动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱的制作方法

本实用新型涉及一种教学实验用实验箱。特别是涉及一种动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱。

背景技术：

当今信息社会，特别是物联网时代的到来，任何科技进步都离不开测量与控制，无论是航天航空事业中的卫星发射，还是生活中的食品安全监测，都有测控系统在其中发挥着重要的作用。测控电路与传感器和执行机构共同构成了测控系统，“测控电路”课程已经被全国各高校的仪器信息相关专业列为核心课程，而测控电路实验作为课程学习与实践应用的必要环节，已经被相关各专业列为必修课。

在以往的测控电路实验箱中，多采用一种或者多种特定的传感器或执行器进行信号处理实验，依赖于传感器的原理、材料和工艺，大多具有固定的信号处理方式，无法锻炼实验者的电路设计能力，并且往往局限于开环信号的测量或输出，很难将所学的控制理论知识应用于实验中。甚至，有一些实验箱过多的集成了数字处理芯片和集成处理软件，使得实验者对信号处理方法很难进行深入了解，无法应用所学的电路知识。因此，借助以往的测控电路实验箱，实验者只能学到特定电路模块的使用方法，对整个测控系统的认识严重不足。

现有的实验箱，不能让实验者在实验中了解测控电路在测控系统中作用，也不足以训练实验者设计各类电路模块的能力，更难以应用所学的测量控制知识特别是闭环控制理论。因此，研发一种能够满足实验者测控电路设计与应用需求的实验箱具有非常重要的价值。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够解决现有实验箱在电路模块不全面和控制知识应用缺失等方面不足的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱。

本实用新型所采用的技术方案是：一种动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱，包括动力调谐陀螺仪机械表头和电源模块，还设置有动力调谐陀螺仪模拟器和用于分别模拟信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、信号运算电路、校正电路和执行器驱动电路的电路模块实验箱，所述的电源模块为动力调谐陀螺仪机械表头、动力调谐陀螺仪模拟器和电路模块实验箱提供电源，所述的动力调谐陀螺仪机械表头通过机械表头接口连接电路模块实验箱构成闭合回路，所述动力调谐陀螺仪模拟器通过模拟器接口连接电路模块实验箱构成闭合回路。

本实用新型的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱，以陀螺仪再平衡回路为基础设计测控电路综合实验，集成了信号调制、放大、滤波、解调、运算、校正和执行器驱动等七大电路模块的设计与调试，可以在进行各模块的独立实验后联合调试，完成陀螺仪再平衡回路这个综合实验，不仅能让实验者熟悉掌握各类电路模块的设计，还能引导实验者学习闭环测量控制电路的设计方法。使得实验者能够在一套实验箱的使用中，掌握测控电路在闭环测控控制系统中的功能。另外，本实用新型还提供了一种陀螺仪模拟器的设计方法，完全可替代陀螺仪机械表头，有效地克服了动力调谐陀螺仪应用于实验者实验中造价过高和模型模糊的问题。

附图说明

图1是本实用新型的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱整体电路构成框图；

图2是发明中电路模块实验箱的电路原理图；

图3是发明中动力调谐陀螺仪模拟器的电路构成框图；

图4是发明动力调谐陀螺仪模拟器中组合电路的电路构成框图。

图中

101：电源模块 102：动力调谐陀螺仪机械表头

103：动力调谐陀螺仪模拟器 104：电路模块实验箱

105：接线端子 106：机械表头接口

107：模拟器接口 108：表头接口选择开关

109：信号放大实验模块 110：滤波电路实验模块

111：信号解调实验模块 112：实现矩阵运算的信号运算实验模块

113：校正电路实验模块 114：执行器驱动实验模块

1031：第一函数模拟器 1032：第二函数模拟器

1033：第三函数模拟器 1034：第四函数模拟器

1035：第一加法器 1036：第一调制模块

1037：第二加法器 1038：第二调制模块

10311：第一组合电路 10312：第一反相器

10321：第二组合电路 10322：第一德波积分器

10323：第一比例器 10324：第二反相器

10331：第三组合电路 10332：第二德波积分器

10333：第二比例器 10341：第四组合电路

10342：第三反相器 103111：第四反相器

103112：第三加法器 103113：第三德波积分器

103114：第四德波积分器 103115：第五反相器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱做出详细说明。

