角速度傳感器的驅動控制電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種全新結構的乘法器，利用該乘法器制作的角速度傳感器的驅動電 路，屬于傳感器領域。
【背景技術】
[0002] 角速度傳感器是航天、國防和工業(yè)領域中重要的傳感器之一，其在飛行器和武器 系統(tǒng)中的應用已經日漸廣泛。我國近些年對角速度傳感器的研究也日趨成熟，隨著飛行器 和武器系統(tǒng)性能的不斷提高，對角速度傳感器的各方面性能的要求也不斷提高，其驅動環(huán) 路的低噪聲，高穩(wěn)定性和低失真度是保證角速度傳感器高性能的前提條件。
[0003] 角速度傳感器驅動電路的設計普遍采用具有幅值控制功能的自激驅動電路，由于 角速度傳感器驅動模態(tài)具有極高的品質因子Q，所以多數(shù)采用方波激勵的驅動方式。方波激 勵的驅動方式在石英角速度敏感元件的起振和驅動電壓幅值的調整范圍方面有明顯的優(yōu) 勢，但方波激勵的驅動電路會在響應信號中引入相位噪聲，同時也會產生驅動頻率的奇次 諧波分量，使驅動環(huán)路中產生較高的噪聲，大大降低了驅動環(huán)路的信噪比。而正弦波激勵的 驅動電路建立時間較長，電壓幅值調整范圍較小，但其在角速度傳感器驅動環(huán)路建立起穩(wěn) 定的振蕩后具有良好的噪聲性能。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明目的是為了解決角速度傳感器驅動電路單獨采用方波激勵、正弦波激勵的 驅動方式都存在各自缺陷的問題，提供了 一種角速度傳感器的驅動控制電路。該驅動控制 電路采用方波起振，正弦波維持振蕩的方式對角速度傳感器進行驅動，并將輸出級常用的 比較器用一種新型結構的乘法器替代，整個驅動電路結構使電路的輸入電壓范圍，噪聲性 能，建立時間和失真度都有了明顯的提升。使得在不增加芯片面積和功耗的前提下，使驅動 電路的各方面性能都有顯著提高，適用于高精度高穩(wěn)定性角速度傳感器的驅動電路。
[0005] 本發(fā)明所述角速度傳感器的驅動控制電路，它包括跨阻放大器、檢波放大器、PI控 制器、低失真乘法器和參考電壓源V"f;
[0006] 檢波放大器的輸出端連接電阻R1的一端，電阻R1的另一端同時連接電阻R2的一 端和PI控制器的輸入端，電阻R2的另一端連接參考電壓源的正極，參考電壓源的負極接 地；
[0007] 陀螺等效電路模型的內部由噪聲等微弱信號在環(huán)路中產生自激振蕩作為輸出，陀 螺等效電路模型的微弱正弦激勵信號輸出端連接跨阻放大器的微弱正弦激勵信號輸入端， 跨阻放大器的差分交流電壓驅動信號輸出端連接低失真乘法器的一個輸入端；跨阻放大器 的交流電壓驅動信號輸出端連接檢波放大器的驅動信號輸入端；
[0008] 檢波放大器的負值二倍頻電壓信號輸出端通過與疊加參考電壓源V"f與PI控制 器的輸入端連接，PI控制器的輸出端連接低失真乘法器的另一個輸入端；
[0009] 低失真乘法器的輸出端連接陀螺等效電路模型的驅動端，在起振階段，低失真乘 法器輸出方波激勵信號作為陀螺等效電路模型的驅動信號；在持續(xù)振蕩階段，低失真乘法 器輸出正弦波激勵信號作為陀螺等效電路模型的驅動信號。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明角速度傳感器表頭電學等效模型輸出信號經過跨阻放大器 放大后，形成兩條信號通路。一條通過進入檢波器對信號幅值進行檢波輸出，經過PI控制 器連接乘法器的一個輸入端；另一條信號通路直接連接乘法器的另一個輸入端。兩條通路 經過新型乘法器后得到輸出信號，直接輸出信號直接反饋到角速度傳感器機械結構中，電 能轉換成勢能，使角速度傳感器產生穩(wěn)定的振蕩，達到閉環(huán)驅動，方波激勵，正弦波維持的 目的。此驅動電路系統(tǒng)能夠使輸入范圍和信噪比增高，擁有穩(wěn)定振蕩建立時間短，失真度低 的特點。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明所述角速度傳感器的驅動控制電路的原理圖；
