一种基于微机电陀螺的低耦合测控系统及方法与流程

所属的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

背景技术：

1、微机电陀螺是利用微机电系统加工工艺结合陀螺技术需求所产生的一种惯性传感器，它能够敏感并检测载体相对惯性空间的转动角速度或者绝对角度，相较于全球定位导航系统具有不依赖外界信息，不向外界辐射能量，不易受到外界干扰等自主式导航的特点。而与传统的激光陀螺和光纤陀螺相比，微机电陀螺具有其体积小、重量轻、功耗少、成本低和易于批量生产等众多优点，更显示出其无可比拟的优势所在，是目前陀螺仪的主要发展方向之一。在航空航天、导弹制导、姿态控制和导航定位等众多领域中，都有着广泛的应用。微机电陀螺具有两个模态，定义为第一模态和第二模态，陀螺仪两模态分别通过各自的驱动电极被驱动，并通过检测电极检测其位移变化。在传统的控制方式中，陀螺仪两模态的驱动和检测都在同时进行，驱动信号会通过陀螺仪表头或者其他电学通路耦合至检测通路上，影响陀螺仪位移检测准确性，从而降低陀螺仪精度。

2、因此现有技术中存在着陀螺仪的检测不够准确，精度不够的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中存在着陀螺仪的检测不够准确，精度不够的问题，本发明提供了一种基于微机电陀螺的低耦合测控系统，所述微机电陀螺包括第一模态驱动电极、质量块、第二模态驱动电极、第一模态检测电极、质量块和第二模态检测电极，所述低耦合测控系统包括：非交叠时钟驱动检测电路、第一模态信号处理电路和第二模态信号处理电路；所述系统包括：

2、非交叠时钟驱动检测电路、第一模态信号处理电路和第二模态信号处理电路；

3、所述非交叠时钟驱动检测电路包括第一开关、第一电容电压转换检测电路、第一采样保持电路、第一带通滤波器、第二开关、第二电容电压转换检测电路、第二采样保持电路第二带通滤波器、第三开关和电荷泵；

4、非交叠时钟驱动检测电路通过电荷泵间断地将直流高压施加到所述质量块；质量块接收到直流高压后，第一模态检测电极和第二模态检测电极产生电荷变化；在质量块的电压为高时，第一电容电压转换检测电路将第一模态检测电极的电荷转化为电压信号，并经过第一采样保持电路和第一带通滤波器得到第一滤波电压信号传给第一模态信号处理电路；第一模态信号处理电路处理第一滤波电压信号，生成第一驱动信号并经由第一开关将第一驱动信号加载到第一模态驱动电极上；在质量块电压为零时，所述第二模态驱动电极接收到驱动电压。

5、在质量块的电压为高时，第二电容电压转换检测电路将第二模态检测电极的电荷转化为电压信号，并经过第二采样保持电路和第二带通滤波器得到第二滤波电压信号传给第二模态信号处理电路；第二模态信号处理电路处理第二滤波电压信号生成第二驱动信号并经由第二开关将第二驱动信号加载到第二模态驱动电极上。

6、在一种优选的实施方式中，基于微机电陀螺的低耦合测控系统的连接关系为：

7、所述电荷泵连接到第三开关的第一端，第三开关的第二端连接到微机电陀螺的质量块上；所述第一模态信号处理电路的第一端连接到所述第一开关的第二端，所述第一开关的第一端连接到所述第一模态驱动电极；所述第一模态信号处理电路的第二端连接到所述第一带通滤波器的第一端，所述第一带通滤波器的第二端连接到所述第一采样保持电路的第一端，所述第一采样保持电路的第二端连接到所述第一电容电压转换检测电路的第一端，所述第一电容电压转换检测电路的第二端连接到所述第一模态检测电极；

8、所述第二模态信号处理电路的第一端连接到所述第二开关的第二端，所述第二开关的第一端连接到所述第二模态驱动电极；所述第二模态信号处理电路的第二端连接到所述第二带通滤波器的第一端，所述第二带通滤波器的第二端连接到所述第二采样保持电路的第一端，所述第二采样保持电路的第二端连接到所述第二电容电压转换检测电路的第一端，所述第二电容电压转换检测电路的第二端连接到所述第二模态检测电极。

9、在一种优选的实施方式中所述第一模态处理电路包括依次连接的第一模数转换器、第一模态闭环电路和第一数模转换器；

10、所述第一模态处理电路中的第一模数转换器连接所述第一带通滤波器；所述第一模态处理电路中的第一数模转换器连接所述第一开关。

11、对所述第一模态检测电极的电荷变化的处理方法包括：

12、第一电容电压转换检测电路用于检测第一模态检测电极的电荷变化，并将电荷变化转化为不连续的第一电压信号并传输给第一采样保持电路；

13、第一采样电路用于将不连续的第一电压信号转化为连续的第一电压信号并传输给第一带通滤波器；第一带通滤波器用于对第一电压信号进行滤波得到第一滤波电压信号并传输给第一模数转换器；第一模数转换器用于将第一滤波电压信号转化为第一数字信号并传输给第一模态闭环电路；第一模态闭环电路用于对第一数字信号进行幅值解算并生成一个与第一数字信号同频的第三数字信号；对第三数字信号进行调幅处理：当第一数字信号的幅值大于设定值，则减小第三数字信号的幅值，当第一数字信号的幅值小于设定值，则增大第三数字信号的幅值；最终输出调幅处理后的第三数字信号；第一数模转换器将调幅处理后的第三数字信号转化第一驱动信号，第一驱动信号并经由第一开关转化成为周期间断的第一驱动信号发送给第一模态驱动电极。其中，设定值根据实际情况设定。