本实用新型的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱，旨在解决现有实验箱在电路模块不全面和控制知识应用缺失等方面的不足。陀螺仪再平衡回路，是连接在动力调谐陀螺仪信号器和力矩器这两个传感和执行部分之间的重要环节，是陀螺仪这个测控系统工作在锁定方式下的关键组成部分，以此为基础设计测控电路综合实验，不仅能让实验者熟悉掌握各类电路模块的设计，还能引导实验者学习闭环测量控制电路的设计方法。

如图1所示，本实用新型的动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱，包括动力调谐陀螺仪机械表头102和电源模块101，还设置有动力调谐陀螺仪模拟器103和用于分别模拟信号放大电路、滤波电路、信号解调电路、信号运算电路、校正电路和执行器驱动电路的电路模块实验箱104，所述的电源模块101为动力调谐陀螺仪机械表头102、动力调谐陀螺仪模拟器103和电路模块实验箱104提供电源，所述的动力调谐陀螺仪机械表头102通过机械表头接口106连接电路模块实验箱104构成闭合回路，所述动力调谐陀螺仪模拟器103通过模拟器接口107连接电路模块实验箱104构成闭合回路。

如图3所示，所述的动力调谐陀螺仪模拟器103包括有第一函数模拟器1031、第二函数模拟器1032、第三函数模拟器1033和第四函数模拟器1034，其中，所述第一函数模拟器1031和第三函数模拟器1033的信号输入端连接电路模块实验箱104的X轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_X，所述第二函数模拟器1032和第四函数模拟器1034的信号输入端连接电路模块实验箱104的Y轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_Y，所述第一函数模拟器1031和第二函数模拟器1032的信号输出分别连接第一加法器1035的信号输入端，所述第一加法器1035的信号输出端通过第一调制模块1036连接电路模块实验箱104的X轴电路中的信号放大实验模块109的信号输入端U_OX，所述第三函数模拟器1033和第四函数模拟器1034的信号输出分别连接第二加法器1037的信号输入端，所述第二加法器1035的信号输出端通过第二调制模块1038连接电路模块实验箱104的Y轴电路中的信号放大实验模块109的信号输入端U_OY。

所述的第一函数模拟器1031是由依次串联的第一组合电路10311和第一反相器10312构成，所述的第二函数模拟器1032是由依次串联的第二组合电路10321、第一德波积分器10322、第一比例器10323和第二反相器10324构成，所述第三函数模拟器1033是由依次串联的第三组合电路10331、第二德波积分器10332和第二比例器10333构成，所述第四函数模拟器1034是由依次串联的第四组合电路10341和第三反相器10342构成，其中，所述第一函数模拟器1031和第三组合电路10331的信号输入端连接电路模块实验箱104的X轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_X，所述第二组合电路10321和第四组合电路10341的信号输入端连接电路模块实验箱104的Y轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_Y，所述第一反相器10312和第二反相器10324的信号输出分别连接第一加法器1035的信号输入端，所述第二比例器10333和第三反相器10342的信号输出分别连接第二加法器1037的信号输入端。

如图4所示，所述的第一组合电路10311、第二组合电路10321、第三组合电路10331和第四组合电路10341结构相同，均包括有：依次串联构成回路的第三加法器103112、第四反相器103111、第三德波积分器103113、第四德波积分器103114和第五反相器103115，其中，所述第三加法器103112两个输入端中的一个输入端连接电路模块实验箱104的X轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_X或连接电路模块实验箱104的Y轴电路中的执行器驱动实验模块114的信号输出端M_Y，所述第四德波积分器103114的输出U_O构成第一组合电路10311或第二组合电路10321或第三组合电路10331或第四组合电路10341的输出对应连接第一反相器10312或第一德波积分器10322或第二德波积分器10332或第三反相器10342。

