一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微机械陀螺本征谐振频率的多级数字信号处理方法，本发明专利技术通过以微机械陀螺谐振频率为基准设置多级采样率，采用欠采样解调算法进行载波解调获得驱动和检测振动信号的同时降低采样率，通过傅里叶级数解调算法对微机械陀螺驱动信号和检测信号正交解调提取同相分量和正交分量，以便进行进一步控制和信号输出。本发明专利技术通过解调算法设计控制微机械陀螺数字信号处理模块工作在多级时钟下，降低低频信号处理模块采样率、减少时钟翻转从而降低数字功耗的目的。本发明专利技术应用于微机械陀螺数字信号处理，可以有效降低数字动态功耗，有工程实用价值。有工程实用价值。有工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法


[0001]本专利技术涉及微机械谐振器，尤其涉及一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法。

技术介绍

[0002]微机械谐振器在时变驱动力或者驱动电压的作用下发生内部结构之间的相对机械运动，产生运动信号，这运动信号经过设置的高频载波调制后由接口电路转换成便于处理的电压信号，通过模数转换器进入数字电路进行数字信号处理。陀螺数字信号处理系统通常包括两个回路，驱动模态的控制回路和检测模态的检测回路。两个回路都需要对输入的调制信号进行载波解调、正交解调以获取相关信号的幅度信息和相位信息，以便进行进一步控制和输出，其中驱动回路需要对提取的幅度和相位进行闭环控制，通常采用自动增益控制和锁相环控制；检测回路解调输出的同相分量即包含角速度信息。
[0003]传统的微机械陀螺的数字信号处理算法采用固定时钟采样频率，致使载波解调后得到的低频运动信号处理模块运行在高频时钟下，高频时钟采样和翻转引入高数字动态功耗，致使微机械陀螺数字动态功耗偏大。
[0004]传统的陀螺信号解调方式一般为乘法解调，乘法解调是理想情况下的解调，解调输出易受相乘信号影响，抗噪性能差，同时会产生二倍频信号，需要配合低通滤波器，引入额外相移，解调结果输出受限于滤波器的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，为微机械陀螺提供一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法。
[0006]本专利技术的具体方案如下：
[0007]本专利技术首先提供了一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，其是采用多级时钟管理驱动各个数字信号处理模块；接口电路将谐振器的被高频载波调制的运动信号在一级时钟采样率下通过模数转换器转成电压信号；欠采样解调模块包含两级抽取滤波器，分别在一级时钟和二级时钟下工作，抽取后实现降采样和载波解调，得到驱动模态和检测模态的运动信号；傅里叶级数解调模块将运动信号在三级时钟下解调得到同相分量和正交分量；通信模块工作在四级时钟下，把检测模态的同相分量输出到上位机；幅度相位提取模块工作在三级时钟下，对驱动模态的同相分量和正交分量进行数学运算求得幅度和相位，对其进行自动增益控制和锁相环控制得到幅度调整量和频率调整量；驱动力产生模块工作在三级时钟下，通过幅度调整量和频率调整量得到驱动力，通过数模转换器进入到模拟部分；载波产生模块工作在一级时钟下，控制载波频率为微机械谐振频率的整数倍，通过数模转换器进入到模拟部分。通过多级时钟管理，使不同数字信号处理模块工作在多级采样率下，降低数字动态功耗。通过傅里叶解调算法实现解调，相比乘法解调省略了低通滤波环节，消除滤波器引入的时间延迟和相位滞后，避免了滤波残余分量对解调结果的影响，且
有更好的抗噪性能。
[0008]本专利技术的的多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，具体包括如下步骤：
[0009]1)时钟产生管理模块以微机械陀螺谐振频率为基准时钟，通过对固定主频分频输出四级时钟采样频率，作为不同数字信号处理模块的时钟信号；
[0010]2)微机械陀螺的接口电路将微机械陀螺的被高频载波调制的驱动模态和检测模态运动信号转成电压信号，通过模数转换器以一级时钟频率采样输入欠采样解调模块进行载波解调；
[0011]3)欠采样解调模块工作在一级时钟频率和二级时钟频率下，对输入的运动信号进行两级滤波和抽取降低采样率至载波频率，实现载波解调并输出驱动和检测的振动位移信号，将其输入到傅里叶级数解调模块；
[0012]3)傅里叶级数解调模块工作在三级时钟频率下，对输入的信号进行正交解调，求取正交分量和同相分量，对于驱动模态，将同相分量和正交分量输入到幅度相位提取模块；对于检测模态，同相分量包含角速度信息，输出到通信模块；
[0013]4)幅度相位提取模块工作在三级时钟频率下，对输入的信号进行数学运算，得到驱动模态运动位移信号幅度和相位值，把幅度值输入自动增益控制环路，相位值输入锁相环控制环路，自动增益控制环路输出幅度调整值到驱动力产生模块、锁相环控制环路输出频率调整值到驱动力产生模块；
[0014]5)驱动力产生模块工作在三级时钟频率下，通过输入的信号调整驱动力信号幅值和频率，输出驱动力信号到数模转换器进入模拟部分；
[0015]6)载波产生模块工作在一级时钟频率下，输出载波信号到数模转换器进入模拟部分。；
[0016]7)通信模块工作在四级时钟频率下，对输入的信号进行异步转换，发送到上位机。
[0017]进一步地，所述的时钟管理模块以控制环路输出的微机械陀螺谐振频率作为时钟基准对主频进行分频，其中一级时钟采样率(abnω
