一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路的制作方法
【專利摘要】一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，涉及微機電領(lǐng)域。它包括FPGA模塊、D/A芯片、低通濾波器、石英音叉陀螺驅(qū)動音叉、放大濾波器、A/D芯片、電源模塊；FPGA模塊輸出數(shù)字正弦控制信號至D/二A芯片、低通濾波器，使石英音叉陀螺驅(qū)動音叉振動；石英音叉陀螺驅(qū)動音叉將振動放大濾波后，通過A/D芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號并發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對數(shù)字反饋信號進行調(diào)頻和調(diào)幅，實現(xiàn)對石英音叉陀螺的環(huán)路控制。本發(fā)明驅(qū)動環(huán)路的頻率控制精度較高、幅值控制精度好，提高了陀螺性能。
【專利說明】一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機電領(lǐng)域的石英音叉陀螺，特別涉及石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002]石英音叉陀螺屬于微機械陀螺的一種，具有體積小、功耗低、成本低、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天器、平臺姿態(tài)控制、導(dǎo)彈等領(lǐng)域。石英音叉陀螺的信號處理電路有模擬電路和數(shù)字電路兩種，相對于模擬電路，數(shù)字電路有信號處理靈活，噪聲小，不受外界環(huán)境影響，重復(fù)性好等優(yōu)點。
[0003]現(xiàn)有的石英音叉陀螺數(shù)字化電路，硬件上，其采用了 DSP+CPLD的雙處理器結(jié)構(gòu)，DSP完成數(shù)字信號處理算法，CPLD實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通信接口的控制。算法上，其數(shù)字信號處理算法是基于C語言的順序執(zhí)行算法，采用4倍頻稀疏采樣的方式對驅(qū)動信號進行采集計算處理，對于IOKHz的驅(qū)動信號，要求算法執(zhí)行周期為25us，加上算法中涉及到大量的三角函數(shù)運算，所以其對DSP處理器的計算性能有很高的要求。提高采樣率增加每個正弦周期的采樣點數(shù)，可以提高算法精度，從而提高陀螺性能，但是這就要求選用更高性能的DSP處理器或提高DSP運行主頻，從而增加了系統(tǒng)成本和功耗。所以現(xiàn)有技術(shù)受制于處理器的計算能力，算法執(zhí)行周期不能很快，影響算法的精度和陀螺的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，驅(qū)動環(huán)路的頻率控制精度較高、幅值控制精度好，提高了陀螺性能。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，包括FPGA模塊、D/A芯片、低通濾波器、石英音叉陀螺驅(qū)動音叉、放大濾波器、A/D芯片、電源模塊；所述FPGA模塊輸出數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，所述D/A芯片將數(shù)字正弦控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號發(fā)送至低通濾波器，所述低通濾波器濾去模擬控制信號中的高頻信號并發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，使石英音叉陀螺驅(qū)動音叉振動；石英音叉陀螺驅(qū)動音叉將振動傳遞至放大濾波器進行放大濾波后，得到模擬反饋信號并發(fā)送至A/D芯片，A/D芯片將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號并發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對數(shù)字反饋信號進行調(diào)頻和調(diào)幅，并發(fā)送新的數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，再經(jīng)低通濾波器后發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，實現(xiàn)對石英音叉陀螺的環(huán)路控制；所述電源模塊用于對環(huán)路控制電路進行供電。
[0006]所述FPGA模塊包括指令模塊、頻率控制器、正弦信號發(fā)生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模塊向頻率控制器發(fā)送給定頻率值，同時向幅值控制器發(fā)送給定幅值；所述頻率控制模塊接收給定頻率值并進行調(diào)頻后，發(fā)送至正弦信號發(fā)生器，正弦發(fā)生器產(chǎn)生幅值單位為I的正弦波；幅值控制器接收給定幅值并進行調(diào)幅后輸出目標(biāo)幅值；所述單位為I的正弦波與所述目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后發(fā)送至加法器，加法器產(chǎn)生偏置后得到數(shù)字正弦控制信號，發(fā)送至D/A芯片；指令模塊接收數(shù)字反饋信號，并將給定頻率值、給定幅值和數(shù)字反饋信號發(fā)送至加法器，加法器將數(shù)字反饋信號中的實測頻率與給定頻率通過加法器相減，得到調(diào)頻輸入值ei(k)并發(fā)送至頻率控制器進行調(diào)頻；正弦信號發(fā)生器接收頻率控制器的調(diào)頻結(jié)果并產(chǎn)生新的單位為I的正弦波；加法器將數(shù)字反饋信號中的實測幅值與給定幅值通過加法器相減，得到調(diào)相輸入幅值e2 (k)并發(fā)送至幅值控制器進行調(diào)相，得到新的目標(biāo)幅值；新的單位為I的正弦波與新的目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后發(fā)送至加法器，力口法器產(chǎn)生偏置后得到新的數(shù)字正弦控制信號發(fā)送，發(fā)送至D/A芯片。
