压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及微机电系统技术领域，具体地，设及一种压电半球谐振微巧螺仪的数 字控制检测系统。
【背景技术】
[0002] 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W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。
[0003] 压电半球谐振微巧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W及民用消费电子等领域等具有广泛的应用前景。运种巧螺利用谐 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。
[0004] 无论是压电半球谐振微巧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CHI肥沈JOURNAL OF沈NSORS AND ACTUATORS上发表的 文章"高性能微机械巧螺接口电路研究"。文献中提到，高性能微机械巧螺的接口电路采用 的是闭环驱动，并给出了基本的框图。微机械巧螺接口电路可分为两部分:驱动环路和检测 电路;驱动环路包括巧螺监测端、隔离放大器、自动增益控制（automatic gain con化〇1， AGC电路）、相移电路、功放电路W及巧螺驱动端，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。驱动环路为巧螺提供驱动信号，并为检测电路提 供载波信号，检测电路将巧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。
[0005] 在实际中，对不同特征的巧螺所需要配套的控制检测系统中各项电路参数是不同 的。即便针对一种巧螺，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。为了应对巧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巧螺的配套，也为通过升级硬件水平来达到巧螺的检测 精度要求和通过调整所采用的硬件水平来调整巧螺控制系统的成本提供了便利。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电半球谐振微巧螺仪的数字 控制检测系统，能够根据控制检测的需要对巧螺的输入角速度进行检测并对巧螺进行反馈 控制，具有性能可随硬件发展升级、响应快、调试简单等特点。
[0007] 为实现W上目的，本发明采用W下技术方案:本发明提供一种压电半球谐振微巧 螺仪的数字控制检测系统，包括压电半球谐振微巧螺仪模块、电荷放大器模块、ADC模块、 DA对莫块和数字信号处理模块，其中：
[0008] 所述电荷放大器模块将所述压电半球谐振微巧螺仪模块产生的电荷信号转换为 电压信号，并传输给所述AD对莫块；
[0009] 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；
[0010] 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DA对莫块输出；
[0011] 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巧螺仪模块；
[0012] 所述压电半球谐振微巧螺仪模块在所述DA对莫块给定的反馈信号下被激振或被驱 动，并产生检测信号。
[0013] 优选地，所述的压电半球谐振微巧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巧螺仪模块谐振频率同频的正弦电压信号，将压电半球谐 振微巧螺仪模块激振;压电半球谐振微巧螺仪模块被激振后，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巧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 压电半球谐振微巧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W根据需 要输入所述电荷放大器模块。
[0014] 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巧 螺仪模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。
[0015] 优选地，所述的压电半球谐振微巧螺仪模块被激振后，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巧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 巧螺仪模块。
[0016] 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巧螺仪模块 产生的电荷量积分为电压信号。
[0017] 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巧螺仪模块输入角速度相关信号分量大小选择采 样位数。
[0018] 优选地，所述的数字信号处理模块采用ARM、FPGA、DPS作为核屯、，并配合外部电路 形成一套对由AD对莫块输出的数字信号进行处理的数字信号处理系统。
[0019] 更优选地，所述数字信号处理模块对由压电半球谐振微巧螺仪模块产生并经过所 述电荷放大器模块和所述AD对莫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 微巧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巧螺仪模块产生并 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 电半球谐振微巧螺仪模块输入角速度大小正相关的直流信号。
[0020] 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运些数字信号的数组中的位置，并根据不同 的需要将保存运些数字信号的数组进行调整，实现自动调相功能。
[0021] 优选地，所述的DAC模块根据压电半球谐振微巧螺仪模块所需信号的精度选择分 辨率、根据压电半球谐振微巧螺仪模块所需信号的频率选择输出频率范围。
[0022] 本发明中，通过合理地选择ADC模块的采样率和采样位数、DAC模块的分辨率和输 出频率范围，并且选择与之相对应的数字信号处理核屯、，可W改变整套数字控制检测系统 的构建成本和检测能力。在对检测精度和检测速度要求较高的场合，可W选择有较高采样 率和采样位数的ADC忍片和有较高分辨率的DAC忍片，配合新款的FPGA或DSP忍片构建系统， 同时当硬件水平获得发展的同时，通过更换系统中的部分模块便可W提升数字控制检测系 统的检测水平。在对检测精度和检测速度要求不高的场合，可W选择采样率和采样位数不 高的ADC忍片和有较低分辨率的DAC忍片，配合ARM忍片构建系统，从而降低构建系统所需的 成本。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0024] 本发明通过采用数字控制检测的方法，实现了当巧螺所处环境变化时，可W不修 改电路参数继续对巧螺进行检测的功能。同时，为实现对巧螺检测性能的进一步升级预留 了发展空间。另外，本发明可W针对不同场合对巧螺的需要控制巧螺数字控制检测系统构 建的成本。
【附图说明】
[0025] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0026] 图1为本发明一实施例压电半球谐振微巧螺仪数字控制检测系统的原理框图；
[0027] 图2为本发明一实施例自动调相方法框图；
[0028] 图3为本发明一实施例自动调相的原理图；
[0029] 图4为本发明一实施例信号处理模块的原理框图。
【具体实施方式】
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