Интерфейсное устройство для микромеханического гироскопа

Изобретение относится к микромеханическим датчикам скорости вращения, в которых используется эффект Кориолиса, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа. Интерфейсное устройство содержит трансрезистивные усилители, входы которых соединены с противоположными электродами, два источника переменного напряжения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и демодулятор, при этом входы дифференциального усилителя соединены с выходами трансрезистивных усилителей. Выход первого источника переменного напряжения, выполненного как источник пилообразного напряжения, соединен с подвижной массой микромеханического гироскопа, выход второго источника переменного напряжения, выполненного как источник прямоугольного напряжения, соединен с входом для опорного сигнала демодулятора, при этом частоты и фазы первого и второго источников переменного напряжения равны. За счет уменьшения постоянной времени фильтра низкой частоты демодулятора достигается повышение стабильности фазы сигнала на выходе интерфейсного устройства. 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к микромеханическим датчикам скорости вращения, в которых используется эффект Кориолиса, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа.

Известно интерфейсное устройство для микромеханического гироскопа (ММГ) по пат. США №6467346 (см.fig.5), содержащее дифференциальный трансрезистивный усилитель (ДТУ), входы которого соединены с электродами, расположенными с разных сторон ротора на торсионном подвесе или подвижной массы (ПМ), при этом с ПМ соединен источник напряжения. ДТУ в этом устройстве выполнен на двух операционных усилителях (ОУ) 22 с резисторами, включенными между выходом каждого ОУ и его дифференциальным входом и дополнительном ОУ с резистивными делителями между выходом и входами ОУ. Поскольку при колебаниях ПМ в этом ММГ емкость конденсаторов, образованных электродами и ПМ, изменяется, через электроды, с которыми соединены входы ОУ, протекает ток, величина которого зависит от амплитуды (а точнее, от скорости) перемещений ПМ. Трансрезистивными усилителями этот ток преобразуется в напряжения, разность которых выделяется дополнительным ОУ. Выходной сигнал ДТУ пропорционален скорости перемещения ПМ, а при постоянной частоте колебания из этого сигнала можно выделить и сигнал, пропорциональный перемещениям ПМ.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения перемещения ПМ в тех ММГ, в которых мала резонансная частота подвеса ПМ и низкая величина допустимого напряжения в зазоре между ПМ и электродами.

Этот и другие варианты интерфейсных устройств для ММГ описаны в пат. США №6253612 (fig.3, 4). На fig.3а этого патента приведено интерфейсное устройство с источником переменного напряжения прямоугольной формы, который в интерфейсном устройстве ММГ может быть соединен с ПМ или электродами. Применение источника переменного напряжения позволяет значительно увеличить величину тока, протекающего через электроды, и тем самым повысить точность определения положения или перемещений ПМ. При этом выигрыш по точности при достаточно быстродействующих ОУ равен отношению частоты источника переменного напряжения к резонансной частоте подвеса ПМ. Однако, как отмечено в заявке на патент США №US 2005/0166675А1, в качестве источника переменного напряжения, используемого для возбуждения интерфейсного устройства, целесообразно использовать источник синусоидального напряжения. Это позволяет улучшить отношение сигнал/шум на выходе ММГ на порядок и более. На fig.7 этой заявки показано, что для преобразования напряжения источника прямоугольной формы в синусоидальную может быть применен полосовой фильтр, что усложняет электронную часть ММГ.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является интерфейсное устройство, описанное в работе Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII С.Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г. стр.268-274. Это интерфейсное устройство принято в качестве прототипа. На структурной схеме, приведенной на рис.6 этой работы, показано, что оно включает в себя ДТУ, входы которого соединены с противоположными электродами, источник переменного напряжения (3 МГц), выход которого соединен с ПМ, и демодулятор, один вход которого соединен с выходом транрезистивного усилителя, а другой вход соединен с источником переменного напряжения. Демодулятор в этом устройстве выполнен на аналоговом умножителе, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты (ФНЧ) [см. схему, приведенную в Справочнике по нелинейным схемам. Под. ред. Шейнголда, М., Мир, 1977, на фиг.2.4.9, стр.147]. Амплитуда переменной составляющей на выходе такого демодулятора равна величине постоянной составляющей. Отметим, что в качестве опорного напряжения на демодулятор может поступать напряжение как синусоидальной, так и прямоугольной формы. Применительно к интерфейсным устройствам ММГ это означает, что источники переменного напряжения, которые используются в нем, могут иметь разную форму выходного сигнала. Например, источник напряжения, выход которого соединен с ПМ (назовем этот источник напряжения первым), может иметь синусоидальную, а второй, который соединен со входом демодулятора - прямоугольную форму.

