压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、电荷放大器模块、ADC模块、DAC模块、数字信号处理模块和输出或保存模块，其中：电荷放大器模块将压电半球谐振微陀螺仪模块产生的电荷信号转换为电压信号；ADC模块将接收到的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理模块处理接收到的数字信号，处理结果一部分对外显示或保存，一部分作为反馈信号输出；DAC模块将反馈信号从数字信号转换为模拟信号从而反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块；压电半球谐振微陀螺仪模块在给定反馈信号下被激振或被驱动并产生检测信号。本发明专利技术实现了对压电半球谐振微陀螺仪的稳幅稳频控制和数字检测。

Digital control detection system for piezoelectric hemispherical resonator gyroscope

The invention provides a piezoelectric resonant micro gyroscope digital control and detection system, including piezoelectric micro hemispherical resonator gyroscope module, charge amplifier module, ADC module, DAC module, digital signal processing module and output module or save, which converts the charge signal charge amplifier module of the piezoelectric micro gyroscope module produced by hemispherical resonator as the voltage signal; the ADC module converts the received analog signal into digital signal; digital signal processing digital signal processing module receives the results of part of the external display or preservation, as part of a feedback signal output; DAC module feedback signal conversion from digital signal to analog signal and feedback to the piezoelectric micro hemispherical resonator gyroscope module; piezoelectric hemispherical resonator micro gyroscope module in the feedback signal is given under the excitation or drive and detection Signal. The invention realizes the stabilization and frequency control and digital detection of the piezoelectric hemispherical resonator micro gyroscope.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统
，具体地，涉及一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统。
技术介绍
微机械电子系统(MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。MEMS利用各种加工工艺，尤其是微细加工技术，在电子通信以及微电子技领域最新成果的基础上，逐渐成为了高科技前沿学科。压电半球谐振微陀螺仪采用压电材料作为主体部件，采用MEMS加工工艺和技术，具有抗过载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、分辨率高、启动时间短等优越特性，在军用导航、航空航天、制导技术以及民用消费电子等领域等具有广泛的应用前景。这种陀螺利用谐振状态和压电效应，在极化方向上获得外界相应方向上输入的角速度对应的电信号，通过检测电信号的幅值和频率，反映出外加角速度的信号。无论是压电半球谐振微陀螺仪的控制还是检测，都是它本身工作的重要环节。对一些文献进行检索，浙江大学信电系半导体光电子研究所的王慧泉和上海微系统与信息技术研究所的焦继伟等人在2006年CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS上发表的文章“高性能微机械陀螺接口电路研究”。文献中提到，高性能微机械陀螺的接口电路采用的是闭环驱动，并给出了基本的框图。微机械陀螺接口电路可分为两部分:驱动环路和检测电路；驱动环路包括陀螺监测端、隔离放大器、自动增益控制(automaticgaincontrol,AGC电路)、相移电路、功放电路以及陀螺驱动端,检测电路包括电容-电压转换电路(C-V电路)、滤波放大电路、乘法器和低通滤波器。驱动环路为陀螺提供驱动信号,并为检测电路提供载波信号,检测电路将陀螺输出的变化电容转换为电压信号,通过同步解调电路得到角速度信号。但是，文献中所述的工作方式并没有给出具体的实施方案，而且所采用的方案中并没有结合数字信号处理系统。在实际中，对不同特征的陀螺所需要配套的控制检测系统中各项电路参数是不同的。即便针对一种陀螺，当其谐振频率随着外部因素变化而变化时，电路参数也必须随之进行调整。为了应对陀螺的控制检测系统多样而变化的需求，采用数字控制及检测的方案，不仅能够快速的实现控制检测系统与陀螺的配套，也为通过升级硬件水平来达到陀螺的检测精度要求和通过调整所采用的硬件水平来调整陀螺控制系统的成本提供了便利。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，能够根据控制检测的需要对陀螺的输入角速度进行检测并对陀螺进行反馈控制，具有性能可随硬件发展升级、响应快、调试简单等特点。为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、电荷放大器模块、ADC模块、DAC模块和数字信号处理模块，其中：所述电荷放大器模块将所述压电半球谐振微陀螺仪模块产生的电荷信号转换为电压信号，并传输给所述ADC模块；所述ADC模块将从所述电荷放大器模块接收到的模拟信号转换为数字信号，并传输给所述数字信号处理模块；所述数字信号处理模块将从所述ADC模块接收到的数字信号进行处理，处理的结果一部分作为结果对外进行显示或保存，一部分作为反馈信号向所述DAC模块输出；所述DAC模块将由所述数字信号处理模块产生的反馈信号从数字信号转换为模拟信号，反馈给所述压电半球谐振微陀螺仪模块；所述压电半球谐振微陀螺仪模块在所述DAC模块给定的反馈信号下被激振或被驱动，并产生检测信号。优选地，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块具有半球壳，该半球壳上均匀分布有八个金属电极，依次为第一驱动电极、第一检测电极、第一监测电极、第一平衡电极、第二驱动电极、第二检测电极、第二监测电极和第二平衡电极，其中：在第一驱动电极、第二驱动电极上施加一个与压电半球谐振微陀螺仪模块谐振频率同频的正弦电压信号，将压电半球谐振微陀螺仪模块激振；压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，在两个监测电极上将产生与驱动信号同频的电荷信号，在两个检测电极上将产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，在两个平衡电极上将产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，上述信号可以根据需要输入所述电荷放大器模块。更优选地，所述的两个检测电极和两个平衡电极上与驱动信号同频定幅值的信号相位相同时，两个检测电极和两个平衡电极上与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。优选地，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，产生的检测信号、监测信号经过电荷放大器模块和ADC模块输入数字信号处理模块，通过滤波、调相、差分、解调、稳幅的数字信号处理方法后，一部分信号作为反映压电半球谐振微陀螺仪模块输出角速度的信息进行对外显示或者保存，另一部分信号作为反馈量，经过DAC模块反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块。优选地，所述的电荷放大器模块通过积分的方式将从压电半球谐振微陀螺仪模块产生的电荷量积分为电压信号。优选地，所述的ADC模块根据电荷放大器模块所输出的电压信号大小选择输入信号范围、根据电荷放大器模块所输出的电压信号频率选择采样率、根据电荷放大器模块所输出的电压中所包含的压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度相关信号分量大小选择采样位数。优选地，所述的数字信号处理模块采用ARM、FPGA、DPS作为核心，并配合外部电路形成一套对由ADC模块输出的数字信号进行处理的数字信号处理系统。更优选地，所述数字信号处理模块对由压电半球谐振微陀螺仪模块产生并经过所述电荷放大器模块和所述ADC模块处理后的任意一路检测信号和任意一路平衡信号进行滤波调相后进行差分，从而去除两路信号中的共模基波分量，并对其中包含的压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度相关信号分量进行放大；对由压电半球谐振微陀螺仪模块产生并经过所述电荷放大器模块和所述ADC模块处理后的任意一路监测信号进行滤波和稳幅，作为反馈量进行反馈；将差分后的信号和调相后的监测信号进行解调和滤波，产生幅值与压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度大小正相关的直流信号。更优选地，所述数字信号处理模块中的程序能自动分别找出并比较几路输入数字信号在第一个周期内的最大值和最小值在保存这些数字信号的数组中的位置，并根据不同的需要将保存这些数字信号的数组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，其特征在于，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、电荷放大器模块、ADC模块、DAC模块和数字信号处理模块，其中：所述电荷放大器模块将所述压电半球谐振微陀螺仪模块产生的电荷信号转换为电压信号，并传输给所述ADC模块；所述ADC模块将从所述电荷放大器模块接收到的模拟信号转换为数字信号，并传输给所述数字信号处理模块；所述数字信号处理模块将从所述ADC模块接收到的数字信号进行处理，处理的结果一部分作为结果对外进行显示或保存，一部分作为反馈信号向所述DAC模块输出；所述DAC模块将由所述数字信号处理模块产生的反馈信号从数字信号转换为模拟信号，反馈给所述压电半球谐振微陀螺仪模块；所述压电半球谐振微陀螺仪模块在所述DAC模块给定的反馈信号下被激振或被驱动，并产生检测信号。