如图4中箭头所示，M_X、M_Y作为第三加法器103112的一个输入端，第三加法器的输出端连批四接反相器103111、第三、第四德波积分器103113、103114得到的输出为信号输出U_o的测量位置，该处的信号经过第五反相器103115反馈输入到第三加法器103112的另一个输入端，形成负反馈，从而得到

动力调谐陀螺仪模拟器103通过第一函数模拟器1031、第二函数模拟器1032、第三函数模拟器1033和第四函数模拟器组合电路的设计，有效模拟动力调谐陀螺仪机械表头102的输入输出形式，以替代成本较高的机械表头。主要实现的陀螺仪的数学模型和信号调制功能。动力调谐陀螺仪模拟器103内部存在着交叉轴耦合的现象，实现的具体传递函数G(s)(图3中所示)为下式(1)，电路设计的难点在于二阶/三阶无阻尼系统的实现。

其中，J表示动力调谐陀螺仪机械表头102的角动量，H表示动力调谐陀螺仪机械表头102的转动惯量；H/J²s[s²+(H/J)²]项表示动力调谐陀螺仪机械表头102的进动特性，即一个轴上的作用力矩产生绕另一个轴上的转动，是动力调谐陀螺仪机械表头102的主传输项；1/J[s²+(H/J)²]项表示动力调谐陀螺仪机械表头102的刚体特性，即一个轴上的作用力矩产生绕同一轴的转动，是不希望存在的动力调谐陀螺仪机械表头102的耦合项。该传递函数G(s)在动力调谐陀螺仪机械表头102中实现的运算为：

其中，M_x、M_y分别是X轴和Y轴执行器驱动的输入，U_x和U_y是X轴和Y轴信号器的输出，Φ_x、Φ_y分别是X轴和Y轴外界的角速度输入。

电路模块实验箱104与动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103相接。机械表头接口106和模拟器接口107分别连接动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103，表头接口选择开关108负责进行动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103两种方式的选择。表头接口选择开关108连接信号放大实验模块109、滤波电路实验模块110、信号解调实验模块111、实现矩阵运算的信号运算实验模块112、校正电路实验模块113和执行器驱动实验模块114后构成闭合回路。

如图1所示，所述的电路模块实验箱104包括有两路结构完全相同的X轴电路和Y轴电路，以及实现矩阵运算的信号运算实验模块112，所述的X轴电路和Y轴电路都是由依次串联连接的信号放大实验模块109、滤波电路实验模块110和信号解调实验模块111，以及相串联的校正电路实验模块113和执行器驱动实验模块114构成，其中，所述信号放大实验模块109的信号输入端都通过表头接口选择开关108连接机械表头接口106或模拟器接口107的X轴信号输出端和Y轴信号输出端，所述信号解调实验模块111的信号输出端对应连接所述实现矩阵运算的信号运算实验模块112的X轴信号输入端和Y轴信号输入端，所述实现矩阵运算的信号运算实验模块112的X轴信号输出端和Y轴信号输出端对应连接所述校正电路实验模块113的信号输入端，所述执行器驱动实验模块114的信号输出端通过表头接口选择开关108对应连接机械表头接口106或模拟器接口107的X轴信号输入端和Y轴信号输入端。

如图1所示，所述的信号放大实验模块109的信号输入端，以及信号放大实验模块109、滤波电路实验模块110、信号解调实验模块111、信号运算实验模块112、校正电路实验模块113和执行器驱动实验模块114的连接点之间，以及执行器驱动实验模块114的信号输出端均分别各设置有一用于连接替换对应电路模块的接线端子105。在实验过程中，实验者可自行搭建等效电路通过电路模块实验箱104上的接线端子105替换电路模块实验箱104上的电路进行对比实验。

