算放大器（T1)的正输入端与第一低通滤波器的输出端连接；第二运算放大器 (T2)的正输入端、第三运算放大器（T3)的正输入端、第四运算放大器（T4)的正输入端、第 五运算放大器（T5)的正输入端、第六运算放大器（T6)的正输入端均接地；第六运算放大器 (T6)的输出端与第二低通滤波器的输入端连接； 第一电容（Cfl)的两端分别与第二运算放大器（T2)的负输入端和输出端连接；第二电 容（Cf2)的两端分别与第三运算放大器（T3)的负输入端和输出端连接； 第一温度补偿电阻（Rfla)的一端接地，另一端与第一运算放大器（T1)的负输入端连接； 具有正温度系数的热敏电阻（Rflb)的两端分别与第一运算放大器（T1)的负输入端和输出端 连接；第二温度补偿电阻（Rfl。）的两端分别与第一运算放大器（T1)的输出端和第二运算放 大器（T2)的负输入端连接；第二电阻（Rf2)的两端分别与第二运算放大器（T2)的输出端和 第三运算放大器（T3)的负输入端连接；第三电阻（Rf3)的两端分别与第二运算放大器（T 2) 的负输入端和第四运算放大器（T4)的输出端连接；第四电阻（Rf4)的两端分别与第五运算 放大器（T5)的负输入端和输出端连接；第五电阻（Rf5)的两端分别与第一低通滤波器的输 出端和第五运算放大器（T5)的负输入端连接；第六电阻（Rf6)的两端分别与第四运算放大 器（T4)的输出端和第五运算放大器（T5)的负输入端连接；第七电阻（Rf7)的两端分别与第 四运算放大器（T4)的负输入端和输出端连接；第八电阻（Rf8)的两端分别与第一低通滤波 器的输出端和第四运算放大器（T4)的负输入端连接；第九电阻（Rf9)的两端分别与第三运 算放大器（T3)的输出端和第四运算放大器（T4)的负输入端连接；第十电阻（Rfltl)的两端分 别与第五运算放大器（T5)的输出端和第三运算放大器（T3)的负输入端连接；第十一电阻 (Rfll)的两端分别与第四运算放大器（T4)的输出端和第六运算放大器（T6)的负输入端连 接；第十二电阻（Rfl2)的两端分别与第六运算放大器（T6)的负输入端和输出端连接； 设偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数为：式（A15)中：FFn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；Kd。。为偶极子全温跟踪补偿 控制器的增益；偶极子全温跟踪补偿控制器的增益由比例环节产生；zdcxl、Zdra2为偶极子全 温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；pdcxl、Pdcx2S偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点； 偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点和极点由零极点发生环节产生； 增设偶极子全温跟踪补偿控制器后，微机械陀螺仪的标度因数变为式（A14)和式 (A15)的乘积：式（A16)中：Vftjpm为微机械陀螺仪的输出信号；Ω z为微机械陀螺仪的输入角速率;Kran为0· 5ΑχωUieKpreKsee Juti为第一低通滤波器的增益；Fut2为第二低通滤波器的增益； 22为> 的解；Kd。。为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；z dc;c;1、Zdra2为偶 极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；Pl、P2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的 两个共轭极点；p3、P4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点； 设计偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点，使得偶极子全温跟踪补偿控制器的 两个共轭零点与微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点组成偶极子： Pl ^ dccl (A17)； P2 - Z dcc2 式（A17)中：Pl、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；Zdcxl、z dcx2S 偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点； 通过对式（A16)进行化简可得：式（A18)中：Vftjpm为微机械陀螺仪的输出信号；Ω z为微机械陀螺仪的输入角速率;Kran为〇. 5Ax?dVdam;K d。。为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益为第一低通滤波器 的增益；Fut2为第二低通滤波器的增益；z i、以为1的解；p3、P 4为微机 械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；?(1。。1、？(1。。 