[0012] 圖2是低失真乘法器的具體電路圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0013] 一：下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述角速度傳感器 驅動控制電路，它包括跨阻放大器101、檢波放大器102、PI控制器103、低失真乘法器104 和參考電壓源vraf;
[0014] 檢波放大器102的輸出端連接電阻R1的一端，電阻R1的另一端同時連接電阻R2 的一端和PI控制器103的輸入端，電阻R2的另一端連接參考電壓源的正極，參考電壓源的 負極接地；
[0015] 陀螺等效電路模型100的內部由噪聲等微弱信號在環(huán)路中產生自激振蕩作為輸 出，陀螺等效電路模型100的微弱正弦激勵信號輸出端連接跨阻放大器101的微弱正弦激 勵信號輸入端，跨阻放大器101的差分交流電壓驅動信號輸出端連接低失真乘法器104的 一個輸入端；跨阻放大器101的交流電壓驅動信號輸出端連接檢波放大器102的驅動信號 輸入端；
[0016] 檢波放大器102的負值二倍頻電壓信號輸出端通過與疊加參考電壓源V"f與PI控 制器103的輸入端連接，PI控制器103的輸出端連接低失真乘法器104的另一個輸入端；
[0017] 低失真乘法器104的輸出端連接陀螺等效電路模型100的驅動端，在起振階段，低 失真乘法器104輸出方波激勵信號作為陀螺等效電路模型100的驅動信號；在持續(xù)振蕩階 段，低失真乘法器104輸出正弦波激勵信號作為陀螺等效電路模型100的驅動信號。
[0018] 參考電壓源V"f由帶隙基準電壓產生。
[0019] 通過大量模擬仿真發(fā)現(xiàn)方波激勵的角速度傳感器驅動電路能滿足驅動幅值的條 件和快速起振的條件，而正弦激勵的角速度傳感器驅動電路又擁有低相位噪聲的優(yōu)點。針 對這種特點，本發(fā)明設計了一種全新的角速度傳感器的驅動控制電路，它主要依靠一種新 型乘法器：低失真乘法器104實現(xiàn)了起振階段通過電路將正弦激勵轉換為方波激勵建立起 穩(wěn)定振蕩后在不引入其他多余電路部分的情況下切換為正弦激勵方式的功能，并且通過運 用該種新結構的低失真乘法器104,使驅動電路的線性度，信噪比和建立時間有了很大的改 善。
[0020] 方波激勵的角速度傳感器驅動電路建立時間快，因此選擇在振蕩建立階段用方波 激勵方式建立振蕩。若角速度傳感器驅動控制電路引入相位噪聲的驅動頻率處的余弦激勵 信號近似為：
[0021]
[0022] 方波激勵的角速度傳感器驅動電路的沖擊靈敏度函數(shù)表示為：
[0023]
[0024] 式（2)中c。表示頻率為零處的電流噪聲靈敏度函數(shù)的系數(shù)，cn表示角速度傳感器 驅動環(huán)路中驅動頻率及倍頻處的電流噪聲靈敏度函數(shù)的系數(shù)。方波激勵的角速度傳感器驅 動電路中包含奇數(shù)次高頻諧波，比正弦波激勵的角速度傳感器驅動電路具有更復雜的噪聲 電流分量。由公式（1) (2)分析可知正弦激勵的角速度傳感器驅動電路具有更復雜的噪聲 電流分量，方波激勵的角速度傳感器的驅動電路中因相位噪聲在驅動信號的偶數(shù)次諧波頻 率處會產生電壓噪聲的分量。
