一反馈电容(305)、第二反馈电容(306)、第一偏值电阻(303)、第二偏值电阻(304)、第一寄生电容(301)、第二寄生电容(302)、第二差分运算放大器(314)、第一前置电容(308)、第二前置电容(309)、第一反馈电阻(312)、第二反馈电阻(313)、第一补偿电容(310)和与第二补偿电容(311)；所述第一差分运算放大器(307)的输入正端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第一寄生电容(301)接地，其输入负端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第二寄生电容(302)接地，所述第一差分运算放大器(307)的输出负端通过第一前置电容(308)与第二差分运算放大器(314)的输入正端相连，其输出正端通过第二前置电容(309)与第二差分运算放大器(314)的输入负端相连，所述第一反馈电容(305)与第一偏值电阻(303)并联后，一端与第一差分运算放大器(307)的输入正端相连，另一端与第一差分运算放大器(307)的输出负端相连，所述第二反馈电容(306)与第二偏值电阻(304)并联后，一端与第一差分运算放大器(307)的输入负端相连，另一端与第一差分运算放大器(307)的输出正端相连，所述第一反馈电阻(312)与第一补偿电容(310)并联后，一端与第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国明，赵阳，裘安萍，施芹，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32