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一種低成本撓性陀螺力平衡電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低成本撓性陀螺力平衡電路，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產生的敏感陀螺殼體與轉子的轉角信號的信號器，信號器輸出一個經高頻調制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調電路，利用相敏解調電路將正弦交流調幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關系的直流輸出信號，經陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環節，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。相敏解調電路采用易采購常用器件替代專用集成芯片實現，簡潔實用，便于集成組裝，從而降低設計和生產成本。具有增益非線性小、增益穩定性高的優點。
【專利說明】一種低成本撓性陀螺力平衡電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種低成本撓性陀螺力平衡電路，屬于電路【技術領域】。
【背景技術】
[0002]再平衡技術是慣性導航系統的關鍵技術之一，通常按照對力矩器施加電流方式的不同，可分為模擬再平衡回路和數字脈沖再平衡回路。模擬再平衡回路中，流經力矩器的是連續變化的直流電流量，為精確地測量力矩器電流，同時又便于與數字計算機相配合，一般采用精密電阻對電流信號進行采樣，再用V/F或A/D轉換電路將其轉變為數字信號。數字脈沖再平衡回路對力矩器施加的則是幅值恒定的電流，將輸入的速度信息調制在電流方向和持續時間上。這樣作用的反饋力矩是脈沖力矩，因此稱這種方式為脈沖加矩。
[0003]從20世紀70年代開始，Teledyne公司一直致力于模擬再平衡技術的研究，研制具有代表的Teledyne模擬再平衡回路，其后主要在簡化線路、提高系統帶寬、實現高精度、提高噪聲抑制能力方面進行了改進研究。進入20世紀90年代以后，數字脈沖再平衡回路的主要研究方向在于使用現代控制方法設計回路控制器，提高再平衡回路的性能。數字脈沖再平衡回路以其加矩功率恒定和直接數字輸出的特點也倍受青睞，但需要復雜的軟件補償算法和各種現代控制算法，數字回路中電路的高頻噪聲、處理器計算時間的補償、采樣頻率的選擇以及數字輸出的線性化問題仍待解決。由此可知，模擬再平衡回路具有控制電路結構簡單、可靠性高、體積小、容易實現高帶寬的特點，尤其適合于對體積功耗和可靠性要求苛刻的場合。
[0004]撓性陀螺是用于確定方位角的元件，是影響慣導精度的關鍵部分。單有撓性陀螺是不能感測方位的，撓性陀螺必須與力平衡電路構成閉環系統才能應用。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種低成本撓性陀螺力平衡電路，采用常用器件實現了增益非線性小、增益穩定性高、低零位輸出。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型提供一種低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產生的敏感陀螺殼體與轉子的轉角信號的信號器，所述信號器輸出一個經高頻調制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調電路，利用相敏解調電路將正弦交流調幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關系的直流輸出信號，經陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環節，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。
[0007]所述相敏解調電路包括比較器、模擬開關和兩個反向比例放大器；
[0008]所述信號器輸出的誤差信號依次經兩個反向比例放大器后輸出頻率幅值相等、相位相反的兩路交流信號對應傳輸至模擬開關的兩個輸入端；
[0009]比較器根據解調基準信號輸出一邏輯控制信號至模擬開關邏輯控制端，控制模擬開關的導通與截止，分別選擇兩個反向比例放大器輸出的交流信號，并由所述模擬開關輸出端輸出全波相敏輸出信號。
[0010]所述比較器正向輸入端通過限流電阻連接解調基準信號，比較器負向輸入端接地，兩個微調端端接；比較器輸出端通過上拉電阻連接正電源，比較器發射級輸出端連接地，從而構成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號；比較器輸出端同時連接穩壓二極管。
[0011]陀螺信號器輸出的誤差信號首先經過隔直電容濾除其直流分量。
[0012]還包含一濾除模擬開關輸出的全波相敏輸出信號紋波的低通濾波器。
