专利名称：微机械陀螺数字信号处理方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统领域，特指一种微机械陀螺数字信号处理方法与装 置，用于振动式微机械陀螺驱动回路的控制以及输入角速度的解调输出。
背景技术：
微机械陀螺具有体积小、重量轻、价格低等优点，广泛应用于汽车、飞行器稳定控 制、武器系统导航制导、微卫星姿态控制等领域。基于科氏力效应工作原理的振动式微机械 陀螺的共同特点是有相互垂直的两个振动方向，即驱动振动方向和科氏力作用下的敏感振 动方向。其工作原理是驱动微陀螺的惯性质量在驱动轴向产生振动，如果有敏感轴向的输 入角速度，在科氏力的作用下，惯性质量将在检测轴向产生振动，测量该振动信号就能够从 中解调出输入角速度。为使陀螺正常工作，需要驱动轴驱动电路和敏感轴检测电路。驱动轴驱动电路提 供稳定的驱动轴等幅振动。敏感轴检测电路则利用驱动电路提供的同频参考信号对角速度 读出信号进行相干解调，得到角速度输出。驱动电路可以采用开环方式或闭环方式，开环方式直接由信号发生器输出频率等 于驱动轴谐振频率的正弦波，该方法产生的驱动信号频谱纯，干扰小。但是由于谐振频率随 温度等参数变化，开环方式很难跟随谐振频率变化，导致陀螺灵敏度和比例因子不稳定。现 有的闭环驱动方式一般采用自激振荡加自动增益控制实现。自激振荡可以自动跟踪谐振频 率，自动增益控制使驱动轴振动幅度恒定。陀螺往往有几个频率很接近的谐振模式，而常规 的自激振荡输出频谱并不是很纯，容易激发这些谐振模式。为了工作在所需要的最佳谐振 模式上，现有技术是在电路中加入窄带滤波器或锁相环。窄带滤波器参数易随环境变化，中 心频率很难与谐振频率保持一致。锁相环相当于中心频率跟随谐振频率的窄带滤波器，有 很好的滤波效果，但一般锁相环的数字方波输出具有丰富的高次谐波，很容易激发陀螺的 高阶谐振模式，从而干扰所需要的振动模式。同时，方波驱动导致的电流、电压尖峰干扰混 入角速度读出信号后很难通过传统的滤波方法消除。为使自激振荡电路工作在谐振频率， 需加入移相电路，模拟移相电路很难实现精确移相，且参数随温度、时间变化。敏感轴检测电路利用驱动电路提供的同频参考信号经相移后对读出信号进行相 干解调，得到角速度输出。现有的方法大多采用模拟电路实现，包括模拟乘法器或开关乘法 器与滤波器、移相器等，此类电路具有线性度差、动态范围小、温漂大，调试困难等缺点。现 有的数字检测方法很难准确测量角速度信号与正交误差信号。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，采用数字信号处理技术实现微机械陀螺 驱动回路的控制以及输入角速度的解调输出，改善陀螺性能，增加系统灵活性，提供一种结 构简单紧凑、易于批量生产和移植的高性能、高集成度微机械陀螺数字信号处理方法与装置。
为实现本发明而采用的技术解决方案是一种微机械陀螺数字信号处理方法与装置，包括驱动轴驱动信号的产生与控制直接数字频率合成器输出正弦波信号驱动微机械 陀螺，驱动反馈输出经模数转换器同步转换，转换的频率为驱动信号频率的整数倍，采样时 间长度为驱动信号周期的整数倍，数字信号处理器解算驱动反馈信号的相位与幅度，利用 相位参数调整直接数字频率合成器输出信号频率使其跟随陀螺谐振频率。利用幅度信息调 整直接数字频率合成器输出信号的幅度使微机械陀螺振动幅度恒定。角速度检测与误差处理敏感轴角速度读出信号经模数转换器同步转换，转换的 频率为驱动信号频率的整数倍，采样时间长度为驱动信号周期的整数倍，数字信号处理器 解算出同相角速度信号与正交误差信号，角速度信号由数模转换器转换为模拟信号输出或 经RS232、RS422数字输出。正交误差信号则可用于微机械陀螺的进一步处理。