一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，陀螺检测信号经放大和滤波后分两路进入同步解调电路：一路由锁相环产生的参考信号进行解调，经低通滤波后得角速度信号；另一路由锁相环产生的参考信号相移90度后进行解调，经低通滤波后，提取出检测信号中的正交误差信号的电压幅值并经过积分电路得到反馈控制电压；该电压经过单双转换电路，被驱动检测电容调制到驱动频率上，产生反馈电流补偿检测轴方向上的正交位移电流，进而消除检测信号中的正交误差量，最终得到纯净的角速度。本发明通过反馈补偿微陀螺检测轴方向上的正交位移电流的方法来消除角速度检测环路中的正交误差量，实现了振动式硅微机械陀螺正交误差的高精度闭环补偿。
【专利说明】一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硅微机械陀螺正交误差的消除电路，属于模拟集成电路【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在实际生产中，由于加工微机械陀螺仪的微细加工技术的非完善性，会给微陀螺带来误差，主要有驱动电容不匹配引起的耦合误差，驱动和检测轴不垂直带来的正交误差等，其中正交误差是微机械陀螺信号检测的主要误差源，它与角速度包络信号频率相同、相位相差90度，对于一般的运算放大器或者滤波器很难将其滤除，而其大小将直接影响到陀螺仪的零位输出以及温度漂移。因此为了提高振动式微陀螺性能，必须消除正交误差的影响。
[0003]目前有关消除正交误差影响的电路，大都采用对检测输出进行同步解调的方法。同步解调方法选取微陀螺的检测位移信号与驱动位移信号经移相所得的参考信号进行乘法运算再经由低通滤波得到。然而由于现有模拟集成电路中移相电路的精度限制以及电路中电子元件输出漂移的影响，移相角度通常会发生变化。因此采用传统的同步解调方法时，输出结果中仍有较大的正交误差残余量。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提出了一种反馈补偿微陀螺检测轴方向上的正交位移电流的方法来消除角速度检测环路中的正交误差电压，即在传统的角速度同步解调电路中加入了增加了一个解调模块、单双转`换电路和增加陀螺驱动轴上的一组电容Cl和C2(位置等同于驱动检测电容)来实现振动式硅微机械陀螺正交误差的闭环补偿。
[0006]一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是，
[0007]微机械陀螺传感器检测位移电流i(t)表示为正交位移电流i_d(t)和科氏力位移
电流Icorioiis W的线性相加:
[0008]i (t) =iquad (t) +icoriolis (t) =i,d*sin (ω dt) +icoriolis* Ω z*cos (ω dt)(I)
[0009]其中，iquad是i_d(t)的幅值山_&是Uritjlis⑴的幅值；ω d为驱动谐振频率，t为时间，Ωζ为角速度；
[0010]设Y为检测轴方向，X1为驱动轴方向，两者偏离垂直方向的角度为β ;当质量块M受到静电驱动力Fsin(Odt)在X1方向谐振后，如果同时以角速度02绕2轴旋转，则M因受科氏力作用而在Y1方向谐振，则Y1与检测轴Y偏离角度为β ;
[0011]陀螺检测位移电流i(t)经过电荷放大器、多级线性放大电路后，经中心频率为驱动谐振频率Od的带通滤波电路滤波，滤波后的电压Vin(t)分两路进入同步解调电路:其中一路由锁相环产生的参考信号进行解调，该参考信号的相位与驱动模态信号相差90度，经过低通滤波后得角速度Ωζ ;另一路由锁相环产生的与驱动模态同频同相位的参考信号进行解调，经低通滤波后，提取出电压vin (t)中正交误差信号的电压幅值并经过积分电路得到反馈控制电压Vquad ;该电压经过单双转换电路，被驱动检测电容调制到频率sin (ω dt)上，反馈补偿检测轴Y方向上的正交位移电流，进而消除电压vin (t)中的正交误差电压量，最终解调得到纯净的角速度。
[0012]检测输出电压vin⑴表示为:
[0013]
【权利要求】
1.一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是， 微机械陀螺传感器检测位移电流i(t)表示为正交位移电流i_d(t)和科氏力位移电流icoriolis ⑴的线性相加:
? ⑴=Iquad ⑴ +icorioiis ⑴=iqUad*sin (ω dt) +icoriolis* Ω z*cos (ω dt)(I) 其中，Iquad是iQUad⑴的幅值山_&是Uriolis⑴的幅值；Od为驱动谐振频率，t为时间，Ω Z为角速度； 设Y为检测轴方向，X1为驱动轴方向，两者偏离垂直方向的角度为β ;当质量块M受到静电驱动力Fsin(Odt)在X1方向谐振后，如果同时以角速度02绕2轴旋转，则M因受科氏力作用而在Y1方向谐振，则Y1与检测轴Y偏离角度为β ； 陀螺检测位移电流i(t)经过电荷放大器、多级线性放大电路后，经中心频率为驱动谐振频率的带通滤波电路滤波，滤波后的电压vin(t)分两路进入同步解调电路:其中一路由锁相环产生的参考信号进行解调，该参考信号的相位与驱动模态信号相差90度，经过低通滤波后得角速度Ωζ ;另一路由锁相环产生的与驱动模态同频同相位的参考信号进行解调，经低通滤波后，提取出电压vin (t)中正交误差信号的电压幅值并经过积分电路得到反馈控制电压Vquad ;该电压经过单双转换电路，被驱动检测电容调制到频率sin (ω dt)上，反馈补偿检测轴Y方向上的正交位移电流，进而消除电压vin (t)中的正交误差电压量，最终解调得到纯净的角速度。
2.根据权利要求1所述的振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是， 检测输出电压vin (t)表示为:
3.根据权利要求2所述的振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是， 锁相环产生2路解调参考信号:角速度解调参考信号(308(?(^+(^)和正交误差解调参考信号sin(codt+<i)), Φ为二阶系统传递的理论相移。
4.根据权利要求3所述的振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是，检测输出电压vin (t)经锁相环产生角速度解调参考信号Cos(COdt-Cj5)进行解调，经低通滤波后的信号为:
5.根据权利要求3所述的振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是，锁相环产生的正交误差解调参考信号Ηη(ωΑ+Φ)，经解调和低通滤波后得:
6.根据权利要求3所述的振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路，其特征是，提取出电压vin(t)中正交误差信号的电压幅值经过积分电路得到反馈控制电压V ,- 反馈电流补偿的步骤为: 设驱动轴X1的驱动静电力为Fsin (ω dt)，驱动方向的位移X1，根据经典的二维自由度运动方程，当陀螺在X1方向谐振后:
【文档编号】G01C19/5776GK103822623SQ201410074446
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】白涛, 武凤芹, 龙善丽, 贺克军, 唐兴刚, 王丽丽, 童紫平, 张紫乾, 乔志斌, 吴传其, 王丽 申请人:中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心