[0007]所述FPGA模塊與上位機通過RS422接口進行通信，所述FPGA模塊還與EPCS芯片連接，用于存儲數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0008](I)本發(fā)明基于FPGA技術(shù)，對石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路進行數(shù)字化設(shè)計，突破了傳統(tǒng)C語言設(shè)計時的速度限制，提高了陀螺驅(qū)動信號的質(zhì)量和驅(qū)動環(huán)路的頻率和幅值控制精度。
[0009](2)本發(fā)明基于FPGA技術(shù)，采用硬件描述語言實現(xiàn)A/D、D/A的控制，正弦信號的發(fā)生、頻率控制算法、幅值控制算法等等，方便易行，簡單可靠。相對于傳統(tǒng)的DSP+CPLD雙處理器的數(shù)字式石英音叉陀螺系統(tǒng)，發(fā)明可以減小系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1本發(fā)明的電路圖；
[0011]圖2本發(fā)明中FPGA模塊的算法原理圖；
[0012]圖3本發(fā)明中正弦信號發(fā)生器原理框圖；
[0013]圖4本發(fā)明中開環(huán)諧振狀態(tài)時石英音叉陀螺驅(qū)動音叉的輸入和輸出信號示意圖；
[0014]圖5本發(fā)明的環(huán)路頻率全溫控制曲線。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，本發(fā)明包括FPGA模塊、D/A芯片、低通濾波器、石英音叉陀螺驅(qū)動音叉、放大濾波器、A/D芯片、電源模塊；所述FPGA模塊輸出數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，所述D/A芯片將數(shù)字正弦控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號發(fā)送至低通濾波器，所述低通濾波器濾去模擬控制信號中的高頻信號并發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，使石英音叉陀螺驅(qū)動音叉振動；石英音叉陀螺驅(qū)動音叉將振動傳遞至放大濾波器進行放大濾波后，得到模擬反饋信號并發(fā)送至A/D芯片，A/D芯片將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號并發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對數(shù)字反饋信號進行調(diào)頻和調(diào)幅，并發(fā)送新的數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，再經(jīng)低通濾波器后發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，實現(xiàn)對石英音叉陀螺的環(huán)路控制，保證陀螺的驅(qū)動音叉始終以串聯(lián)諧振頻率做幅值恒定的振動。
[0016]電源模塊用于對環(huán)路控制電路進行供電。FPGA模塊還與上位機通過RS422接口進行通信，F(xiàn)PGA模塊還與EPCS芯片連接，EPCS為FPGA專用配置芯片，用于存儲FPGA模塊的程序數(shù)據(jù)。
[0017]如圖2所示，F(xiàn)PGA模塊包括指令模塊、頻率控制器、正弦信號發(fā)生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模塊向頻率控制器發(fā)送給定頻率值，同時向幅值控制器發(fā)送給定幅值；所述頻率控制模塊接收給定頻率值并進行調(diào)頻后，發(fā)送至正弦信號發(fā)生器，正弦發(fā)生器產(chǎn)生幅值單位為I的正弦波Sinx ;幅值控制器接收給定幅值并進行調(diào)幅后輸出目標(biāo)幅值A(chǔ) ；所述單位為I的正弦波與所述目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后得到Asinx發(fā)送至加法器，加法器產(chǎn)生偏置b，得到數(shù)字正弦控制信號Asinx+b，發(fā)送至D/A芯片，得到模擬正弦控制信號Asinx+b,經(jīng)低通濾波后加入石英音叉陀螺驅(qū)動音叉的輸入端；指令模塊接收數(shù)字反饋信號，并將給定頻率值、給定幅值和數(shù)字反饋信號發(fā)送至加法器，加法器將數(shù)字反饋信號中的實測頻率與給定頻率通過加法器相減，得到調(diào)頻輸入值ei (k)并發(fā)送至頻率控制器進行調(diào)頻；正弦信號發(fā)生器接收頻率控制器的調(diào)頻結(jié)果并產(chǎn)生新的單位為I的正弦波；加法器將數(shù)字反饋信號 中的實測幅值與給定幅值通過加法器相減，得到調(diào)相輸入幅值e2(k)并發(fā)送至幅值控制器進行調(diào)相，得到新的目標(biāo)幅值；新的單位為I的正弦波與新的目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后發(fā)送至加法器，加法器產(chǎn)生偏置后得到新的數(shù)字正弦控制信號發(fā)送，發(fā)送至D/A芯片。其中，F(xiàn)PGA模塊選用Altera公司Cyclone III系列FPGA芯片，A/D和D/A芯片采用TI公司的高速16位A/D和D/A芯片。