d
)、二级时钟采样率(bnω
d
)、三级时钟采样率(nω
d
)都是陀螺谐振频率整数倍时钟信号(a、b、n都为正整数，ω
d
为陀螺谐振频率)。输出一级时钟作为模数转换器、载波产生模块和欠采样解调模块采样时钟；输出二级时钟作为欠采样解调模块多相带通抽取滤波器采样时钟；输出三级时钟作为傅里叶级数解调模块、幅度相位提取模块、闭环控制环路和驱动力产生模块采样时钟；输出四级时钟频率为固定高频时钟，作为通信模块采样时钟。
[0018]进一步地，所述欠采样解调模块的欠采样解调处理是在一级时钟采样率下对输入的运动信号进行降采样，通过积分梳状滤波器滤波抽取降采样，在二级时钟采样率下进行带通多相抽取滤波器滤波抽取，两次抽取把采样率降到三级时钟采样率。通过把欠采样把频谱搬移到基频实现载波解调，同时降低采样率。
[0019]进一步地，所述的傅里叶级数解调处理是在三级时钟采样率下对输入的信号作解调处理，三级时钟采样率为待解调信号的整数倍，把待解调信号分成两路，一路与余弦表相乘求积分后得到同相分量，另一路与正弦表相乘求积分后得到正交分量，同相直流分量和正交直流分量输入至幅度相位提取模块。
[0020]进一步地，所述的载波产生模块工作在一级时钟下，输出载波频率等于三级时钟
频率(nω
d
)。
[0021]进一步地，驱动力产生模块工作在三级时钟下，通过输入的幅度调整值和频率调整值输出驱动力，控制驱动模态位移响应幅值稳定，驱动力频率等于微机械陀螺谐振频率，输出到数模转换器施加到模拟部分。
[0022]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：
[0023]1)本专利技术的多级时钟管理能有效降低时钟频率和吞吐量，灵活控制各个数字信号处理模块工作在合适的时钟频率下，克服了现有微机械陀螺数字控制系统全局固定高频时钟引入的数字动态功耗浪费，在不损失微机械陀螺性能的前提下有效大幅降低数字动态功耗。
[0024]2)本专利技术采用的欠采样解调算法可以通过欠采样抽取实现载波解调，不需要额外的解调实现的同时克服了现有技术引入二倍频分量的问题，降低了后续数字信号处理模块的采样率，从而有效降低数字系统动态功耗。
[0025]3)本专利技术采用的傅里叶解调算法相比现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，其特征在于，以微机械陀螺谐振频率为基准设置多级采样率，通过解调算法设计控制微机械陀螺不同数字信号处理模块工作在合适采样率下以降低数字功耗；接口电路将微机械谐振器的被高频载波调制的运动信号通过高频过采样转成电压信号，进入数字信号处理系统后通过欠采样解调实现载波解调获得驱动和检测振动信号并降低采样率，通过傅里叶级数解调算法在低频采样率下对驱动和检测振动信号进行正交解调，以便进行对驱动环路进一步控制和检测环路角速度信号输出。2.一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：1)时钟产生管理模块以微机械陀螺谐振频率为基准时钟，通过对固定主频分频输出四级时钟采样频率，作为不同数字信号处理模块的时钟信号；2)微机械陀螺的接口电路将微机械陀螺的被高频载波调制的驱动模态和检测模态运动信号转成电压信号，通过模数转换器以一级时钟频率采样输入欠采样解调模块进行载波解调；3)欠采样解调模块工作在一级时钟频率和二级时钟频率下，对输入的运动信号进行两级滤波和抽取降低采样率，实现载波解调后输出驱动和检测的振动位移信号，将其输入到傅里叶级数解调模块；3)傅里叶级数解调模块工作在三级时钟频率下，对输入的信号进行正交解调，求取正交分量和同相分量，对于驱动模态，将同相分量和正交分量输入到幅度相位提取模块；对于检测模态，同相分量包含角速度信息，输出到通信模块；4)幅度相位提取模块工作在三级时钟频率下，对输入的信号进行数学运算，得到驱动模态运动位移信号幅度和相位值，把幅度值输入自动增益控制环路，相位值输入锁相环控制环路，自动增益控制环路输出幅度调整值到驱动力产生模块，锁相环控制环路输出频率调整值到驱动力产生模块；5)驱动力产生模块工作在三级时钟频率下，通过输入的信号调整驱动力信号幅值和频率，输出驱动力信号到数模转换器进入模拟部分；6)载波产生模块工作在一级时钟频率下，输出载波信号到数模转换器进入模拟部分；7)通信模块工作在四级时钟频率下，对输入的信号进行异步转换，发送到上位机。3.根据权利要求2所述的一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，其特征在于，所述的时钟管理模块以控制环路输出的微机械陀螺谐振频率作为时钟基准对主频进行分频，一级时钟采样率abnω
d
、二级时钟采样率bnω
d
、三级时钟采样率nω
d
都是陀螺谐振频率整数倍时钟信号，其中a、b、n都为正整数，ω
d
为陀螺谐振频率；时钟管理模块输出一级时钟作为模数转换器、载波产生模块和欠采样解调模块采样时钟；输出二级时钟作为欠采样解调模块多相带通抽取滤波器时钟；输出三级时钟作为傅里叶级数解调模块、幅度相位提取模块、自动增益控制环路、锁相环控制环路和驱动力产生模块采样时钟；输出四级时钟频率为固定高频时钟，作为通信模块采样时钟。4.根据权利要求2所述的一种多采样率的低功耗微机械陀螺数字信号处理方法，其特征在于，所述欠采样解调模块的欠采样解调处理是在一级时钟采...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞琼霞，郑旭东，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：