[0013]本實用新型所達到的有益效果:
[0014]本實用新型所述的力平衡電路是撓性陀螺在穩定的激勵信號下(加到差動傳感器上)，將信號傳感器所輸出的方位誤差信號進行放大處理，得出方位信號。同時，將處理后的信號按一定比例反饋到陀螺信號的力矩器上，使撓性陀螺處于零位，并對撓性陀螺一些誤差進行補償，從而保證了系統的穩定性和動態特性。
[0015]1、與現有常見撓性陀螺表頭所相配伺服回路板相比，本電路采用SMT雙面陶瓷基板組裝，金屬管殼灌封工藝。具有集成度高、體積小、重量輕、低功耗、可靠性高、調試方便。
[0016]2、電路采用通用線性集成電路，特別是相敏解調電路采用易采購常用器件替代專用集成芯片實現，簡潔實用，便于集成組裝，從而降低設計和生產成本。
[0017]3、電路具有增益非線性小、增益穩定性高的優點。電路選用精密低噪聲運算放大器，且其小信號帶寬和功率帶寬足夠大，解決微弱信號容易受噪聲等干擾的影響的精度問題。選用穩定性較好的集成電路和溫度系數較好的阻容元件保證增益穩定性。
[0018]4、陷波器電路電阻采用厚膜集成電阻，使電路具有較好溫度一致性，減少溫度對中心頻率的影響。電路采用外接阻容器件以適用于不同陀螺參數匹配，有效降低電路體積，提高了電路的可靠性。
[0019]5、校正環節的選擇是力平衡技術值得研究的課題，國內外不同廠家根據各自的需要，研制了各種阻容網絡形式，例如橋T網絡。本電路采用有源校正網絡，所用元件少、成本低、可靠性高，可根據需要外接阻容器件來滿足陀螺系統動態和靜態性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是陀螺力平衡電路功能框圖；
[0021]圖2是相敏解調電路設計原理圖；
[0022]圖3是二階陷波器(帶阻濾波器)；
[0023]圖4是校正電路圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0025]本實用新型的陀螺力平衡電路工作原理:
[0026]在陀螺儀系統中，當陀螺敏感外部角速度產生的敏感陀螺殼體與轉子的轉角時，傳感器(信號器)與檢測電路所搭成的橋路失去平衡，輸出一個經高頻調制后的誤差信號Λ u(信號器上加有高頻激磁電壓)，這個微弱的誤差信號通常是毫伏級交流信號，不能直接作為控制信號直接加在陀螺力矩器線圈上。因此需要對其進行解調，得到與其幅值成正比的直流信號，為消除陀螺儀轉子倍頻干擾和章動效應，在電路設計中增加帶阻濾波器(陷波器)，以濾除不需要的頻帶干擾信號。為了使陀螺儀獲得良好動態和靜態性能，需要增加頻率相位校正環節。校正環節輸出的信號驅動能力很差，電路后端必須經過功率放大環節放大，才能產生足夠的電流輸出到力矩器，使力矩器產生相應的力矩，與陀螺力矩相平衡，從而形成閉環角速度敏感系統。
[0027]力平衡處理電路主要工作原理如圖1所示:陀螺誤差信號經過前置高阻抗交流電壓放大后，信號進行相敏解調，輸出具有正負極性的直流誤差信號。為保證系統穩定的工作，再次對該直流信號進行相位網絡校正，最后功率放大，加到陀螺力矩器上，以獲得足夠大的再平衡力矩來確保恢復敏感元件轉子軸的位置處于零位工作狀態。從而把陀螺拉回并鎖定在它的傳感器零位上，使系統達到再平衡。
[0028]本實用新型的陀螺力平衡電路的功能實現:
[0029]陀螺信號器本質為一個信號調制器，本電路以16kHZ的正弦信號為載波，并且載波信號幅值被陀螺偏角調制，該載波信號的包絡線即為實際陀螺信號調制還原。因此利用相敏解調電路將正弦交流調幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關系的直流輸出信號，恢復轉子偏角信息。現有陀螺儀通常采用國產集成電路LB8023/5或者AD公司生產AD598,價格比較貴，本電路設計的相敏解調電路采用比較器、模擬開關、運算放大器構成。如圖2所示，比較器采用高速比較器，模擬開關是相敏解調的關鍵環節，采用四路單刀雙置導通電阻參數小的模擬開關。運算放大器采用高共模抑制比、低失調電壓的運算放大器。
[0030]比較器NI正向輸入端通過限流電阻R16連接解調基準信號，比較器NI負向輸入端接地，微調端(比較器NI的管腳5和管腳6)端接。比較器NI輸出端通過上拉電阻R17連接正電源V+，比較器NI發射級輸出端(管腳I)連接地，從而構成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號，比較器NI輸出端(管腳7)連接穩壓二極管，用于方波信號限幅，以滿足邏輯控制信號電平要求。
[0031]比較器NI輸出信號連接模擬開關N3邏輯控制端(管腳10和管腳15)，用于選通模擬開關N3輸入信號(管腳6和管腳8)。模擬開關N3在電源端(管腳11和管腳14)需連接高可靠濾波電容C15、C16，模擬開關N3輸出端(管腳5或管腳9)接小容值電容C6，用于濾除模擬開關切換產生的尖峰干擾。
[0032]陀螺信號器誤差輸入信號經過隔直電容C5濾除其直流分量；電阻R18、R19、運算放大器N2B構成反向比例放大器，交流放大比例系數Kl= 一 R19/R18。前置交流放大器增益Kl不宜過大，要求陀螺轉子剛好接觸限動器放大器輸出不飽和，通常設置增益Kl范圍5?