[0025] 因此正弦激勵方式與方波激勵方式相比在相位噪聲方面的表現(xiàn)更加優(yōu)異，對驅動 信號的影響也更小。在振蕩建立之后，我們選擇相位噪聲更小，失真度更低的正弦激勵方式 維持對電路的驅動。
[0026] 陀螺等效電路模型100的內部由噪聲等微弱信號在環(huán)路中產生自激振蕩作為輸 出，陀螺等效電路模型100輸出微弱正弦激勵信號，跨阻放大器101將輸入的微弱正弦激勵 信號放大轉換為交流電壓驅動信號后輸出，該交流電壓驅動信號分為兩路，一路交流電壓 驅動信號以差分形式作為低失真乘法器104的一端輸入信號，另一路交流電壓驅動信號作 為檢波放大器102輸入端的驅動信號；
[0027] 檢波放大器102對輸入的驅動信號進行檢波處理，檢波放大器能夠對輸入的信號 峰值幅值大小進行檢測，并以電壓形式輸出。它可以將輸出正弦激勵信號整形為新波形信 號，新信號以原正弦波半周期波形為一個周期，并且輸出電壓值時刻為負。此時檢波放大器 102輸出電壓值保持為負電壓，但由于角速度傳感器模型部分還未形成穩(wěn)定振蕩，輸出電壓 的幅值依然很小，該信號幅值隨驅動時間增加而增加。
[0028] PI控制器103的工作頻率在不會影響穩(wěn)定性的前提下被設計為盡可能的高頻。檢 波放大器102的輸出信號與參考電壓Vraf疊加，作為PI控制器103的輸入信號，此信號經 過高頻的PI控制器103后，被處理為電壓幅值很高的直流信號作為低失真乘法器的另一輸 入路徑。
[0029] 低失真乘法器104將PI控制器103輸出的直流電壓信號與跨阻放大器101輸出的 交流驅動信號做乘積運算，低失真乘法器104輸出的激勵信號作為陀螺等效電路模型100 的驅動信號，且在起振階段，低失真乘法器104輸出方波激勵信號作為驅動信號；在持續(xù)振 蕩階段，低失真乘法器104輸出正弦波激勵信號作為驅動信號。
[0030] 本實施方式所述低失真乘法器104的結構具有飽和方波輸出和非飽和正弦波輸 出兩種輸出方式。其具有大輸入幅度和低失真度的優(yōu)點。從跨阻放大器101輸出的信號以 差分形式連接低失真乘法器104的差分電壓信號輸入端，從PI控制器103輸出的信號連接 低失真乘法器104的另一個輸入端。當從PI控制器103輸出高電壓的直流信號，與從跨阻 放大器101輸出的交流信號做乘積后，輸出信號會達到電源電壓滿幅狀態(tài)，形成電位在電 源高電位和低電位之間切換的方波激勵信號。
[0031] 隨著方波激勵信號對角速度傳感器的驅動，角速度傳感器等效電路模型100的輸 出信號幅度不斷增加，跨阻放大器101和檢波放大器102輸出信號幅度也逐漸增大，而PI 控制器103輸出直流信號的電壓值逐漸減小。PI控制器103輸出最后會穩(wěn)定在一個數(shù)值附 近，該值大小與Vraf和R2的值有關。PI控制器103的輸出直流信號與跨阻放大器101輸出 交流信號通過乘法器后，輸出交流信號不再達到電壓滿幅狀態(tài)，該信號波形與跨阻放大器 101輸出信號波形相似。
[0032] 驅動電路單元在此時達到穩(wěn)定狀態(tài)，此后低失真乘法器104輸出的正弦激勵信號 持續(xù)驅動角速度傳感器，使其達到穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。驅動電路通過設計一種閉環(huán)驅動電路 結構并將傳統(tǒng)驅動電路中的比較器用低失真乘法器104替換實現(xiàn)了起振階段轉為方波激 勵，持續(xù)振蕩階段變?yōu)檎也畹哪康?，減小了振蕩建立時間和振蕩過程中的相位噪聲， 滿足了低失真度要求。<