2为偶极子全温跟踪补偿控制器的 两个极点； 根据式（A18)可知，微机械陀螺仪的标度因数不再受微机械陀螺仪在其模态频差处存 在的两个共轭极点的制约，而仅受偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点以及第一低通滤 波器的增益和第二低通滤波器的增益的制约，由此使得微机械陀螺仪的带宽不再受微机械 陀螺仪的模态频差的制约； 根据偶极子全温跟踪补偿控制器的结构可知，偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数 为：式（A19)中：FFn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；Vf。为控制器输出；V fi为控 制器输入；Rfl为等效电阻，且令RflbARfla^ 1J; RflaS第一温 度补偿电阻的阻值；Rflb为具有正温度系数的热敏电阻的阻值；Rfl。为第二温度补偿电阻的 阻值；Rf2为第二电阻的阻值；Rf3为第三电阻的阻值；Rf4为第四电阻的阻值；R f5为第五电阻 的阻值；Rf6为第六电阻的阻值；Rf7为第七电阻的阻值；Rf8为第八电阻的阻值；R f9为第九电 阻的阻值；Rfltl为第十电阻的阻值；Rfll为第十一电阻的阻值；Rfl2为第十二电阻的阻值； 将式（A8)和式（A17)代入式（A15)，可得：式（A20)中：Fpn为偶极子全温跟踪补偿控制器的传递函数；Kd。。为偶极子全温跟踪补偿 控制器的增益；为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的 品质因数；△ ω2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点的乘积，同时也为微机械陀 螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的乘积；ωρη2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两 个极点的乘积；zdc;c;1、Zdcx2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点；P dc;c;1、Pdcx2为偶极 子全温跟踪补偿控制器的两个极点； 将式（A19)和式（A20)进行结合，可得：式（A21)中：《y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测 模态的品质因数；△ ω2为偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点的乘积，同时也为 微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的乘积；ωρη2为偶极子全温跟踪补偿 控制器的两个极点的乘积；Kd。。为偶极子全温跟踪补偿控制器的增益；Rfl为等效电阻，且;RflaS第一温度补偿电阻的阻值；R flb为具 有正温度系数的热敏电阻的阻值；Rfl。为第二温度补偿电阻的阻值；Rf2为第二电阻的阻值； Rf3为第三电阻的阻值；Rf4为第四电阻的阻值；Rf5为第五电阻的阻值；R f6为第六电阻的阻 值；Rf7为第七电阻的阻值；Rf8为第八电阻的阻值；Rf9为第九电阻的阻值；R fltl为第十电阻的 阻值；Rfll为第十一电阻的阻值；Rfl2为第十二电阻的阻值；z dc;c;1、Zdcx2为偶极子全温跟踪补 偿控制器的两个共轭零点；Pdc;c;1、Pdcx2S偶极子全温跟踪补偿控制器的两个极点； 根据式（A21)可知，当外界温度变化时，具有正温度系数的热敏电阻的阻值发生变化， 使得等效电阻发生变化，由此使得偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点发生漂移， 从而使得偶极子全温跟踪补偿控制器的两个共轭零点与微机械陀螺仪在其模态频差处存 在的两个共轭极点在外界温度变化时始终组成偶极子； 因此，根据式（A18)可知，微机械陀螺仪的标度因数在外界温度变化时始终不受微机 械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的制约，而仅受偶极子全温跟踪补偿控制器 的两个极点以及第一低通滤波器的增益和第二低通滤波器的增益的制约，由此使得微机械 陀螺仪的带宽在外界温度变化时始终不受微机械陀螺仪的模态频差的制约。
【专利摘要】本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法。本发明解决了微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽、带宽全温性能差的问题。一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法，该方法是采用如下步骤实现的：1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数；3)在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子全温跟踪补偿控制器；所述偶极子全温跟踪补偿控制器包括温度补偿环节、零极点发生环节、比例环节。本发明适用于微机械陀螺仪。
【IPC分类】G01C19/5776, G01C25/00
【公开号】CN104897150
【申请号】CN201510334584
【发明人】曹慧亮, 刘俊, 石云波, 申冲, 秦丽, 唐军, 李 杰, 张晓明, 马宗敏, 鲍爱达
【申请人】中北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日