Недостатками прототипа являются сложность реализации источника напряжения синусоидальной формы и нестабильность фазы выходного сигнала, обусловленная изменениями параметров элементов, на которых реализован ФНЧ. Нестабильность фазы выходного сигнала приводит к тому, что при последующем синхронном детектировании (с помощью демодулятора Д3) сигнала, поступающего с выхода демодулятора (Д2, см. фиг.6 прототипа), соединенного через ДТУ с электродами, расположенными на выходной оси, с использованием опорного сигнала, поступающего с выхода демодулятора (Д1, см. фиг.6), соединенного через ДТУ с электродами, расположенными на оси канала драйва, ухудшается степень подавления квадратурной помехи и изменяется масштабный коэффициент ММГ. Все это вызывает ухудшение точности ММГ.

Задачей изобретения является упрощение конструкции интерфейсного устройства и повышение стабильности фазы сигнала на выходе этого интерфейсного устройства.

Улучшение этих характеристик при использовании предлагаемого интерфейсного устройства в ММГ позволит повысить точность и уменьшить габариты и стоимость последнего.

Поставленная задача достигается тем, что в интерфейсном устройстве микромеханического гироскопа, содержащем трансрезистивные усилители, входы которых соединены с противоположными электродами, первый и второй источники переменного напряжения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и демодулятор, при этом входы дифференциального усилителя соединены с выходами трансрезистивных усилителей, выход первого источника переменного напряжения соединен с подвижной массой микромеханического гироскопа, выход второго источника переменного напряжения соединен с входом для опорного сигнала демодулятора, первый источник переменного напряжения выполнен как источник пилообразного напряжения, второй источник переменного напряжения выполнен как источник прямоугольного напряжения, при этом частоты и фазы первого и второго источников переменного напряжения равны.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в интерфейсном устройстве микромеханического гироскопа демодулятор выполнен по схеме двухтактного ключевого демодулятора.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено тем, что выполнение первого источника как источника напряжения с пилообразной формой позволяет получить напряжение на выходе ДТУ прямоугольной формы, которое при демодуляции преобразуется в сигнал с малым уровнем пульсаций, что позволяет использовать ФНЧ с меньшей постоянной времени для получения требуемого уровня переменной составляющей выходного напряжения. За счет уменьшения постоянной времени ФНЧ достигается повышение стабильности фазы сигнала на выходе интерфейсного устройства.

Заявленная совокупность признаков позволяет повысить точность ММГ за счет повышения точности подавления квадратурной помехи при использовании предложенного интерфейсного устройства с более высокой стабильностью фазы выходного сигнала, упростить ММГ за счет применения более простой схемы интерфейсного устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема включения предложенного интерфейсного устройства в ММГ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - подвижная масса

2, 3 - электроды емкостного датчика перемещения, расположенные по оси первичных колебаний или драйва

4, 5 - электроды емкостного датчика перемещения, расположенные по оси вторичных колебаний или выходной оси

6, 7 - электроды гребенчатого двигателя, расположенные по оси первичных колебаний или драйва

8, 9 - дополнительные электроды, расположенные по оси вторичных колебаний или выходной оси