10。比例增益電阻R21、R22、運算放大器N2C構成反向比例放大器，放大器增益K2= — R22/R21，此電路比例系數K2 =-1。此時運算放大器N2B和N2C輸出頻率幅值相等、相位相反的交流信號對應至模擬開關N2輸入端(管腳8和管腳6)，比較器NI輸出邏輯控制方波信號控制模擬開關的導通與截止，分別選擇運算放大器N2B和N2C輸出交流信號，此時模擬開關N2輸出(管腳5或管腳9)全波相敏輸出信號。
[0033]全波相敏輸出信號一般存在載波的倍頻紋波信號，本電路選用二階MFB低通濾波器將此紋波濾除。為了最大限度衰減采樣信號的噪聲，截止頻率應盡可能的低，但過低會影響系統帶寬。所以截止頻率設置應綜合帶寬和系統噪聲考慮來設置。其中二階MFB低通濾波器增益K3= - R4/R5，電阻R6可以改變濾波器截止頻率。
[0034]為消除陀螺儀轉子倍頻干擾和章動效應，電路采用二階陷波器(帶阻濾波器)，由運算放大器財8、電阻冊16、冊17、冊23、電容(:和CY組成。如圖3所示，電阻HR16、HR17、HR23采用厚膜電阻集成，使電路中電阻具有較好溫度一致性，從而減少溫度對中心頻率的影響。電容C采用外接，方便用戶靈活使用。電容CY為外接補償電容，用于微調，從而有效改善了撓性陀螺組件輸出特性。
[0035]校正環節的作用是改善陀螺儀的動態品質，提高系統的帶寬和相對穩定性。如圖4所示，校正環節由運算放大器N5C、電容C7、C8和電阻R27、R28網絡構成超前校正電路，電路簡單可靠。陀螺內部參數很難測定且參數具有一定差異性，因此根據系統要求調整相應的外接阻容器件來適應不同參數的陀螺儀，以保證伺服回路的穩定性和動態特性。電路設計中電阻R29、R30、R31、R32用于有源激光調整阻值，合理設置保證電路零點補償，從而保證電路低零位輸出。
[0036]為了降低電路的輸出零位，設計過程中對輸入信號首先進行隔直處理，以消除輸入信號中的直流成分對輸出零位的影響；選用具有低失調電壓和低失調電壓溫度系數的運算放大器構成放大、反相、濾波和校正電路；后級電路設置零位調整電路，對輸出零位進行調整。
[0037]為提高電路增益非線性，構成放大電路的運算放大器選用精密低噪聲運算放大器，且其小信號帶寬和功率帶寬都足夠大。通過加強濾波、合理布局布線降低噪聲和干擾對增益的影響。選用穩定性較好的集成電路和溫度系數較好的阻容元件構成電路，提高電路的增益穩定性。
[0038]表1為電路試驗性能參數，電路輸出零位小于5mV，增益非線性小于2%，增益穩定性小于250ppm/°C。通過試驗結論，可以看出本實用新型的電路具有增益非線性小、增益穩定性高、低零位輸出的優點。`
[0039]表1電路性能參數
[0040]
【權利要求】
1.一種低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產生的敏感陀螺殼體與轉子的轉角信號的信號器，所述信號器輸出一個經高頻調制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調電路，利用相敏解調電路將正弦交流調幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關系的直流輸出信號，經陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環節，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。
2.根據權利要求1所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，所述相敏解調電路包括比較器、模擬開關和兩個反向比例放大器； 所述信號器輸出的誤差信號依次經兩個反向比例放大器后輸出頻率幅值相等、相位相反的兩路交流信號對應傳輸至模擬開關的兩個輸入端； 比較器根據解調基準信號輸出一邏輯控制信號至模擬開關邏輯控制端，控制模擬開關的導通與截止，分別選擇兩個反向比例放大器輸出的交流信號，并由所述模擬開關輸出端輸出全波相敏輸出信號。
3.根據權利要求2所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，所述比較器正向輸入端通過限流電阻連接解調基準信號，比較器負向輸入端接地，兩個微調端端接；比較器輸出端通過上拉電阻連接正電源，比較器發射級輸出端連接地，從而構成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號；比較器輸出端同時連接穩壓二極管。
4.根據權利要求1所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，陀螺信號器輸出的誤差信號首先經過隔直電容濾除其直流分量。
5.根據權利要求2所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，還包含一濾除模擬開關輸出的全波相敏輸出信號紋波的低通濾波器。
【文檔編號】G01C19/08GK203550961SQ201320681539
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】劉鵬, 劉尊建, 周峻霖, 盧劍寒 申請人:中國兵器工業集團第二一四研究所蘇州研發中心