一种低成本挠性陀螺力平衡电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种低成本挠性陀螺力平衡电路，包括采集陀螺仪敏感外部角速度产生的敏感陀螺壳体与转子的转角信号的信号器，信号器输出一个经高频调制后的陀螺误差信号，输出至相敏解调电路，利用相敏解调电路将正弦交流调幅信号变换成与交流输入信号的峰值成线性关系的直流输出信号，经陷波器滤除频带干扰信号后输出至频率相位校正环节，对该直流信号进行校正，再由功放电路进行功率放大产生电流输出信号，加到陀螺力矩器上，使力矩器产生相应的力矩与陀螺力矩相平衡。相敏解调电路采用易采购常用器件替代专用集成芯片实现，简洁实用，便于集成组装，从而降低设计和生产成本。具有增益非线性小、增益稳定性高的优点。
【专利说明】一种低成本挠性陀螺力平衡电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种低成本挠性陀螺力平衡电路，属于电路【技术领域】。
【背景技术】
[0002]再平衡技术是惯性导航系统的关键技术之一，通常按照对力矩器施加电流方式的不同，可分为模拟再平衡回路和数字脉冲再平衡回路。模拟再平衡回路中，流经力矩器的是连续变化的直流电流量，为精确地测量力矩器电流，同时又便于与数字计算机相配合，一般采用精密电阻对电流信号进行采样，再用V/F或A/D转换电路将其转变为数字信号。数字脉冲再平衡回路对力矩器施加的则是幅值恒定的电流，将输入的速度信息调制在电流方向和持续时间上。这样作用的反馈力矩是脉冲力矩，因此称这种方式为脉冲加矩。
[0003]从20世纪70年代开始，Teledyne公司一直致力于模拟再平衡技术的研究，研制具有代表的Teledyne模拟再平衡回路，其后主要在简化线路、提高系统带宽、实现高精度、提高噪声抑制能力方面进行了改进研究。进入20世纪90年代以后，数字脉冲再平衡回路的主要研究方向在于使用现代控制方法设计回路控制器，提高再平衡回路的性能。数字脉冲再平衡回路以其加矩功率恒定和直接数字输出的特点也倍受青睐，但需要复杂的软件补偿算法和各种现代控制算法，数字回路中电路的高频噪声、处理器计算时间的补偿、采样频率的选择以及数字输出的线性化问题仍待解决。由此可知，模拟再平衡回路具有控制电路结构简单、可靠性高、体积小、容易实现高带宽的特点，尤其适合于对体积功耗和可靠性要求苛刻的场合。
[0004]挠性陀螺是用于确定方位角的元件，是影响惯导精度的关键部分。单有挠性陀螺是不能感测方位的，挠性陀螺必须与力平衡电路构成闭环系统才能应用。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低成本挠性陀螺力平衡电路，采用常用器件实现了增益非线性小、增益稳定性高、低零位输出。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，包括采集陀螺仪敏感外部角速度产生的敏感陀螺壳体与转子的转角信号的信号器，所述信号器输出一个经高频调制后的陀螺误差信号，输出至相敏解调电路，利用相敏解调电路将正弦交流调幅信号变换成与交流输入信号的峰值成线性关系的直流输出信号，经陷波器滤除频带干扰信号后输出至频率相位校正环节，对该直流信号进行校正，再由功放电路进行功率放大产生电流输出信号，加到陀螺力矩器上，使力矩器产生相应的力矩与陀螺力矩相平衡。
[0007]所述相敏解调电路包括比较器、模拟开关和两个反向比例放大器；
[0008]所述信号器输出的误差信号依次经两个反向比例放大器后输出频率幅值相等、相位相反的两路交流信号对应传输至模拟开关的两个输入端；
[0009]比较器根据解调基准信号输出一逻辑控制信号至模拟开关逻辑控制端，控制模拟开关的导通与截止，分别选择两个反向比例放大器输出的交流信号，并由所述模拟开关输出端输出全波相敏输出信号。
[0010]所述比较器正向输入端通过限流电阻连接解调基准信号，比较器负向输入端接地，两个微调端端接；比较器输出端通过上拉电阻连接正电源，比较器发射级输出端连接地，从而构成集电OC门输出同频率、同相位方波信号；比较器输出端同时连接稳压二极管。
[0011]陀螺信号器输出的误差信号首先经过隔直电容滤除其直流分量。
[0012]还包含一滤除模拟开关输出的全波相敏输出信号纹波的低通滤波器。
[0013]本实用新型所达到的有益效果:
[0014]本实用新型所述的力平衡电路是挠性陀螺在稳定的激励信号下(加到差动传感器上)，将信号传感器所输出的方位误差信号进行放大处理，得出方位信号。同时，将处理后的信号按一定比例反馈到陀螺信号的力矩器上，使挠性陀螺处于零位，并对挠性陀螺一些误差进行补偿，从而保证了系统的稳定性和动态特性。
