微机械惯性传感器检测平台的设计与应用

3.1 激励信号发生器

　　根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理,最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波,每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性,需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间,激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外,陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积,所以还要施加正或负的直流偏置,使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。

　　一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节,不能连续大范围调节。所以,设计中采用数字方法合成模拟波形,其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器,计数最高频率可达8MHz,设计中输入3MHz的时钟,将2个计数器串连使用,这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零,重新开始计数,其输出可作为E2PROM 2817A的地址信号(即每个正弦周期内采样点数为256个)。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效,以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电流输出时间85ns,放大器采用高速高精度运放OP-37。同理,D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效,其输出跟随输入变化,提高转换速度。实验结果表明,此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254,输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形,只要修改E2PROM的数据,就可以输出任意形状的周期波型。

3.2 低通跟踪滤波器

　　数字信号发生器具有控制灵活的优点,但是输出信号不够平滑,其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合,还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大:几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量,采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器,其原理如图7。

通带的截止频率是由电压EC控制的,输出是OUTPUTA,截止频率:

OUTPUTB处是乘法器的直接输出端,截止频率与RC滤波器相同:

　　这种滤波器结构简单,没有开关电容,噪声小,一般采用数模转换器控制EC, 控制通带频率也比较容易。