[0018]如圖3所示，正弦信號發(fā)生器包括相位累加器和正弦波查找表。利用FPGA中的RAM資源制作完成一張正弦信號查找表，采用相位累加器的輸出對正弦信號查找表進行尋址，經(jīng)過D/A芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過低通濾波器進行低通濾波后，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波信號。因為相位累加器每個循環(huán)周期的起點和輸出正弦信號每個周期的起點是對應(yīng)的，所以，在FPGA內(nèi)部可以精確捕獲輸出正弦信號每個周期的起始時刻。相位累加器工作在IOOMHz的時鐘下，對應(yīng)的正弦信號起始時刻的捕獲精度為10ns。
[0019]如圖2所示，石英音叉陀螺驅(qū)動音叉工作在諧振狀態(tài)時可以等效為一電阻，模擬正弦控制信號Asinx+b經(jīng)過音叉時不會產(chǎn)生相移，也就是說諧振狀態(tài)下石英音叉陀螺驅(qū)動音叉的相移由FPGA模塊內(nèi)部的電路決定，假設(shè)FPGA模塊內(nèi)部的電路參數(shù)不發(fā)生改變，這個相移就是一定值，所以頻率控制就可以轉(zhuǎn)換為相移的控制。根據(jù)相移點的幅值為0，就可以將相移控制轉(zhuǎn)換為電壓控制。由于FPGA模塊內(nèi)部可以精確捕獲正弦信號的起始時刻，最終基于FPGA設(shè)計思想，將頻率控制轉(zhuǎn)換成電壓控制，通過A/D芯片采集驅(qū)動環(huán)路輸出信號相移處的幅值，和O進行比較，采用增量式積分分離的PI控制器，調(diào)節(jié)正弦信號發(fā)生器的輸出頻率，使這一幅值始終穩(wěn)定在0，從而保證陀螺工作在串聯(lián)諧振頻率上。
[0020]如圖2所示，經(jīng)過頻率控制器的調(diào)節(jié)，環(huán)路的相移一定，驅(qū)動環(huán)路輸出正弦信號波峰值的相位可精確測量，通過A/D芯片采集驅(qū)動環(huán)路輸出正弦信號的波峰值，和設(shè)定值進行比較，采用增量式PI控制器，控制這一波峰值穩(wěn)定在設(shè)定值上。
[0021]正弦信號發(fā)生器，利用公式(I)計算O — 2 Π內(nèi)16384個點的正弦值，
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，其特征在于:包括FPGA模塊、D/A芯片、低通濾波器、石英音叉陀螺驅(qū)動音叉、放大濾波器、A/D芯片、電源模塊；所述FPGA模塊輸出數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，所述D/A芯片將數(shù)字正弦控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號發(fā)送至低通濾波器，所述低通濾波器濾去模擬控制信號中的高頻信號并發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，使石英音叉陀螺驅(qū)動音叉振動；石英音叉陀螺驅(qū)動音叉將振動傳遞至放大濾波器進行放大濾波后，得到模擬反饋信號并發(fā)送至A/D芯片，A/D芯片將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號并發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對數(shù)字反饋信號進行調(diào)頻和調(diào)幅，并發(fā)送新的數(shù)字正弦控制信號至D/A芯片，再經(jīng)低通濾波器后發(fā)送至石英音叉陀螺驅(qū)動音叉，實現(xiàn)對石英音叉陀螺的環(huán)路控制；所述電源模塊用于對環(huán)路控制電路進行供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，其特征在于:所述FPGA模塊包括指令模塊、頻率控制器、正弦信號發(fā)生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模塊向頻率控制器發(fā)送給定頻率值，同時向幅值控制器發(fā)送給定幅值；所述頻率控制模塊接收給定頻率值并進行調(diào)頻后，發(fā)送至正弦信號發(fā)生器，正弦發(fā)生器產(chǎn)生幅值單位為I的正弦波；幅值控制器接收給定幅值并進行調(diào)幅后輸出目標(biāo)幅值；所述單位為I的正弦波與所述目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后發(fā)送至加法器，加法器產(chǎn)生偏置后得到數(shù)字正弦控制信號，發(fā)送至D/A芯片；指令模塊接收數(shù)字反饋信號，并將給定頻率值、給定幅值和數(shù)字反饋信號發(fā)送至加法器，加法器將數(shù)字反饋信號中的實測頻率與給定頻率通過加法器相減，得到調(diào)頻輸入值^(10并發(fā)送至頻率控制器進行調(diào)頻；正弦信號發(fā)生器接收頻率控制器的調(diào)頻結(jié)果并產(chǎn)生新的單位為I的正弦波；加法器將數(shù)字反饋信號中的實測幅值與給定幅值通過加法器相減，得到調(diào)相輸入幅值e2 (k)并發(fā)送至幅值控制器進行調(diào)相，得到新的目標(biāo)幅值；新的單位為I的正弦波與新的目標(biāo)幅值經(jīng)過乘法器相乘后發(fā)送至加法器，加法器產(chǎn)生偏置后得到新的數(shù)字正弦控制信號發(fā)送，發(fā)送至D/A芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式石英音叉陀螺驅(qū)動環(huán)路控制電路，其特征在于:所述FPGA模塊與上位機通過RS422接口進行通信，所述FPGA模塊還與EPCS芯片連接，用于存儲數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01C19/5607GK103697874SQ201310741034
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】闕興濤, 劉海濤, 汪守利, 金小鋒, 王松, 王磊, 陶晉, 楊丹 申請人:北京遙測技術(shù)研究所, 航天長征火箭技術(shù)有限公司