壓電半球諧振微陀螺儀的數(shù)字控制檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，設(shè)及一種壓電半球諧振微巧螺儀的數(shù) 字控制檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機械電子系統(tǒng)(MEMS)主要包括微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處 理電路等幾部分。MEMS利用各種加工工藝，尤其是微細加工技術(shù)，在電子通信W及微電子技 領(lǐng)域最新成果的基礎(chǔ)上，逐漸成為了高科技前沿學科。
[0003] 壓電半球諧振微巧螺儀采用壓電材料作為主體部件，采用MEMS加工工藝和技術(shù)， 具有抗過載、抗沖擊能力強、工作諧振頻率高、分辨率高、啟動時間短等優(yōu)越特性，在軍用導 航、航空航天、制導技術(shù)W及民用消費電子等領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用前景。運種巧螺利用諧 振狀態(tài)和壓電效應(yīng)，在極化方向上獲得外界相應(yīng)方向上輸入的角速度對應(yīng)的電信號，通過 檢測電信號的幅值和頻率，反映出外加角速度的信號。
[0004] 無論是壓電半球諧振微巧螺儀的控制還是檢測，都是它本身工作的重要環(huán)節(jié)。對 一些文獻進行檢索，浙江大學信電系半導體光電子研究所的王慧泉和上海微系統(tǒng)與信息技 術(shù)研究所的焦繼偉等人在2006年CHI肥沈JOURNAL OF沈NSORS AND ACTUATORS上發(fā)表的 文章"高性能微機械巧螺接口電路研究"。文獻中提到，高性能微機械巧螺的接口電路采用 的是閉環(huán)驅(qū)動，并給出了基本的框圖。微機械巧螺接口電路可分為兩部分:驅(qū)動環(huán)路和檢測 電路;驅(qū)動環(huán)路包括巧螺監(jiān)測端、隔離放大器、自動增益控制（automatic gain con化〇1， AGC電路）、相移電路、功放電路W及巧螺驅(qū)動端，檢測電路包括電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(C-V電 路）、濾波放大電路、乘法器和低通濾波器。驅(qū)動環(huán)路為巧螺提供驅(qū)動信號，并為檢測電路提 供載波信號，檢測電路將巧螺輸出的變化電容轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過同步解調(diào)電路得到角 速度信號。但是，文獻中所述的工作方式并沒有給出具體的實施方案，而且所采用的方案中 并沒有結(jié)合數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
[0005] 在實際中，對不同特征的巧螺所需要配套的控制檢測系統(tǒng)中各項電路參數(shù)是不同 的。即便針對一種巧螺，當其諧振頻率隨著外部因素變化而變化時，電路參數(shù)也必須隨之進 行調(diào)整。為了應(yīng)對巧螺的控制檢測系統(tǒng)多樣而變化的需求，采用數(shù)字控制及檢測的方案，不 僅能夠快速的實現(xiàn)控制檢測系統(tǒng)與巧螺的配套，也為通過升級硬件水平來達到巧螺的檢測 精度要求和通過調(diào)整所采用的硬件水平來調(diào)整巧螺控制系統(tǒng)的成本提供了便利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種壓電半球諧振微巧螺儀的數(shù)字 控制檢測系統(tǒng)，能夠根據(jù)控制檢測的需要對巧螺的輸入角速度進行檢測并對巧螺進行反饋 控制，具有性能可隨硬件發(fā)展升級、響應(yīng)快、調(diào)試簡單等特點。
[0007] 為實現(xiàn)W上目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案:本發(fā)明提供一種壓電半球諧振微巧 螺儀的數(shù)字控制檢測系統(tǒng)，包括壓電半球諧振微巧螺儀模塊、電荷放大器模塊、ADC模塊、 DA對莫塊和數(shù)字信號處理模塊，其中：
[0008] 所述電荷放大器模塊將所述壓電半球諧振微巧螺儀模塊產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為 電壓信號，并傳輸給所述AD對莫塊；
[0009] 所述ADC模塊將從所述電荷放大器模塊接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳 輸給所述數(shù)字信號處理模塊；
[0010] 所述數(shù)字信號處理模塊將從所述ADC模塊接收到的數(shù)字信號進行處理，處理的結(jié) 果一部分作為結(jié)果對外進行顯示或保存，一部分作為反饋信號向所述DA對莫塊輸出；
[0011] 所述DAC模塊將由所述數(shù)字信號處理模塊產(chǎn)生的反饋信號從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬 信號，反饋給所述壓電半球諧振微巧螺儀模塊；
[0012] 所述壓電半球諧振微巧螺儀模塊在所述DA對莫塊給定的反饋信號下被激振或被驅(qū) 動，并產(chǎn)生檢測信號。
[0013] 優(yōu)選地，所述的壓電半球諧振微巧螺儀模塊具有半球殼，該半球殼上均勻分布有 八個金屬電極，依次為第一驅(qū)動電極、第一檢測電極、第一監(jiān)測電極、第一平衡電極、第二驅(qū) 動電極、第二檢測電極、第二監(jiān)測電極和第二平衡電極，其中：在第一驅(qū)動電極、第二驅(qū)動電 極上施加一個與壓電半球諧振微巧螺儀模塊諧振頻率同頻的正弦電壓信號，將壓電半球諧 振微巧螺儀模塊激振;壓電半球諧振微巧螺儀模塊被激振后，在兩個監(jiān)測電極上將產(chǎn)生與 驅(qū)動信號同頻的電荷信號，在兩個檢測電極上將產(chǎn)生由與驅(qū)動信號同頻定幅值的信號和與 驅(qū)動信號同頻且幅值和壓電半球諧振微巧螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號所疊加的信 號，在兩個平衡電極上將產(chǎn)生由與驅(qū)動信號同頻定幅值的信號和與驅(qū)動信號同頻且幅值和 壓電半球諧振微巧螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號所疊加的信號，上述信號可W根據(jù)需 要輸入所述電荷放大器模塊。
