角速度传感器的驱动控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种全新结构的乘法器，利用该乘法器制作的角速度传感器的驱动电 路，属于传感器领域。
【背景技术】
[0002] 角速度传感器是航天、国防和工业领域中重要的传感器之一，其在飞行器和武器 系统中的应用已经日渐广泛。我国近些年对角速度传感器的研究也日趋成熟，随着飞行器 和武器系统性能的不断提高，对角速度传感器的各方面性能的要求也不断提高，其驱动环 路的低噪声，高稳定性和低失真度是保证角速度传感器高性能的前提条件。
[0003] 角速度传感器驱动电路的设计普遍采用具有幅值控制功能的自激驱动电路，由于 角速度传感器驱动模态具有极高的品质因子Q，所以多数采用方波激励的驱动方式。方波激 励的驱动方式在石英角速度敏感元件的起振和驱动电压幅值的调整范围方面有明显的优 势，但方波激励的驱动电路会在响应信号中引入相位噪声，同时也会产生驱动频率的奇次 谐波分量，使驱动环路中产生较高的噪声，大大降低了驱动环路的信噪比。而正弦波激励的 驱动电路建立时间较长，电压幅值调整范围较小，但其在角速度传感器驱动环路建立起稳 定的振荡后具有良好的噪声性能。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是为了解决角速度传感器驱动电路单独采用方波激励、正弦波激励的 驱动方式都存在各自缺陷的问题，提供了 一种角速度传感器的驱动控制电路。该驱动控制 电路采用方波起振，正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，并将输出级常用的 比较器用一种新型结构的乘法器替代，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围，噪声性 能，建立时间和失真度都有了明显的提升。使得在不增加芯片面积和功耗的前提下，使驱动 电路的各方面性能都有显著提高，适用于高精度高稳定性角速度传感器的驱动电路。
[0005] 本发明所述角速度传感器的驱动控制电路，它包括跨阻放大器、检波放大器、PI控 制器、低失真乘法器和参考电压源V"f;
[0006] 检波放大器的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一 端和PI控制器的输入端，电阻R2的另一端连接参考电压源的正极，参考电压源的负极接 地；
[0007] 陀螺等效电路模型的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀 螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端， 跨阻放大器的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器的一个输入端；跨阻放大器 的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器的驱动信号输入端；
[0008] 检波放大器的负值二倍频电压信号输出端通过与叠加参考电压源V"f与PI控制 器的输入端连接，PI控制器的输出端连接低失真乘法器的另一个输入端；
[0009] 低失真乘法器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，低失真乘 法器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，低失真乘法 器输出正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。
[0010] 本发明的优点：本发明角速度传感器表头电学等效模型输出信号经过跨阻放大器 放大后，形成两条信号通路。一条通过进入检波器对信号幅值进行检波输出，经过PI控制 器连接乘法器的一个输入端；另一条信号通路直接连接乘法器的另一个输入端。两条通路 经过新型乘法器后得到输出信号，直接输出信号直接反馈到角速度传感器机械结构中，电 能转换成势能，使角速度传感器产生稳定的振荡，达到闭环驱动，方波激励，正弦波维持的 目的。此驱动电路系统能够使输入范围和信噪比增高，拥有稳定振荡建立时间短，失真度低 的特点。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明所述角速度传感器的驱动控制电路的原理图；
[0012] 图2是低失真乘法器的具体电路图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0013] 一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述角速度传感器 驱动控制电路，它包括跨阻放大器101、检波放大器102、PI控制器103、低失真乘法器104 和参考电压源vraf;
[0014] 检波放大器102的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2 的一端和PI控制器103的输入端，电阻R2的另一端连接参考电压源的正极，参考电压源的 负极接地；
[0015] 陀螺等效电路模型100的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输 出，陀螺等效电路模型100的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器101的微弱正弦激 励信号输入端，跨阻放大器101的差分交流电压驱动信号输出端连接低失真乘法器104的 一个输入端；跨阻放大器101的交流电压驱动信号输出端连接检波放大器102的驱动信号 输入端；