所述电路模块实验箱104中基础电路如图2所示，其中，A为信号放大实验模块109的电路原理图，B为滤波电路实验模块110的电路原理图，C为信号解调实验模块111的电路原理图，D为实现矩阵运算的信号运算实验模块112的电路原理图，E为校正电路实验模块113的电路原理图，F为执行器驱动实验模块114的电路原理图。

信号放大实验模块109用于对动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103内部电感传感器输出的微弱电压信号进行测量放大，以提高信噪比，便于阻抗匹配。电路模块实验箱104配有仪用放大电路，如图2中的A可供实验者进行测试。

滤波电路实验模块110在对动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103的信号经信号放大实验模块109输出信号进行前置放大后，需要进一步滤除来自环境、器件本身的干扰。就需要使用带通滤波电路对输入的调幅信号进行选频放大。电路模块实验箱104配有带通滤波电路如图2中的B，可供实验者测试。

信号解调实验模块111，动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103信号器输出偏摆信号是调制在激磁信号上的调幅信号，经过前置放大和带通滤波后，需要采用检波电路将调幅信号还原为与陀螺转子相对陀螺壳体偏摆成线性关系的电压信号。为更好的了解不同解调电路的特性，电路模块实验箱104准备了两种解调电路(如图2中的C，乘法器解调电路、开关解调电路)供实验者用来进行对比实验。

实现矩阵运算的信号运算实验模块112实现的是动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103的解耦运算，电路模块实验箱104准备了实现矩阵运算的信号运算实验电路(如图2中的D)供实验者用来进行对比实验。实现矩阵运算的信号运算实验模块112具体实现的矩阵运算为D(s)如式(3)：

G(s)与D(s)相乘后有式(4)，从而得到对角矩阵，实现解耦运算。

校正电路实验模块113：动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103的再平衡回路，是一个实现动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103自锁定的闭环回路，是一个典型随动系统。通过校正，系统应该达到一定指标要求。对再平衡回路的基本要求可以归纳为：

1)闭环稳定，并具有一定的幅值和相角稳定裕度。

2)满足规定的动、静态指标。静态指标是指系统在角度常值、速率和角加速度输入信号下的稳态偏差；良好的动态指标是指系统及时跟踪角速率变化的能力，具有足够的带宽。

3)能提供足够的加矩电流，平衡最大的输入角速度，在承受最大角加速度时转子偏角不超过规定的范围。

电路模块实验箱104配有校正电路实验电路，如图2中的E可供实验者进行测试。

执行器驱动实验模块114，通常，经过前面各个环节处理后的信号功率很小，不足以驱动力矩线圈输出足够的力矩，所以需要对信号进行功率放大，提高再平衡回路的驱动能力。功率放大电路由线性功率放大器件组成，输出力矩电流，驱动动力调谐动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103力矩器对陀螺转子施矩。利用力矩电流采样电阻，将再平衡回路输出的力矩电流转化为电压，经过滤波、放大后，实现对外界角速度的测量。电路模块实验箱104配有执行器驱动实验电路，如图2中的F可供实验者进行测试。

本实用新型所述的基于动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱的实验方法，包括分别进行的：信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验，以及在信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验的基础上进行的闭合回路调试实验。其中

一、所述的信号放大电路实验包括如下步骤：

1)根据输入信号的幅值、频率以及设计的放大倍数，实验者设计并搭建单级放大电路；

2)分别记录搭建的单级放大电路和电路模块实验箱104中用于信号放大实验模块109的仪用放大电路对1Hz、10HZ、100Hz、1KHz、10KHz和100KHz的共模输入信号的响应，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路的共模抑制比；

3)将搭建的单级放大电路和仪用放大电路的放大倍数均调为20倍，然后逐渐增加差模输入信号的频率，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路放大倍数不能达到设定的20倍时的频率，并得到单级放大电路和仪用放大电路带宽与增益的关系；

