专利名称：一种钟形振子的激励电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种钟形振子的激励电路，特别涉及一种用于钟形振子式角速率陀螺仪的振子激励电路，属于惯性导航领域。
背景技术：
载体角速率测量在陆、海、空、天各类武器系统和国民经济诸多领域都发挥着极其重要的作用，它是实现载体姿态确定、稳定平台控制和运动体偏航测量等工作的关键技术。 陀螺是实现角速率测量的主要手段，按工作原理不同，陀螺通�？梢苑治底邮酵勇�、 光学陀螺和振动陀螺，其中振动陀螺基于哥里奥利原理，用振动元件取代了传统陀螺中的机械转子，用微幅振动代替了高速旋转，与光学陀螺和机械陀螺相比，振动陀螺的固态设计使其更适用于大过载环境下的角速率测量等应用领域，同时具有环境适应性好、成本低、寿命长、可靠性高、易于小型化等特点。目前，振动陀螺已广泛应用于飞机、舰船、坦克、潜艇、 导弹、鱼雷等武器装备的导航及测控系统中，在汽车、医疗器械、地质勘探、成像稳定等民用领域也被广泛采用。钟形振子式角速率陀螺仪通过测量钟形振子四波幅振形的扭转测量角速率。当钟形振子处于稳定振动状态时，如沿其中心轴向有输入角速度，由牵连运动产生的哥氏力将会改变钟形振子各质点(单元质量)的运动，使钟形振子产生扭转形变，该形变与输入角速率成正比。通过在基座上安装的电容传感器检测振子形变引起的静电电荷变化即可实现对载体角速率的测量。钟形振子的激励电路用于激励钟形振子产生四波腹波形。
发明内容
本发明的目的在于提出一种钟形振子的激励电路，用于产生频率和振幅受控的正弦激励电压来激励钟形振子产生频率、振幅稳定的四波腹波形，进而通过测量四波腹振形的扭转形变测量角速率。由于在实际使用中，振子产生四波腹振形的固有频率随温度变化而变化，振形发生的扭转形变也需要控制，要得到稳定的振形，激励电路必须具有频率控制、振幅控制和振形扭转控制功能，产生的激励信号具有较高的频率稳定度和幅值稳定度。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明的一种钟形振子的激励电路，由可编程逻辑器件1、第一正弦信号发生器 21、第二正弦信号发生器22、第一功率运算放大器31、第二功率运算放大器32、第一组压电换能器41、第二组压电换能器42以及恒温晶体振荡器5组成；其中第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的信号输入端口 SIG分别与可编程逻辑器件1的2个I/O端口 PWMl和PWM3相连，第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的时钟输入端口 CLK分别与可编程逻辑器件1的2个的I/O端口 PWM2和 PWM4连接，第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的输出端口 OUT分别与第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32的输入端口 IN相连，第一功率运算放大器31 和第二功率运算放大器32的输出端口 OUT分别与第一组压电换能器41和第二组压电换能器42相连，可编程逻辑器件1的外部时钟输入端口 E)(CLK与恒温晶体振荡器5的时钟输出端口相连；上述第一组压电换能器41和第二组压电换能器42均安装在钟形振子顶部，且两者安装相位相差45度，其中每组压电换能器又包括两个压电换能器，每组中两个压电换能器的安装位置相差180度；上述可编程逻辑器件1需要具有较高时钟频率以满足应用，其JTAG编程口和外部编程器6相连，可编程逻辑器件1可以采用数字信号处理器DSP或者单片机MCU两种模式实现；上述第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22为相同结构，均包括低通开关电容式滤波器、有源一阶低通滤波器及相关外围电路，其连接关系为低通开关电容式滤波器的信号输入端口和时钟输入端口即为对应正弦信号发生器的信号输入端口 SIG和时钟输入端口 CLK，低通开关电容式滤波器的输出端口与对应有源一阶低通滤波器的输入端口相连，有源一阶低通滤波器的输出端口即为对应正弦信号发生器的输出端口 OUT ；本发明的一种钟形振子的激励电路，其工作过程为1)可编程逻辑器件1的I/O端口 PWMl和PWM3分别产生两路与振子固有频率相同且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的信号输入来控制第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22所产生正弦波的频率；2)可编程逻辑器件1的I/O端口 PWM2和PWM4分别产生两路频率为振子固有频率的50倍且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22 的时钟输入来控制第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22中低通开关电容式滤波器的截止频率，使截止频率等于其输入信号的频率，进而控制正弦波幅值；3)第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22产生的正弦波分别作为第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32的输入信号来使第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32产生两路正弦激励信号；4)步骤3)产生的两路正弦激励信号分别作为第一组压电换能器41和第二组压电换能器42的输入信号，激励钟形振子产生四波腹振形；5)通过控制可编程逻辑器件1的4个I/O端口 P丽1、P丽2、P丽3、P丽4产生的4 路方波信号的频率，可控制两路正弦激励信号的幅值及频率，进而控制四波腹振形的振幅和振形扭转。