[0016] 检波放大器102的负值二倍频电压信号输出端通过与叠加参考电压源V"f与PI控 制器103的输入端连接，PI控制器103的输出端连接低失真乘法器104的另一个输入端；
[0017] 低失真乘法器104的输出端连接陀螺等效电路模型100的驱动端，在起振阶段，低 失真乘法器104输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型100的驱动信号；在持续振荡阶 段，低失真乘法器104输出正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型100的驱动信号。
[0018] 参考电压源V"f由带隙基准电压产生。
[0019] 通过大量模拟仿真发现方波激励的角速度传感器驱动电路能满足驱动幅值的条 件和快速起振的条件，而正弦激励的角速度传感器驱动电路又拥有低相位噪声的优点。针 对这种特点，本发明设计了一种全新的角速度传感器的驱动控制电路，它主要依靠一种新 型乘法器：低失真乘法器104实现了起振阶段通过电路将正弦激励转换为方波激励建立起 稳定振荡后在不引入其他多余电路部分的情况下切换为正弦激励方式的功能，并且通过运 用该种新结构的低失真乘法器104,使驱动电路的线性度，信噪比和建立时间有了很大的改 善。
[0020] 方波激励的角速度传感器驱动电路建立时间快，因此选择在振荡建立阶段用方波 激励方式建立振荡。若角速度传感器驱动控制电路引入相位噪声的驱动频率处的余弦激励 信号近似为：
[0021]
[0022] 方波激励的角速度传感器驱动电路的冲击灵敏度函数表示为：
[0023]
[0024] 式（2)中c。表示频率为零处的电流噪声灵敏度函数的系数，cn表示角速度传感器 驱动环路中驱动频率及倍频处的电流噪声灵敏度函数的系数。方波激励的角速度传感器驱 动电路中包含奇数次高频谐波，比正弦波激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声 电流分量。由公式（1) (2)分析可知正弦激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声 电流分量，方波激励的角速度传感器的驱动电路中因相位噪声在驱动信号的偶数次谐波频 率处会产生电压噪声的分量。
[0025] 因此正弦激励方式与方波激励方式相比在相位噪声方面的表现更加优异，对驱动 信号的影响也更小。在振荡建立之后，我们选择相位噪声更小，失真度更低的正弦激励方式 维持对电路的驱动。
[0026] 陀螺等效电路模型100的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输 出，陀螺等效电路模型100输出微弱正弦激励信号，跨阻放大器101将输入的微弱正弦激励 信号放大转换为交流电压驱动信号后输出，该交流电压驱动信号分为两路，一路交流电压 驱动信号以差分形式作为低失真乘法器104的一端输入信号，另一路交流电压驱动信号作 为检波放大器102输入端的驱动信号；
[0027] 检波放大器102对输入的驱动信号进行检波处理，检波放大器能够对输入的信号 峰值幅值大小进行检测，并以电压形式输出。它可以将输出正弦激励信号整形为新波形信 号，新信号以原正弦波半周期波形为一个周期，并且输出电压值时刻为负。此时检波放大器 102输出电压值保持为负电压，但由于角速度传感器模型部分还未形成稳定振荡，输出电压 的幅值依然很小，该信号幅值随驱动时间增加而增加。
[0028] PI控制器103的工作频率在不会影响稳定性的前提下被设计为尽可能的高频。检 波放大器102的输出信号与参考电压Vraf叠加，作为PI控制器103的输入信号，此信号经 过高频的PI控制器103后，被处理为电压幅值很高的直流信号作为低失真乘法器的另一输 入路径。
[0029] 低失真乘法器104将PI控制器103输出的直流电压信号与跨阻放大器101输出的 交流驱动信号做乘积运算，低失真乘法器104输出的激励信号作为陀螺等效电路模型100 的驱动信号，且在起振阶段，低失真乘法器104输出方波激励信号作为驱动信号；在持续振 荡阶段，低失真乘法器104输出正弦波激励信号作为驱动信号。
[0030] 本实施方式所述低失真乘法器104的结构具有饱和方波输出和非饱和正弦波输 出两种输出方式。其具有大输入幅度和低失真度的优点。从跨阻放大器101输出的信号以 差分形式连接低失真乘法器104的差分电压信号输入端，从PI控制器103输出的信号连接 低失真乘法器104的另一个输入端。当从PI控制器103输出高电压的直流信号，与从跨阻 放大器101输出的交流信号做乘积后，输出信号会达到电源电压满幅状态，形成电位在电 源高电位和低电位之间切换的方波激励信号。
[0031] 随着方波激励信号对角速度传感器的驱动，角速度传感器等效电路模型100的输 出信号幅度不断增加，跨阻放大器101和检波放大器102输出信号幅度也逐渐增大，而PI 控制器103输出直流信号的电压值逐渐减小。PI控制器103输出最后会稳定在一个数值附 近，该值大小与Vraf和R2的值有关。PI控制器103的输出直流信号与跨阻放大器101输出 交流信号通过乘法器后，输出交流信号不再达到电压满幅状态，该信号波形与跨阻放大器 101输出信号波形相似。
[0032] 驱动电路单元在此时达到稳定状态，此后低失真乘法器104输出的正弦激励信号 持续驱动角速度传感器，使其达到稳定的振荡状态。驱动电路通过设计一种闭环驱动电路 结构并将传统驱动电路中的比较器用低失真乘法器104替换实现了起振阶段转为方波激 励，持续振荡阶段变为正弦波激励的目的，减小了振荡建立时间和振荡过程中的相位噪声， 满足了低失真度要求。<