10 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси первичных колебаний

11 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси вторичных колебаний

12 - усилитель

13, 14 - резисторы

15, 16, 20 - демодуляторы

17 - первый источник переменного напряжения

18 - второй источник переменного напряжения

19 - фазовращатель

На фиг.2 показан пример реализации предложенного интерфейсного устройства на промышленных элементах.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

21 - конденсатор, образованный электродом 2 и ПМ

22 - конденсатор, образованный электродом 3 и ПМ

10 - ДТУ, соединенный с электродами емкостного датчика перемещения, расположенными по оси первичных колебаний

15 - демодулятор

17 - первый источник переменного напряжения

18 - второй источник переменного напряжения

23, 24 - ОУ

25, 26, 29 - резисторы

27 - дифференциальный усилитель

28 - аналоговый умножитель

30 - конденсатор

На фиг.3 показаны сигналы на выходе трансрезистивного усилителя при разных формах, но одинаковой амплитуде сигнала первого источника переменного напряжения.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

31 - сигнал при прямоугольной форме напряжения первого источника переменного напряжения

32 - сигнал при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения

33 - сигнал при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения

На фиг.4 показан пример реализации двухтактного ключевого демодулятора.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

34 - ОУ

35-38 - резисторы

39 - ключ

40 - источник входного сигнала

На фиг.5 приведены переменные составляющие напряжений пульсации на выходе демодулятора предложенного интерфейсного устройства.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

41 - пульсации при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения

42 - пульсации при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения

В ММГ на фиг.1 с разных сторон ПМ расположены электроды 2, 3 емкостного датчика перемещения ПМ по оси драйва, электроды 4, 5 емкостного датчика перемещения ПМ по выходной оси. Электроды гребенчатого двигателя 6, 7 также расположены с разных сторон ПМ по оси драйва, а электроды 8, 9 расположены с разных сторон ПМ по выходной оси. ДТУ 10, 11 соединены входами соответственно с электродами 2, 3 и электродами 4, 5. ДТУ 10 образован усилителем 12 с резисторами 13, 14, включенными между выходом усилителя 12 и инвертирующим и неинвертирующим входами усилителя 12. ДТУ 11 выполнен на аналогичных элементах, что и ДТУ 10. Выход каждого из ДТУ 10, 11 соединен соответственно с входами демодуляторов 15, 16. Первый источник переменного напряжения 17 выполнен как источник пилообразного напряжения и соединен с ПМ, а второй источник переменного напряжения 18 выполнен как источник прямоугольного напряжения и соединен с входами демодуляторов 15, 16. Выход демодулятора 15 через фазовращательное устройство 19, а выход демодулятора 16 непосредственно соединены с входами демодулятора 20.

Предложенное интерфейсное устройство работает следующим образом.

При перемещениях ПМ по оси драйва изменяются в противоположных направлениях емкости, образованные ПМ и электродами 2, 3. Это вызывает изменения токов, протекающих через электроды 2, 3. Разность токов, протекающих через эти электроды, преобразуется ДТУ 10 в напряжение прямоугольной формы, амплитуда которого пропорциональна перемещениям ПМ по оси драйва. Это напряжение демодулятором 16 преобразуется в напряжение, величина которого пропорциональна перемещениям ПМ по оси драйва. Выходной сигнал демодулятора 15 поступает как к устройству возбуждения первичных колебаний или драйва, так и через фазовращатель 19 - к демодулятору 20 в качестве опорного сигнала. Устройство возбуждения первичных колебаний или драйва на фиг.1 не показано. Его работа подробно описана в литературе, например, в пат. США №6067858, №6253612. При работе устройства возбуждения первичных колебаний ПМ1 на электродах 6, 7 формируются переменное напряжение, создающее силу или момент, действующие на ПМ и вызывающие колебания ПМ. При поворотах ММГ вокруг оси чувствительности на ПМ действует кориолисово ускорение, вызывающее колебания ПМ по выходной оси, т.е. между электродами 4, 5. Изменения расстояния между ПМ и электродами 4, 5 вызывают изменения емкостей конденсаторов, образованных ПМ и электродами 4, 5, и соответственно изменение напряжения на выходе ДТУ 11. Форма этих напряжений совпадает с формой напряжений на выходе ДТУ 11. После демодуляции демодулятором 16 на выходе последнего напряжение содержит полезную составляющую, амплитуда которой пропорциональна скорости вращения ММГ вокруг оси чувствительности, и составляющую, фаза которой сдвинута на 90° относительно полезной составляющей, т.н. квадратурную помеху. Более подробно природа квадратурной помехи описана в пат. США №6067858. Одним из основных методов подавления квадратурной помехи является синхронное фазочувствительное детектирование или демодуляция, при котором можно добиться полного подавления этой помехи. Однако, если в каналах преобразования сигналов есть элементы, изменяющие фазу сигнала, то нестабильность этих элементов может приводить к дрейфу фазы одного сигнала, поступающего на вход демодулятора, относительно другого. Исключение этих элементов из схемы или уменьшение их постоянной времени исключает или уменьшает соответственно их влияние на степень подавления квадратурной помехи и позволяет повысить точность ММГ.