4)将搭建的单级放大电路的输入，通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104中的信号放大实验模块109，观测此时搭建的单级放大电路在回路中的输出信号的噪声水平。

二)所述的信号滤波电路实验包括如下步骤：

1)根据带通滤波要实现的中心频率和品质因数的设定，实验者选择带通滤波器的电路结构，如无限增益多路反馈型滤波器，压控电压源型滤波器等，计算相应电路结构中的电阻和电容值；

2)利用电路仿真软件(例如multisim、pspice等进行电路仿真)得到所设计电路的频域响应曲线，以及实际的中心频率和品质因数，如果未达设计要求，则要进一步调整电路的结构和参数；

3)根据仿真结果搭建相应的实际电路，测试电路频域响应曲线，与仿真得到的曲线对比，如果一致通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104中的信号滤波实验模块110，观测此时搭建的信号滤波电路的带通滤波效果。

三)所述的信号解调电路实验，包括如下步骤：

1)确定输入信号的幅值与频率，实验者搭建乘法器解调电路；

2)对搭建的乘法器解调电路中的移相器相位进行调节，直至移相器的输出与电路模块实验箱104中信号滤波模块110的输出信号相位完全一致，然后通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104中的信号解调实验模块111，观测所搭建的乘法器解调电路输出信号的幅值和噪声水平；

3)实验者搭建开关解调电路，观测每个周期内搭建的开关解调电路中的参考输入信号和信号滤波模块110的输出信号在同相和反相两种情况下，所述的开关解调电路的输出信号的幅值是否一致，如果一致保存所述的开关解调电路，否则修正所述的开关解调电路。

四)所述的信号运算电路实验包括如下步骤：

1)实验者根据设定的矩阵参数确定实现矩阵运算的电路中的电阻和电容参数；

2)在电路仿真软件中进行矩阵运算的仿真，使用方波信号进行电路运算结果的验证，观察仿真结果，调整参数直到对轴得到三角波信号，而同轴得到与输入方波信号成比例关系的方波信号；

3)搭建信号运算电路，利用方波进行实验验证，观察实验结果，如果与仿真结果一致，就通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104中的实现矩阵运算的信号运算实验模块112，观测所搭建的信号运算电路在回路中的解耦效果。

五)所述的校正电路实验包括如下步骤：

1)确定基于动力调谐陀螺仪再平衡回路预计的校正目标参数，预期的截止频率和相角裕度；

2)实验者利用数学仿真软件(如Labview、matlab等进行控制系统设计仿真)仿真得到校正电路参数和回路的开闭环幅频特性，计算得到校正电路中具体的电容和电阻值；

3)实验者搭建校正电路，通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104中的校正电路实验模块113，进行回路的阶跃响应测试，根据测试曲线得到回路实际的带宽。

六)所述的执行器驱动电路实验包括如下步骤：

1)实验者对普通运放电路如op07的驱动能力进行测试，得到普通运放电路的最大输出电流；

2)选择适合线圈驱动的功率放大芯片，使用选择的功率放大芯片搭建放大电路，测试所述放大电路输出的最大电流，如果最大电流大于2A，接入模拟力矩线圈，检验是否能够提供2A的驱动，如果可以，则通过接线端子105接到回路中，替代电路模块实验箱104上的执行器驱动实验模块114，否则重新选择功率放大芯片。

七)所述的闭合回路调试实验包括如下步骤：

1)改变动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输入的角速度，观察动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输出的已调信号的变化；

2)依次观测搭建的信号放大电路，信号滤波电路的输出；

3)调节好搭建的信号解调电路中的移相电路，观测信号解调电路的输出；

4)在动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输入的x轴或y轴的角速度时，观测并记录搭建的信号运算电路的输出；

5)将搭建的校正电路和执行器驱动电路也接入回路中，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103的x轴和y轴的输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合，即其输出的为饱和的电源直流电平或者为震荡信号，则未能实现闭合，需再次根据校正电路实验的仿真结果，进一步调节校正电路参数。