[0015]1、与现有常见挠性陀螺表头所相配伺服回路板相比，本电路采用SMT双面陶瓷基板组装，金属管壳灌封工艺。具有集成度高、体积小、重量轻、低功耗、可靠性高、调试方便。
[0016]2、电路采用通用线性集成电路，特别是相敏解调电路采用易采购常用器件替代专用集成芯片实现，简洁实用，便于集成组装，从而降低设计和生产成本。
[0017]3、电路具有增益非线性小、增益稳定性高的优点。电路选用精密低噪声运算放大器，且其小信号带宽和功率带宽足够大，解决微弱信号容易受噪声等干扰的影响的精度问题。选用稳定性较好的集成电路和温度系数较好的阻容元件保证增益稳定性。
[0018]4、陷波器电路电阻采用厚膜集成电阻，使电路具有较好温度一致性，减少温度对中心频率的影响。电路采用外接阻容器件以适用于不同陀螺参数匹配，有效降低电路体积，提高了电路的可靠性。
[0019]5、校正环节的选择是力平衡技术值得研究的课题，国内外不同厂家根据各自的需要，研制了各种阻容网络形式，例如桥T网络。本电路采用有源校正网络，所用元件少、成本低、可靠性高，可根据需要外接阻容器件来满足陀螺系统动态和静态性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是陀螺力平衡电路功能框图；
[0021]图2是相敏解调电路设计原理图；
[0022]图3是二阶陷波器(带阻滤波器)；
[0023]图4是校正电路图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0025]本实用新型的陀螺力平衡电路工作原理:
[0026]在陀螺仪系统中，当陀螺敏感外部角速度产生的敏感陀螺壳体与转子的转角时，传感器(信号器)与检测电路所搭成的桥路失去平衡，输出一个经高频调制后的误差信号Λ u(信号器上加有高频激磁电压)，这个微弱的误差信号通常是毫伏级交流信号，不能直接作为控制信号直接加在陀螺力矩器线圈上。因此需要对其进行解调，得到与其幅值成正比的直流信号，为消除陀螺仪转子倍频干扰和章动效应，在电路设计中增加带阻滤波器(陷波器)，以滤除不需要的频带干扰信号。为了使陀螺仪获得良好动态和静态性能，需要增加频率相位校正环节。校正环节输出的信号驱动能力很差，电路后端必须经过功率放大环节放大，才能产生足够的电流输出到力矩器，使力矩器产生相应的力矩，与陀螺力矩相平衡，从而形成闭环角速度敏感系统。
[0027]力平衡处理电路主要工作原理如图1所示:陀螺误差信号经过前置高阻抗交流电压放大后，信号进行相敏解调，输出具有正负极性的直流误差信号。为保证系统稳定的工作，再次对该直流信号进行相位网络校正，最后功率放大，加到陀螺力矩器上，以获得足够大的再平衡力矩来确保恢复敏感元件转子轴的位置处于零位工作状态。从而把陀螺拉回并锁定在它的传感器零位上，使系统达到再平衡。
[0028]本实用新型的陀螺力平衡电路的功能实现:
[0029]陀螺信号器本质为一个信号调制器，本电路以16kHZ的正弦信号为载波，并且载波信号幅值被陀螺偏角调制，该载波信号的包络线即为实际陀螺信号调制还原。因此利用相敏解调电路将正弦交流调幅信号变换成与交流输入信号的峰值成线性关系的直流输出信号，恢复转子偏角信息。现有陀螺仪通常采用国产集成电路LB8023/5或者AD公司生产AD598,价格比较贵，本电路设计的相敏解调电路采用比较器、模拟开关、运算放大器构成。如图2所示，比较器采用高速比较器，模拟开关是相敏解调的关键环节，采用四路单刀双置导通电阻参数小的模拟开关。运算放大器采用高共模抑制比、低失调电压的运算放大器。
[0030]比较器NI正向输入端通过限流电阻R16连接解调基准信号，比较器NI负向输入端接地，微调端(比较器NI的管脚5和管脚6)端接。比较器NI输出端通过上拉电阻R17连接正电源V+，比较器NI发射级输出端(管脚I)连接地，从而构成集电OC门输出同频率、同相位方波信号，比较器NI输出端(管脚7)连接稳压二极管，用于方波信号限幅，以满足逻辑控制信号电平要求。
[0031]比较器NI输出信号连接模拟开关N3逻辑控制端(管脚10和管脚15)，用于选通模拟开关N3输入信号(管脚6和管脚8)。模拟开关N3在电源端(管脚11和管脚14)需连接高可靠滤波电容C15、C16，模拟开关N3输出端(管脚5或管脚9)接小容值电容C6，用于滤除模拟开关切换产生的尖峰干扰。
[0032]陀螺信号器误差输入信号经过隔直电容C5滤除其直流分量；电阻R18、R19、运算放大器N2B构成反向比例放大器，交流放大比例系数Kl= 一 R19/R18。前置交流放大器增益Kl不宜过大，要求陀螺转子刚好接触限动器放大器输出不饱和，通常设置增益Kl范围5?
