[发明专利]微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路

说明书

技术领域

本发明涉及的微固体模态陀螺，具体是一种微固体模态陀螺频率跟踪与稳定驱动幅值电路，特别是微固体模态陀螺的锁相环电路和自动增益控制电路，能够为微固体模态陀螺提供跟踪谐振频率、恒幅的驱动信号。

背景技术

微固体模态陀螺采用压电材料作为驱动和检测部件，是一种新型的全固态MEMS微陀螺。不同于一般MEMS振动陀螺，微固体模态陀螺的惯性质量和弹性支撑结构融合在一起，因此具有抗过载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、不需真空封装、启动时间短等优越特性，在消费电子产品、飞行器导航、智能炮弹与制导等领域具有广泛的应用前景。本发明研究的微固体模态陀螺是一种新型的角速度传感器。它利用压电质量块在特殊振动模态下的本征振动作为驱动振动，通过检测压电体极化方向上感应出的电压效应来获得外界相应方向上输入的角速度大小。

微固体模态陀螺的驱动电路是其工作的一个重要环节，它产生的驱动信号要求具有良好的可靠性、稳定性和重复一致性。经对现有技术的文献检索发现，上海交通大学的吴校生等人在2009年Journal of Micromechanics &Microengineering期刊上发表了一篇论文，题为“压电式微固体模态陀螺的振动分析”，该论文的期刊编号是125008。文献中提到的微固体模态陀螺驱动电路采用的是开环驱动模式。在开环驱动控制中，首先对陀螺的工作振动模态谐振频率进行测量，然后在驱动电极上施加正弦驱动信号，驱动信号的频率与陀螺工作振动模态谐振频率相同。但是在实际工作中，当环境温度、湿度、气压等参数发生变化的时候，陀螺的工作振动模态谐振频率也会在一定范围内发生漂移。另外，由于制造误差或材料参数的微小差异，不同的陀螺个体的工作振动模态的谐振频率也不尽相同。开环驱动不能够自动检测陀螺的工作振动模态谐振频率，从而带来较大的测量误差。在现有电路中，当微固体模态陀螺谐振体受到外界冲击或电源电压波动等干扰时，驱动振动幅值会发生相应的冲击或波动，这些因素都会造成陀螺测量精度的不稳定。

发明内容

本发明针对现有微固体模态陀螺驱动电路存在的不足，提出了一种微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，能够为微固体模态陀螺提供陀螺谐振频率跟踪、恒幅的驱动信号，有效地解决了上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微固体模态陀螺闭环锁相稳幅驱动电路，所述闭环锁相稳幅驱动是一种跟踪频率和稳定幅值的闭环驱动控制技术的电路，电路由电荷放大器电路，锁相环电路，等幅调相电路，自动增益控制电路，正反向放大电路组成。在振动初始，闭环锁相稳幅驱动电路以自身固定的频率输出给陀螺，作为初始驱动信号，陀螺受驱动后将会输出和驱动信号有一定的相位差的参考信号经电荷放大器转换为电压信号，此信号分为两路，一路经过锁相环电路，一路经过自动增益控制电路。经过锁相环电路后输出信号经过等幅调相电路，再经过自动增益控制电路，自动增益控制电路输出信号是被调相到和参考信号提前π/2的相位，再分别经过正反向放大电路去驱动陀螺，经过瞬时修正，陀螺即可达到谐振状态，其谐振时输入和输出相位差恒定为π/2，从而锁定了频率，此时整个闭环驱动系统稳定。

所述锁相环电路是由一个锁相芯片、低通滤波器组成，输入为正弦信号。在锁相环频率捕获范围内，锁相环输出信号将会和锁相环的输入信号频率一致，输出为方波，经过低通滤波器后转换为正弦波。在锁相环频率捕获范围外，输出频率与锁相环自身的固有频率一致，输出为方波，经过低通滤波器后转换为正弦波。

所述锁相芯片为专用集成锁相芯片，可跟踪输入信号的频率，输出为方波。固有频率的设置可通过锁相芯片外围电容的大小来设置，在本发明中，将其设置为陀螺谐振频率以上的一定范围的值所对应的电容大小。所述低通滤波器为二阶有源低通滤波电路，截止频率为陀螺谐振频率的2倍频。在锁相环中可将锁相芯片出来的方波过滤为正弦波，同时滤除高频噪声。

所述自动增益控制器是由一个可变增益放大器、放大电路、参考信号和检幅器组成的控制器。可变增益放大器的输出信号放大后经过检幅器，得到信号的振幅，再与参考电压比较，若检幅器输出高于参考信号幅值，则减小可变增益放大器增益；若检幅器输出低于参考信号幅值，则增大可变增益放大器增益，如此使得输出的信号幅值恒定，完成自动增益控制。

所述可变增益放大器为压控增益放大器，即电压作为控制信号调节放大器的增益。可变增益放大器是自动增益控制的核心部件，其作用等效于信号幅值控制器，通过闭环调节可变增益放大器的控制端来控制环路信号的幅值，使驱动信号的幅值恒定。