14、在一种优选的实施方式中，所述第二模态处理电路包括依次连接的第二模数转换器、第二模态闭环电路和第二数模转换器；

15、所述第二模态处理电路中的第二模数转换器连接所述第二带通滤波器；所述第二模态处理电路中的第二数模转换器连接所述第二开关。

16、在一种优选的实施方式中，对所述第二模态检测电极的电荷变化的处理方法包括：

17、第二电容电压转换检测电路用于检测第二模态检测电极的电荷变化，并将电荷变化转化为不连续的第二电压信号并传输给第二采样保持电路；

18、第二采样电路用于将不连续的第二电压信号转化为连续的第二电压信号并传输给第二带通滤波器；

19、第二带通滤波器用于对第二电压信号进行滤波得到第二滤波电压信号并传输给第二模数转换器；

20、第二模数转换器用于将第二滤波电压信号转化为第二数字信号并传输给第二模态闭环电路；

21、第二模态闭环电路用于对第二数字信号进行幅值解算并生成一个与第二数字信号同频的第四数字信号；对第四数字信号进行调幅处理：当第二数字信号的幅值大于0，则减小第四数字信号的幅值，当第二数字信号的幅值小于0，则增大第四数字信号的幅值；最终输出调幅处理后的第四数字信号；

22、第二模转换器将调幅处理后的第四数字信号转化第二驱动信号，第二驱动信号并经由第二开关转化成为周期间断的第二驱动信号发送给第二模态驱动电极。

23、在一种优选的实施方式中，低耦合测控系统的驱动时序包括驱动时序t1，第一空闲时序t2，检测时序t3和第二空闲时序t4；

24、在驱动时序t1期间，第一开关和第二开关闭合，第三开关断开；第一驱动信号经过第一开关接入到第一模态驱动电极；第二驱动信号经过第二开关接入到第二模态驱动电极；质量块的电压为0，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压转换检测电路检测不到电荷变化，即检测不到电荷变化；

25、在空闲时序t2期间，第一开关、第二开关和第三开关均断开，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，质量块的电压为0，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压转换检测电路检测不到电荷变化；

26、在检测时序t3期间，第一开关和第二开关断开，第三开关导通，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，电荷泵产生的直流高压通过第三开关施加到质量块，第一模态检测电极和第二模态检电极产生电荷变化，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压电路分别输出与微机电陀螺的表头的振动位移成正相关的电压信号；

27、在空闲时序t4期间，第一开关、第二开关和第三开关均断开，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压电路输出电压均为0；

28、所述第一开关、第二开关分别与第三开关在时序上不交叠。

29、本发明的另二方面，提出了一种基于微机电陀螺的低耦合测控方法，低耦合测控方法基于上述的一种基于微机电陀螺的低耦合测控系统，方法包括：

30、在驱动时序t1期间，第一开关和第二开关闭合，第三开关断开；第一驱动信号经过第一开关接入到第一模态驱动电极；第二驱动信号经过第二开关接入到第二模态驱动电极；质量块的电压为0，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压转换检测电路检测不到电荷变化，即检测不到电荷变化；

31、在空闲时序t2期间，第一开关、第二开关和第三开关均断开，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，质量块的电压为0，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压转换检测电路检测不到电荷变化；

32、在检测时序t3期间，第一开关和第二开关断开，第三开关导通，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，电荷泵产生的直流高压通过第三开关施加到质量块，第一模态检测电极和第二模态检电极产生电荷变化，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压电路分别输出与微机电陀螺的表头的振动位移成正相关的电压信号；

33、在空闲时序t4期间，第一开关、第二开关和第三开关均断开，第一模态驱动电极和第二模态驱动电极均不被施加驱动信号，第一电容电压转换检测电路和第二电容电压电路输出电压均为0。

34、本发明的有益效果：

35、(1)非交叠时钟实现了陀螺仪第一模态驱动和检测的分离，可以降低陀螺仪第一模态驱动通路对检测通路的信号耦合，降低陀螺仪噪声；非交叠时钟实现了陀螺仪第二模态驱动和检测的分离，可以降低陀螺仪第二模态驱动通路对检测通路的信号耦合，降低陀螺仪噪声；

36、(2)非交叠时钟实现了分别实现了陀螺仪第一模态驱动和检测的分离和陀螺仪第二模态驱动和检测的分离，可以通过调整电荷泵的输出电压调整检测通路的放大增益而不影响驱动通路中驱动力的放大倍数，有利于匹配不同结构参数的陀螺仪表头；

37、(3)本发明将陀螺仪表头输出信号通过模数转换器输入到数字信号处理电路，再通过数模转换器将数字信号处理电路输出的信号加载到陀螺仪表头上，实现了控制系统的全数字化，避免了模拟电路中各环节引入噪声，提高信噪比。本发明可以在陀螺仪的驱动和检测之间进行高频切换，从而消除二者之间的电耦合，解决了驱动回路和检测回路之间的电耦合影响陀螺输出的零偏稳定性问题，提高了陀螺的零偏稳定性，同时隔离了陀螺仪表头第一模态的驱动和检测通路以及第二模态的驱动和检测通路，使陀螺仪表头第一模态的驱动通路放大倍数和检测通路的放大倍数可以分开调节而不同时被电荷泵的输出电压所影响。