[0014] 更優(yōu)選地，所述的兩個檢測電極和兩個平衡電極上與驅(qū)動信號同頻定幅值的信號 相位相同時，兩個檢測電極和兩個平衡電極上與驅(qū)動信號同頻且幅值和壓電半球諧振微巧 螺儀模塊輸入角速度正相關(guān)的信號的相位相差180°。
[0015] 優(yōu)選地，所述的壓電半球諧振微巧螺儀模塊被激振后，產(chǎn)生的檢測信號、監(jiān)測信號 經(jīng)過電荷放大器模塊和ADC模塊輸入數(shù)字信號處理模塊，通過濾波、調(diào)相、差分、解調(diào)、穩(wěn)幅 的數(shù)字信號處理方法后，一部分信號作為反映壓電半球諧振微巧螺儀模塊輸出角速度的信 息進行對外顯示或者保存，另一部分信號作為反饋量，經(jīng)過DAC模塊反饋給壓電半球諧振微 巧螺儀模塊。
[0016] 優(yōu)選地，所述的電荷放大器模塊通過積分的方式將從壓電半球諧振微巧螺儀模塊 產(chǎn)生的電荷量積分為電壓信號。
[0017] 優(yōu)選地，所述的ADC模塊根據(jù)電荷放大器模塊所輸出的電壓信號大小選擇輸入信 號范圍、根據(jù)電荷放大器模塊所輸出的電壓信號頻率選擇采樣率、根據(jù)電荷放大器模塊所 輸出的電壓中所包含的壓電半球諧振微巧螺儀模塊輸入角速度相關(guān)信號分量大小選擇采 樣位數(shù)。
[0018] 優(yōu)選地，所述的數(shù)字信號處理模塊采用ARM、FPGA、DPS作為核屯、，并配合外部電路 形成一套對由AD對莫塊輸出的數(shù)字信號進行處理的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。
[0019] 更優(yōu)選地，所述數(shù)字信號處理模塊對由壓電半球諧振微巧螺儀模塊產(chǎn)生并經(jīng)過所 述電荷放大器模塊和所述AD對莫塊處理后的任意一路檢測信號和任意一路平衡信號進行濾 波調(diào)相后進行差分，從而去除兩路信號中的共?；ǚ至?，并對其中包含的壓電半球諧振 微巧螺儀模塊輸入角速度相關(guān)信號分量進行放大;對由壓電半球諧振微巧螺儀模塊產(chǎn)生并 經(jīng)過所述電荷放大器模塊和所述ADC模塊處理后的任意一路監(jiān)測信號進行濾波和穩(wěn)幅，作 為反饋量進行反饋;將差分后的信號和調(diào)相后的監(jiān)測信號進行解調(diào)和濾波，產(chǎn)生幅值與壓 電半球諧振微巧螺儀模塊輸入角速度大小正相關(guān)的直流信號。
[0020] 更優(yōu)選地，所述數(shù)字信號處理模塊中的程序能自動分別找出并比較幾路輸入數(shù)字 信號在第一個周期內(nèi)的最大值和最小值在保存運些數(shù)字信號的數(shù)組中的位置，并根據(jù)不同 的需要將保存運些數(shù)字信號的數(shù)組進行調(diào)整，實現(xiàn)自動調(diào)相功能。
[0021] 優(yōu)選地，所述的DAC模塊根據(jù)壓電半球諧振微巧螺儀模塊所需信號的精度選擇分 辨率、根據(jù)壓電半球諧振微巧螺儀模塊所需信號的頻率選擇輸出頻率范圍。
[0022] 本發(fā)明中，通過合理地選擇ADC模塊的采樣率和采樣位數(shù)、DAC模塊的分辨率和輸 出頻率范圍，并且選擇與之相對應(yīng)的數(shù)字信號處理核屯、，可W改變整套數(shù)字控制檢測系統(tǒng) 的構(gòu)建成本和檢測能力。在對檢測精度和檢測速度要求較高的場合，可W選擇有較高采樣 率和采樣位數(shù)的ADC忍片和有較高分辨率的DAC忍片，配合新款的FPGA或DSP忍片構(gòu)建系統(tǒng)， 同時當硬件水平獲得發(fā)展的同時，通過更換系統(tǒng)中的部分模塊便可W提升數(shù)字控制檢測系 統(tǒng)的檢測水平。在對檢測精度和檢測速度要求不高的場合，可W選擇采樣率和采樣位數(shù)不 高的ADC忍片和有較低分辨率的DAC忍片，配合ARM忍片構(gòu)建系統(tǒng)，從而降低構(gòu)建系統(tǒng)所需的 成本。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0024] 本發(fā)明通過采用數(shù)字控制檢測的方法，實現(xiàn)了當巧螺所處環(huán)境變化時，可W不修 改電路參數(shù)繼續(xù)對巧螺進行檢測的功能。同時，為實現(xiàn)對巧螺檢測性能的進一步升級預留 了發(fā)展空間。另外，本發(fā)明可W針對不同場合對巧螺的需要控制巧螺數(shù)字控制檢測系統(tǒng)構(gòu) 建的成本。
【附圖說明】
[0025] 通過閱讀參照W下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0026] 圖1為本發(fā)明一實施例壓電半球諧振微巧螺儀數(shù)字控制檢測系統(tǒng)的原理框圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明一實施例自動調(diào)相方法框圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明一實施例自動調(diào)相的原理圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明一實施例信號處理模塊的原理框圖。
【具體實施方式】
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