第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22中正弦信号的产生的原理为 低通开关电容式滤波器的截止频率由时钟输入端的频率决定，当截止频率与信号输入端频率相等或略低时，低通开关电容式滤波器的输出端将为输入信号的基波即为与输入方波信号频率相等的正弦波，但正弦波中含有低通开关电容式滤波器引入的高频分量。有源一阶低通滤波器用于滤除低通开关电容式滤波器引入的高频分量，并输出较理想的正弦波；本发明所述的钟形振子激励电路激励信号的频率由可编程逻辑器件1确定，其频率稳定度由恒温晶体振荡器5决定，频率稳定度可达0. 05ppm。有益效果
本发明所述的钟形振子激励电路结构简单、成本低，使用开关电容滤波器产生正弦激励信号，信号频率、幅值及相位可方便地使用可编程逻辑器件控制，且频率精度仅由恒温晶体振荡器的频率稳定度决定，可达0. 05ppm。
图1为本发明中钟形振子的激励电路连接关系示意图；图1中，1为可编程逻辑器件，21为第一正弦信号发生器，22为第二正弦信号发生器，31为第一功率运算放大器，32为第二功率运算放大器，41为第一组压电换能器，42为第二组压电换能器，5为恒温晶体振荡器，6为外部编程器；图2为本发明的实施例中压电换能器安装位置示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例一种钟形振子的激励电路，如图1所示，由可编程逻辑器件1、第一正弦信号发生器21、第二正弦信号发生器22、第一功率运算放大器31、第二功率运算放大器32、第一组压电换能器41、第二组压电换能器42以及恒温晶体振荡器5组成，其中每个正弦波发生器又包括低通开关电容式滤波器、运算放大器及相关外围电路；其中第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的信号输入端口 SIG分别与可编程逻辑器件1的2个I/O端口 PWMl和PWM3相连，第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的时钟输入端口 CLK分别与可编程逻辑器件1的2个的I/O端口 PWM2和 PWM4连接，第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的输出端口 OUT分别与第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32的输入端口 IN相连，第一功率运算放大器31 和第二功率运算放大器32的输出端口 OUT分别与第一组压电换能器41和第二组压电换能器42相连，可编程逻辑器件1的外部时钟输入端口 E)(CLK与恒温晶体振荡器5的时钟输出端口相连；上述可编程逻辑器件1采用数字信号处理器DSP来实现，其时钟频率为150MHz，可编程逻辑器件1的外部时钟输入端口与恒温晶体振荡器5相连，可编程逻辑器件1的JTAG 编程口和外部编程器6相连；上述第一组压电换能器41和第二组压电换能器42均安装在钟形振子顶部，且两者安装相位相差45度，其中每组压电换能器又包括两个压电换能器，每组中两个压电换能器的安装位置相差180度，如图2所示，图中最外面一圈数字表示相应位置对应的角度值， 外环里面3个相互套在一起的椭圆形表示钟形振子底部边缘的四波幅振形，标有数字的方框表示可以安装压电换能器的位置，在图2中1、5处安装第一组压电换能器41的两个压电换能器，在图中2、6处安装第二组压电换能器42的两个压电换能器。上述数字信号处理器(DSP)选用的是美国TI公司的TMS320F2812，低通开关电容式滤波器选用的是美国MAXIM公司的MAX^6，功率运算放大器选用的是美国BB公司的 0PA544。上述一种钟形振子的激励电路的工作过程为
1)可编程逻辑器件1的I/O端口 PWMl和PWM3分别产生两路与振子固有频率相同且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22的信号输入来控制第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22所产生正弦波的频率；2)可编程逻辑器件1的I/O端口 PWM2和PWM4分别产生两路频率为振子固有频率的50倍且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22 的时钟输入来控制第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22中低通开关电容式滤波器的截止频率，使截止频率等于其输入信号的频率，进而控制正弦波幅值；3)第一正弦信号发生器21和第二正弦信号发生器22产生的正弦波分别作为第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32的输入信号来使第一功率运算放大器31和第二功率运算放大器32产生两路正弦激励信号；4)步骤3)产生的两路正弦激励信号分别作为第一组压电换能器41和第二组压电换能器42的输入信号，激励钟形振子产生四波腹振形；5)通过控制可编程逻辑器件1的4个I/O端口 P丽1、P丽2、P丽3、P丽4产生的4 路方波信号的频率，可控制两路正弦激励信号的幅值及频率，进而控制四波腹振形的振幅和振形扭转。