数字信号处理器采用特殊的数字相干解调算法解算驱动反馈信号的相位与幅度、 同相角速度信号与正交误差信号，其特殊性在于以驱动信号频率的整数倍对驱动反馈信 号、角速度读出信号进行同步采样，采样时间长度为驱动信号周期的整数倍，同时参考信号 是预先存储的正、余弦系数。基于同步整周期采样的数字相干解调算法简单、无频谱泄漏， 解算精度高。本发明的优点在于1、采用直接数字频率合成技术生成的驱动信号频谱纯，频率分辨率高，干扰小，降 低了对模拟滤波器的要求，实现容易；2、采用特殊的数字相干解调算法解算驱动轴的振动幅度、相位，以及输入角速度 及陀螺正交误差，算法简单，解算精度高；3、采用数字信号处理器和直接数字频率合成技术实现了对谐振频率的数字跟踪 和驱动信号幅度的稳定，在系统配置最简化的同时可保证陀螺工作在所需要的最佳谐振模 式上。4、利于锁相环倍频后产生的时钟信号驱动模数转换器对驱动反馈信号与角速度 读出信号进行整周期采样和解算，无频谱泄漏，提高了解算精度。5、采用数字信号处理技术大幅度减小了模拟电路，结构简单紧凑、处理功能强、便 于实现复杂的控制算法，易于批量生产和移植到各种类型的振动式微机械陀螺。
图1为本发明的组成结构框2为本发明的信号处理主程序流程3为本发明的数据采集中断处理子程序流程图
具体实施例方式以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明微机械陀螺数字信号处理装置主要包括数字信号处理器1、直 接数字频率合成器2，数字锁相环3、模数转换器4、低通滤波器与抖动驱动电路5、驱动反馈 信号调理电路6、角速度读出信号调理电路7、数模转换与低通滤波器8。数字信号处理器1可以是能完成本发明所述信号处理的单片机、DSP、FPGA或ASIC芯片。直接数字频率合成 器2可以采用但并不限于Analog Device的AD9952。AD9952内含14位DAC，能够输出频率 和幅度、相位可调的纯正弦波，幅度、相位调制分辨率为14位。在IOMHz时钟频率下，输出 信号频率范围0 5MHz，分辨率为0. 002Hz。AD9952在数字信号处理器1的控制下输出正 弦驱动信号Vd (t) = Vdsin(2 3ifdt)(1)其中Vd为驱动电压幅值；fd为驱动信号频率，与驱动轴谐振频率f^相等或接近以 保证陀螺的灵敏度。对于振动式微机械陀螺，驱动轴加驱动电压后会产生振动，振动的大小可由驱动 反馈信号检测。同时，敏感轴会有正比于角速度的调幅信号输出，测量该信号的幅度就可解 调出输入角速度。驱动反馈信号经调理电路6放大、滤波(对有高频载波的微机械陀螺，调 理电路6还包括模拟一次解调)后输出Vf(t) = VpSin (2 π fdt- θ d)(2)其中Vf可作为振动幅度指示；θ d为驱动反馈输出相对驱动输入的相移，当驱动信 号频率fd与谐振频率之差(fd_fj固定(例如驱动信号频率与谐振频率相等)时，相移 θ <!为常值，可在陀螺生产、标定过程中确定。敏感轴角速度读出信号中包含同相信号分量与正交误差信号分量，同相稳态输出 为一调幅信号，其载波频率等于驱动信号频率fd，幅度与输入角速度Ω、振动幅度成正比。 正交误差信号由机械耦合等因素造成，与包含角速度信息的同相信号相差90°。角速度读 出信号经调理电路7放大、滤波(对有高频载波的微机械陀螺，调理电路7还包括模拟一次 解调)输出Vs (t) = SF [ Ω sin (2 π fdt- θ s) +Ecos (2 π fdt- θ s) ](3)其中，SF· Ω . sin(2 3ifdt-0s)为同相信号，SF · E · cos (2 π fdt- θ s)为正交误 差信号；SF为陀螺灵敏度系数，与驱动轴振动幅度成正比；θ s为同相信号相对驱动输入的 相移，当驱动信号频率fd与谐振频率之差(fd-fj固定时，相移θ s为常值，可在陀螺生 产、标定过程中确定。