一种时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试装置和方法与流程

本发明属于半球谐振陀螺误差测试，公开了一种时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试装置和方法。

背景技术：

1、半球谐振陀螺作为目前精度指标最高的哥式振动陀螺，相较于目前广泛应用的光学陀螺，具有分辨率高、体积小低功耗、零件数量少以及启动时间短等优势，特别是近些年美国法国等各研究机构相继推出零偏稳定性优于0.0001°/h的超高精度陀螺系统，使得半球谐振陀螺有望成为21世纪改变惯性导航领域的“颠覆性技术”。

2、半球谐振陀螺加工过程中轴向不均匀、装配误差以及电路硬件差异性均会严重制约陀螺精度的提升，其误差可分解为：检测和激励增益误差、相位误差以及阻尼不均性误差等，误差抑制手段则主要包括提升谐振子加工质量、改善装配工艺、优化硬件电路方案以及软件算法补偿等。时分复用技术是电路优化中最为有效的一种方式，通过开关控制使得在不同时刻电极工作在激励或检测等不同模式上，有效避免了激励信号对检测环路的耦合串扰，与此同时，谐振子x方向与y方向信号检测和激励采用同一电路复用形式，解决了由于不同通道电路差异性导致的增益误差。

3、时分复用半球谐振陀螺工作时需要利用开关芯片进行状态切换，然而不同通道开关的信号开启时间和关断时间存在差异，会在x和y通道间引入额外的相位误差，制约陀螺系统精度。

技术实现思路

1、本发明为了解决时分复用半球谐振陀螺电路存在相位误差的技术问题，通过检测时分复用半球谐振陀螺电路存在相位误差，并衡量其长期稳定性和温度变化特性，为系统相位误差补偿提供数值参考。

2、本发明公开了一种时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试装置，所述时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试装置包括soc控制模块、激励信号放大模块、开关模块、电极以及检测信号放大模块；

3、所述激励信号放大模块用于为x、y通道中电极提供激励信号；

4、所述检测信号放大模块用于对x、y通道信号进行采样、放大后输入至soc控制模块；

5、电极由八组离散电极构成，间隔45°周向均匀分布在谐振子外；

6、开关模块根据开关信号产生模块所生成的控制信号进行响应，保证系统在x、y两工作状态间切换；

7、所述soc控制模块包括锁相环、激励信号产生模块、开关信号产生模块以及检测信号采样模块；激励信号产生模块生成的正弦信号同时作为激励放大模块的输入和锁相环的参考信号，开关信号产生模块用于产生控制x、y两方向工作状态切换的控制信号，检测信号采样模块输出则作为锁相环另一输入信号；锁相环用于解算出x、y两通道相位误差。

8、更近一步地，所述八组离散电极共分成x+、x-、y+以及y-四个方向，每个方向两个电极对向设置，对向电极两两短接。

9、更近一步地，所述的激励信号放大模块包括第一高压放大电路、第二高压放大电路以及反相电路，其中反相电路与第二高压放大电路组合能够为x、y通道中x-和y-电极提供反相激励信号；第一高压放大电路为x、y通道中x+和y+电极提供反相激励信号。

10、更近一步地，所述检测信号放大模块包括第一采样电路、第二采样电路以及差分放大电路；第一采样电路包括第一采样电阻和第一运算放大器；第二采样电路包括第二采样电阻和第二运算放大器；第一运算放大器和第二运算放大器输出端连接差分放大电路。

11、更近一步地，所述开关模块包括4组开关，开关s1、开关s2、开关s3、开关s4；并分为第一开关组和第二开关组，第一开关包括第一开关s3、第一开关s4、第二开关s3、第二开关s4，第二开关包括第一开关s1、第一开关s2、第二开关s1、第二开关s2，4组开关中同组两个开关同时开断；第一x-通过第一开关s1连接第二运算放大器负输入；第一x+通过第二开关s1连接第一运算放大器负输入；第一y-通过第一开关s2连接第二运算放大器负输入；第一y+通过第二开关s2连接第一运算放大器负输入；第二x-通过第一开关s4连接第二高压放大电路；第二x+通过第二开关s4连接第一高压放大电路；第二y-通过第一开关s3连接第二高压放大电路；第二y+通过第二开关s3连接第一高压放大电路。

12、还提供了一种时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试方法，所述时分复用半球谐振陀螺电路相位误差测试方法包括以下步骤：

13、步骤701：激励信号产生模块生成两路频率均为ω0的正弦信号；

14、步骤702：激励信号放大模块对一路正弦信号进行反相和高压放大，对另一路仅进行高压放大；

15、步骤703：开关信号产生模块控制开关模块，使得开关s1和s4、s2和s3两组开关交替通断，分别对应x、y两通道测试状态；

16、步骤704：检测信号放大模块中第一采样电路和第二采样电路根据第二开关组的通断情况对x、y两通道信号进行采样，随后经过差分放大电路输出；

17、步骤705：检测信号采样模块将检测信号放大模块输出信号进行采集，并传输至锁相环中；

18、步骤706：锁相环根据参考信号和检测信号解算出x、y通道相位误差、变化特性。

19、更近一步地，在步骤701中，所述正弦信号也作为锁相环的参考信号输入：

20、vin＝vref·sin(ω0t)

21、其中，vref为激励正弦信号幅值。

22、更近一步地，在步骤702中，经激励信号放大模块后两路信号表示为：

23、vin+＝g1vref·sin(ω0t)

24、vin-＝-g1vref·sin(ω0t)

25、其中，g1表示高压放大电路的增益，vin+表示第一高压放大电路的信号，vin-表示第二高压放大电路的信号。

26、更近一步地，在步骤703中，所述开关信号产生模块控制逻辑顺序为：[s1＝1,s2＝0,s3＝0,s4＝1]、[s1＝0,s2＝0,s3＝0,s4＝0]、[s1＝0,s2＝1,s3＝1,s4＝0]，分别对应了x通道检测和激励、空闲状态、y通道检测和激励等三种状态切换，其中数字1表示开关开启状态，数字0表示开关关断状态；检测信号采样模块输出则作为锁相环另一输入信号，并解算出x、y两通道相位误差。

27、更近一步地，在步骤704中，x、y两通道信号可表示为：

28、

29、其中，g2为第一采样电路和第二采样电路的增益，可表述为g2＝-r1/rs1＝-r2/rs2，r1为第一跨阻，r2为第二跨阻，rs0为第一采样电阻，r12为第二采样电阻；g3为差分放大电路增益，和分别为x、y两通道开关模块开启和关断时间差异引起系统相位误差。

30、本发明达到的有益效果是：

31、本发明采用时分复用方案的半球谐振陀螺能够有效避免激励信号对检测环路的耦合串扰，与此同时减小了由于不同通道电路差异性导致的增益误差。

32、本发明对时分复用方案下电路相位误差进行测试，可衡量检测、激励放大模块等硬件电路特性对系统相位误差的影响。

33、本发明的测试过程中工作状态在道x通道和y通上切换，可衡量两通道开关模块开启和关断时间差异引起系统相位误差。

34、本发明的测试装置简单，仅需在原有硬件基础下增加采样电阻和锁相环算法。