Вариант выполнения ДТУ 10 и демодулятора 15 показаны на фиг.2.

Входы ДТУ 10 соединены с конденсаторами 21, 22, объединенный вывод которых соединен с первым источником переменного напряжения 17. ДТУ 10 образован ОУ 23, 24, между выходами и инвертирующими входами которых включены резисторы 25, 26. Выходы ОУ 23, 24 соединены с входами дифференциального усилителя 27. Демодулятор 15 образован аналоговым умножителем 28 и ФНЧ на резисторе 29 и конденсаторе 30. Входы аналогового умножителя 28 соединены с выходом дифференциального усилителя 27 и вторым источником переменного напряжения 18.

Схема на фиг.2 работает следующим образом. Трансрезистивные усилители на ОУ 23, 24 преобразуют входной ток в напряжения, разность которых выделяется дифференциальным усилителем 27. Величины входных токов пропорциональны входным емкостям, которые зависят от расстояний между ПМ и электродами 2, 3. Соответственно амплитуда выходного напряжения дифференциального усилителя 27 пропорциональна перемещениям ПМ. Сигнал, пропорциональный амплитуде выходного напряжения дифференциального усилителя 27, выделяется демодулятором 15. ФНЧ на резисторе 29 и конденсаторе 30 обеспечивает подавление высокочастотной составляющей сигнала на выходе аналогового умножителя 28. Чем выше постоянная времени этого ФНЧ, тем выше степень подавления высокочастотной составляющей сигнала. Однако и нестабильность постоянной времени ФНЧ (абсолютная величина ее изменения из-за старения элементов или влияния температуры) также возрастает, ухудшая точность работы ММГ. Отметим, что возможны и другие реализации ФНЧ (более высокого порядка, с использованием активных элементов, на переключаемых конденсаторах и т.д.). С другой стороны, схема на ОУ 23 с резистором 25 и конденсатором 21 является схемой дифференцирования входного сигнала (см. Дж.Рутковский. Интегральные операционные усилители. М., Мир, 1978, стр.180-184). Поэтому при прямоугольной форме напряжения источника 17 выходное напряжение ОУ 23 будет представлять узкие импульсы, длительность которых определяется длительностью фронтов импульсов входного напряжения.