直接数字频率合成器2输出的正弦信号同时经数字锁相环3进行N倍频后产生频 率为fNd = NXfd的时钟信号驱动模数转换器4对驱动反馈信号VF(t)与角速度读出信号 Vs (t)进行转换。N为大于2的整数，因此N个连续采样刚好为一驱动信号周期。本发明以N= 16 为例，对信号处理过程做进一步详细说明。在数字信号处理器1内部预先存储数字相干解 调用的正、余弦系数作为参考信号sin[i] = sin(2 π /16Xi- θ s(1)(4)cos [i] = cos (2 π /16 X i_ θ s(|)其中，i = 0，... 15，θ sQ为陀螺生产、标定时的θ s值对驱动反馈VF(t)与读出信号Vs(t)的每一个采样点VF(n)、Vs(η)，进行数字相干 解调算法
权利要求
1.一种微机械陀螺数字信号处理装置，其特征在于包括 数字信号处理器(1)用于信号解算与控制；直接数字频率合成器( 输出正弦信号，经低通滤波器与抖动驱动电路( 滤波、放大 后驱动陀螺振动轴；数字锁相环C3)对驱动信号进行整数倍频生成与驱动信号同步的模数转换与数据中 断采集时钟；模数转换器(4)对驱动反馈信号、角速度读出信号进行模数转换，转换后的数据由数 字信号处理器处理；驱动反馈信号调理电路(6)对驱动反馈信号进行放大、滤波； 角速度读出信号调理电路(7)对读出信号进行放大、滤波； 数模转换与低通滤波器(8)以模拟形式输出角速度信息。
2.一种微机械陀螺角速度与正交误差的数字相干解调算法，其特征在于步骤为(1)在数字信号处理器内部预先存储用于解调用的正、余弦系数；(2)以驱动信号频率的整数倍频采样角速度读出信号，采样时间长度为驱动信号周期 的整数倍；(3)正、余弦系数与采样数据相乘并累加得到角速度读出信号的同相分量和正交分量；(4)根据同相分量和正交分量得到输入角速度、正交误差。
3.一种微机械陀螺驱动幅度、相位的数字相干解调算法，其特征在于步骤为(1)在数字信号处理器内部预先存储用于解调用的正、余弦系数；(2)以驱动信号频率的整数倍频采样陀螺驱动反馈信号，采样时间长度为驱动信号周 期的整数倍；(3)正、余弦系数与采样数据相乘并累加得到驱动反馈信号的同相分量和正交分量；(4)根据同相分量和正交分量得到驱动反馈信号的幅度、相位。
4.根据权利要求2或3的简化的微机械陀螺数字相干解调算法，其特征在于将采样时间长度内每个信号周期对应位置上的点先相加，然后与正、余弦系数相乘相 加得到驱动反馈信号、角速度读出信号的同相分量和正交分量。
5.根据权利要求1或3或4的微机械陀螺驱动信号产生与控制，其特征在于步骤为(1)直接数字频率合成器产生微机械陀螺驱动轴正弦驱动信号；(2)数字信号处理器利用解算出的驱动反馈信号相位调整直接数字频率合成器输出频 率使陀螺工作在所需要的谐振频率上；(3)数字信号处理器利用解算出的驱动反馈信号幅度进行比例积分控制，并调整直接 数字频率合成器输出幅度使陀螺振动轴以所需要的幅度稳定振荡。
全文摘要
一种微机械陀螺数字信号处理方法与装置，主要包括数字信号处理器、直接数字频率合成器、数字锁相环、模数转换器。频率合成器输出频率、幅度可控的正弦驱动信号。驱动反馈信号与角速度读出信号由模数转换器同步转换，转换的频率为驱动信号频率的整数倍，采样时间长度为驱动信号周期的整数倍。数字信号处理器将采样数据与固定的正、余弦系数相乘并累加解算出输入角速度与正交误差，以及驱动反馈信号的相位与幅度，利用相位参数调整驱动信号频率使其跟随陀螺谐振频率。利用幅度参数调整驱动信号幅度使振动幅度恒定。本发明实现了微机械陀螺驱动与角速度解调的数字化，结构简单、解算精度高，易于批量生产和移植。
文档编号G01C19/5776GK102109345SQ20101058340
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者谢元平 申请人:谢元平