【技术特征摘要】
1.一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，其特征在于，包括压电半球
谐振微陀螺仪模块、电荷放大器模块、ADC模块、DAC模块和数字信号处理模块，
其中：
所述电荷放大器模块将所述压电半球谐振微陀螺仪模块产生的电荷信号转换
为电压信号，并传输给所述ADC模块；
所述ADC模块将从所述电荷放大器模块接收到的模拟信号转换为数字信号，
并传输给所述数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块将从所述ADC模块接收到的数字信号进行处理，处理
的结果一部分作为结果对外进行显示或保存，一部分作为反馈信号向所述DAC模
块输出；
所述DAC模块将由所述数字信号处理模块产生的反馈信号从数字信号转换为
模拟信号，反馈给所述压电半球谐振微陀螺仪模块；
所述压电半球谐振微陀螺仪模块在所述DAC模块给定的反馈信号下被激振或
被驱动，并产生检测信号。
2.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，其特
征在于，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块具有半球壳，该半球壳上均匀分布有八
个金属电极，依次为第一驱动电极、第一检测电极、第一监测电极、第一平衡电极、
第二驱动电极、第二检测电极、第二监测电极和第二平衡电极，其中：在第一驱动
电极、第二驱动电极上施加一个与压电半球谐振微陀螺仪模块谐振频率同频的正弦
电压信号，将压电半球谐振微陀螺仪模块激振；压电半球谐振微陀螺仪模块被激振
后，在两个监测电极上将产生与驱动信号同频的电荷信号，在两个检测电极上将产
生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀
螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，在两个平衡电极上将产生由与驱
动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块
输入角速度正相关的信号所叠加的信号，上述信号根据需要输入所述电荷放大器模
块。
3.根据权利要求2所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，其特
征在于，所述的两个检测电极和两个平衡电极上与驱动信号同频定幅值的信号相位相同

\t时，两个检测电极和两个平衡电极上与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪
模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。
4.根据权利要求2所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统，其特
征在于，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，产生的检测信号、监测信号
经过电荷放大器模块和ADC模块输入数字信号处理模块，通过滤波、调相、差分、
解调、稳幅的数字信号处理方法后，一部分信号作为反映压电半球谐振微陀螺仪模
块输出角速度的信息进行对外显示或者保存，另一部分信号作为反馈量，经过DAC
模块反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系
统，其特征在于，所述的电荷放大器模块通过积分的方式将从压电半球谐振微陀螺仪
模块产生的电荷量积分为电压信号。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系
统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，汪濙海，孙殿竣，唐健，邢亚亮，魏志方，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31