Линии 31, 32 и 33 на фиг.3 соответствуют формам напряжения на выходе ОУ 23 для случаев, когда напряжение источника переменного напряжения, подключаемого к ПМ, имеет соответственно форму прямоугольную (как в аналоге по пат. США №6253612, fig.3a, для этого случая при моделировании параллельно резистору 25 включался конденсатор), синусоидальную (как в прототипе) и пилообразную. Как видно из графика, даже при достаточно большой емкости конденсатора в обратной связи ОУ 23 (в 5 раз больше, чем емкость электродов) его выходное напряжение изменяется значительно, что при вычитании напряжений в дифференциальном усилителе и демодуляции приводит к погрешностям и увеличению шума ММГ. Кроме того, большая величина импульсов напряжения не позволяет повысить коэффициент преобразования тока в напряжение в трансрезистивном усилителе выше, чем отношение напряжения питания к амплитуде этого импульса. Амплитуды напряжений 32 и 33 близки по величине друг к другу, динамический диапазон сигналов на два порядка ниже, чем при прямоугольной форме напряжения. Таким образом, использование в качестве источника переменного напряжения источника с пилообразной формой выходного сигнала не приводит к искажениям сигнала на выходе ДТУ, позволяет увеличить коэффициент преобразования тока в напряжение в ДТУ на 2 порядка, чем в аналоге и при малошумящих ОУ значительно повысить чувствительность ММГ. При этом реализация двух источников 17 и 18 может быть достаточно простой, например источник 17 может быть сформирован на ОУ, включенном как интегратор (см. Дж.Рутковский. Интегральные операционные усилители, М., Мир, 1978, стр.176-180), или на источнике тока, например на полевом транзисторе и конденсаторе, подключенным к источнику прямоугольного напряжения. Т.е. фактически для работы предложенного интерфейсного устройства достаточно использовать один источник прямоугольного напряжения и схему формирования из него пилообразного напряжения.

В двухтактном демодуляторе (см. фиг.4) между выходом ОУ 34 и его инвертирующим входом включен резистор 35. Между инвертирующим входом и общим выводом источника питания подсоединен резистор 36. Резисторы 37, 38 включены между выходом источника сигнала 40 и инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ 34. Ключ 39 включен между неинвертирующим входами ОУ 34 и общим выводом источника питания. При сопротивлении резистора 35 в два раза большем остальных резисторов, сопротивления которых выбираются равными между собой, при замыкании и размыкании ключа коэффициент передачи схемы на фиг.4 изменяется по знаку. Если сигнал источника 40 находится в фазе с частотой сигнала, управляющего состоянием ключа, то приведенная на фиг.4 будет работать как демодулятор. Подробное описание этой схемы приведено в Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л., Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, стр.123, рис.4.4а).

Если на вход этого демодулятора поступает знакопеременное напряжение прямоугольный формы (линия 33 на фиг.3), то выходное напряжение преобразуется в постоянное. Незначительный переходный процесс на переднем фронте сигнала может быть отфильтрован ФНЧ с малой постоянной времени.

Как видно из фиг.5, пульсации при синусоидальной форме напряжения первого источника переменного напряжения (кривая 41) представляют собой 2-ую гармонику входного сигнала, они при одинаковой постоянной времени ФНЧ оказываются значительно больше (левая шкала для кривой 41, правая для кривой 42), чем пульсации при пилообразной форме напряжения первого источника переменного напряжения (кривая 42).

Таким образом, использование в качестве первого источника переменного напряжения источника пилообразного напряжения, а второго - источника прямоугольного напряжения позволяет наряду с более простой реализацией схемы интерфейсного устройства (в части источников 17, 18 и демодуляторов 15, 16) уменьшить постоянную времени ФНЧ и уменьшить вносимые им фазовый сдвиг по фазе выходного сигнала.

Интерфейсное устройство микромеханического гироскопа, содержащее дифференциальный трансрезистивный усилитель, образованный двумя трансрезистивными усилителями, входы которых соединены с противоположными электродами, первый и второй источники переменного напряжения, последовательно соединенные дифференциальный усилитель и демодулятор, образованный аналоговым умножителем и фильтром низкой частоты, при этом входы дифференциального усилителя соединены с выходами трансрезистивных усилителей, выход первого источника переменного напряжения соединен с подвижной массой микромеханического гироскопа, выход второго источника переменного напряжения соединен с входом для опорного сигнала демодулятора, отличающееся тем, что первый источник переменного напряжения выполнен как источник пилообразного напряжения, второй источник переменного напряжения выполнен как источник прямоугольного напряжения, при этом частоты и фазы первого и второго источников переменного напряжения равны.