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种钟形振子的激励电路，其特征在于由可编程逻辑器件(1)、第一正弦信号发生器、第二正弦信号发生器02)、第一功率运算放大器(31)、第二功率运算放大器(32)、 第一组压电换能器(41)、第二组压电换能器0 以及恒温晶体振荡器( 组成；其中第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)的信号输入端口 SIG分别与可编程逻辑器件(1)的2个I/O端口 PWMl和PWM3相连，第一正弦信号发生器Ql)和第二正弦信号发生器02)的时钟输入端口 CLK分别与可编程逻辑器件(1)的2个的I/O端口 PWM2和PWM4连接，第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)的输出端口 OUT分别与第一功率运算放大器(31)和第二功率运算放大器(3 的输入端口 IN相连，第一功率运算放大器(31)和第二功率运算放大器(3 的输出端口 OUT分别与第一组压电换能器Gl)和第二组压电换能器G2)相连，可编程逻辑器件⑴的外部时钟输入端口 EXCLK 与恒温晶体振荡器(5)的时钟输出端口相连；上述第一组压电换能器Gl)和第二组压电换能器0 均安装在钟形振子顶部，且两者安装相位相差45度，其中每组压电换能器又包括两个压电换能器，每组中两个压电换能器的安装位置相差180度；上述可编程逻辑器件(1)的JTAG编程口和外部编程器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种钟形振子的激励电路，其特征在于所述可编程逻辑器件(1)采用数字信号处理器DSP或者单片机MCU实现。
3.根据权利要求1所述的一种钟形振子的激励电路，其特征在于所述第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)为相同结构，均包括低通开关电容式滤波器、有源一阶低通滤波器及相关外围电路，其连接关系为低通开关电容式滤波器的信号输入端口和时钟输入端口即为对应正弦信号发生器的信号输入端口 SIG和时钟输入端口 CLK，低通开关电容式滤波器的输出端口与对应有源一阶低通滤波器的输入端口相连，有源一阶低通滤波器的输出端口即为对应正弦信号发生器的输出端口 OUT。
4.根据权利要求1所述的一种钟形振子的激励电路，其特征在于其工作过程为1)可编程逻辑器件⑴的I/O端口PWMl和PWM3分别产生两路与振子固有频率相同且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)的信号输入来控制第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)所产生正弦波的频率；2)可编程逻辑器件(1)的I/O端口PWM2和PWM4分别产生两路频率为振子固有频率的 50倍且占空比为50%的方波，作为第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02) 的时钟输入来控制第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)中低通开关电容式滤波器的截止频率，使截止频率等于其输入信号的频率，进而控制正弦波幅值；3)第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器02)产生的正弦波分别作为第一功率运算放大器(31)和第二功率运算放大器(3 的输入信号来使第一功率运算放大器 (31)和第二功率运算放大器(32)产生两路正弦激励信号；4)步骤3)产生的两路正弦激励信号分别作为第一组压电换能器Gl)和第二组压电换能器0 的输入信号，激励钟形振子产生四波腹振形；5)通过控制可编程逻辑器件(1)的4个I/O端口PWM1、PWM2、P丽3、P丽4产生的4路方波信号的频率，可控制两路正弦激励信号的幅值及频率，进而控制四波腹振形的振幅和振形扭转。
全文摘要
本发明涉及的是一种钟形振子的激励电路，特别涉及一种用于钟形振子式角速率陀螺仪的振子激励电路，属于惯性导航领域。激励电路由可编程逻辑器件、两路正弦信号发生器、两路功率运算放大器、两组压电换能器以及恒温晶体振荡器组成，用于产生频率和振幅受控的正弦激励电压来激励钟形振子产生频率、振幅稳定的四波腹波形，进而通过测量四波腹振形的扭转形变测量角速率。本发明所述的钟形振子激励电路结构简单、成本低，使用开关电容滤波器产生正弦激励信号，信号频率、幅值及相位可方便地使用可编程逻辑器件控制，且频率精度仅由恒温晶体振荡器的频率稳定度决定，可达0.05ppm。
文档编号G01C19/56GK102497166SQ20111035933
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者付梦印, 刘彤, 王新宇, 邓志红 申请人:北京理工大学
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