10。比例增益电阻R21、R22、运算放大器N2C构成反向比例放大器，放大器增益K2= — R22/R21，此电路比例系数K2 =-1。此时运算放大器N2B和N2C输出频率幅值相等、相位相反的交流信号对应至模拟开关N2输入端(管脚8和管脚6)，比较器NI输出逻辑控制方波信号控制模拟开关的导通与截止，分别选择运算放大器N2B和N2C输出交流信号，此时模拟开关N2输出(管脚5或管脚9)全波相敏输出信号。
[0033]全波相敏输出信号一般存在载波的倍频纹波信号，本电路选用二阶MFB低通滤波器将此纹波滤除。为了最大限度衰减采样信号的噪声，截止频率应尽可能的低，但过低会影响系统带宽。所以截止频率设置应综合带宽和系统噪声考虑来设置。其中二阶MFB低通滤波器增益K3= - R4/R5，电阻R6可以改变滤波器截止频率。
[0034]为消除陀螺仪转子倍频干扰和章动效应，电路采用二阶陷波器(带阻滤波器)，由运算放大器财8、电阻册16、册17、册23、电容(:和CY组成。如图3所示，电阻HR16、HR17、HR23采用厚膜电阻集成，使电路中电阻具有较好温度一致性，从而减少温度对中心频率的影响。电容C采用外接，方便用户灵活使用。电容CY为外接补偿电容，用于微调，从而有效改善了挠性陀螺组件输出特性。
[0035]校正环节的作用是改善陀螺仪的动态品质，提高系统的带宽和相对稳定性。如图4所示，校正环节由运算放大器N5C、电容C7、C8和电阻R27、R28网络构成超前校正电路，电路简单可靠。陀螺内部参数很难测定且参数具有一定差异性，因此根据系统要求调整相应的外接阻容器件来适应不同参数的陀螺仪，以保证伺服回路的稳定性和动态特性。电路设计中电阻R29、R30、R31、R32用于有源激光调整阻值，合理设置保证电路零点补偿，从而保证电路低零位输出。
[0036]为了降低电路的输出零位，设计过程中对输入信号首先进行隔直处理，以消除输入信号中的直流成分对输出零位的影响；选用具有低失调电压和低失调电压温度系数的运算放大器构成放大、反相、滤波和校正电路；后级电路设置零位调整电路，对输出零位进行调整。
[0037]为提高电路增益非线性，构成放大电路的运算放大器选用精密低噪声运算放大器，且其小信号带宽和功率带宽都足够大。通过加强滤波、合理布局布线降低噪声和干扰对增益的影响。选用稳定性较好的集成电路和温度系数较好的阻容元件构成电路，提高电路的增益稳定性。
[0038]表1为电路试验性能参数，电路输出零位小于5mV，增益非线性小于2%，增益稳定性小于250ppm/°C。通过试验结论，可以看出本实用新型的电路具有增益非线性小、增益稳定性高、低零位输出的优点。`
[0039]表1电路性能参数
[0040]
【权利要求】
1.一种低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，包括采集陀螺仪敏感外部角速度产生的敏感陀螺壳体与转子的转角信号的信号器，所述信号器输出一个经高频调制后的陀螺误差信号，输出至相敏解调电路，利用相敏解调电路将正弦交流调幅信号变换成与交流输入信号的峰值成线性关系的直流输出信号，经陷波器滤除频带干扰信号后输出至频率相位校正环节，对该直流信号进行校正，再由功放电路进行功率放大产生电流输出信号，加到陀螺力矩器上，使力矩器产生相应的力矩与陀螺力矩相平衡。
2.根据权利要求1所述的低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，所述相敏解调电路包括比较器、模拟开关和两个反向比例放大器； 所述信号器输出的误差信号依次经两个反向比例放大器后输出频率幅值相等、相位相反的两路交流信号对应传输至模拟开关的两个输入端； 比较器根据解调基准信号输出一逻辑控制信号至模拟开关逻辑控制端，控制模拟开关的导通与截止，分别选择两个反向比例放大器输出的交流信号，并由所述模拟开关输出端输出全波相敏输出信号。
3.根据权利要求2所述的低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，所述比较器正向输入端通过限流电阻连接解调基准信号，比较器负向输入端接地，两个微调端端接；比较器输出端通过上拉电阻连接正电源，比较器发射级输出端连接地，从而构成集电OC门输出同频率、同相位方波信号；比较器输出端同时连接稳压二极管。
4.根据权利要求1所述的低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，陀螺信号器输出的误差信号首先经过隔直电容滤除其直流分量。
5.根据权利要求2所述的低成本挠性陀螺力平衡电路，其特征是，还包含一滤除模拟开关输出的全波相敏输出信号纹波的低通滤波器。
【文档编号】G01C19/08GK203550961SQ201320681539
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】刘鹏, 刘尊建, 周峻霖, 卢剑寒 申请人:中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心