基于FPGA的壓電陀螺等效電路的π網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路π網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法及裝置，所述裝置包括：FPGA控制模塊、衰減器、兩個(gè)混頻器和AD采樣模塊，F(xiàn)PGA控制模塊提供參考時(shí)鐘，經(jīng)衰減器產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)含有壓電陀螺的π網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同頻率信號(hào)，作為混頻器的輸入端；混頻器產(chǎn)生方波和直流信號(hào)，方波送入FPGA相位檢測(cè)電路，檢測(cè)π網(wǎng)絡(luò)兩端相位差；直流信號(hào)由AD采樣模塊獲得；當(dāng)兩路信號(hào)的相位差為零時(shí)，即得到壓電陀螺的諧振頻率。本發(fā)明為壓電陀螺的等效電路提供了許多重要參數(shù)，提高了壓電陀螺在驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)電路中的可分析性，對(duì)壓電陀螺的研究具有重要的價(jià)值。
【專利說(shuō)明】
基于FPGA的壓電陀螺等效電路的:?網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電陀螺的等效電路的測(cè)量方法和裝置，具體地，涉及一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路的JT網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀作為一種載體角速度敏感慣性傳感器，是慣性測(cè)量單元(MU)中的核心器件，在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等方面有著非常重要的作用。微陀螺具有尺寸質(zhì)量小、功耗低、成本低、環(huán)境適應(yīng)性好、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，使其不僅在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域部分替代了傳統(tǒng)陀螺儀，而且能夠在汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化控制、消費(fèi)電子的姿態(tài)穩(wěn)定控制等市場(chǎng)領(lǐng)域以驚人的速度拓展。
[0003]等效電路指的是同一個(gè)電路的不同的表示方法。當(dāng)電路中某一部分用其等效電路代替之后，未被代替的部分電壓和電流均不發(fā)生變化，也就是說(shuō)電壓和電流不變的部分只是等效部分以外的電路，故稱“對(duì)外等效”。元件的種類和位置都相同，但是在畫(huà)電路時(shí)有不同的畫(huà)線方法，就是等效電路。在許多情況下，人們常利用作用的效果相同，來(lái)認(rèn)識(shí)和處理復(fù)雜的問(wèn)題?，F(xiàn)代電子技術(shù)中，在分析一些復(fù)雜電路時(shí)，人們常常只關(guān)注整個(gè)電路(或電路的某一部分)的輸入、輸出關(guān)系，即電流和電壓的變化關(guān)系。這樣就可以用一個(gè)等效電路代替復(fù)雜電路，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。
[0004]壓電器件等效電路的參數(shù)測(cè)量方法有傳輸法、阻抗計(jì)法等，其中:傳輸法是把壓電元件插入一個(gè)傳輸線路中，測(cè)量整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大和最小傳輸頻率，從而得到要測(cè)量的頻率等參數(shù);傳輸法具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單、精確度比較高等優(yōu)點(diǎn)，在壓電材料和壓電器件的研制和生產(chǎn)過(guò)程中，得到了非常廣泛的應(yīng)用。阻抗計(jì)法是最方便的測(cè)量方法之一，當(dāng)測(cè)量某一特定頻率附近的石英晶體時(shí)了預(yù)先適當(dāng)?shù)卣{(diào)整振蕩回路電子元件的參數(shù)就可以比較精確地測(cè)量石英晶體的諧振頻率等參數(shù)，但測(cè)量的精度相對(duì)較低。
[0005]壓電圓盤(pán)微陀螺是一種基于科氏加速度效應(yīng)的微機(jī)械振動(dòng)陀螺，陀螺采用圓盤(pán)狀的諧振結(jié)構(gòu)，利用壓電方式驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)，工作在模態(tài)匹配的狀態(tài)下。該陀螺的特別之處在于該陀螺的工作模態(tài)是厚度剪切方向上的振動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)為振型一樣、相位正交的駐波振動(dòng)。該圓盤(pán)表面有多個(gè)電極，其中有監(jiān)測(cè)電極，驅(qū)動(dòng)電極，檢測(cè)電極和平衡電極。為了提高壓電陀螺在驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)電路中的可分析性，提出一種高可靠性的壓電陀螺的等效電路參數(shù)的測(cè)量方法及裝置是十分有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法及裝置，以提高壓電圓盤(pán)微陀螺在驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)等電路中的可分析性。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，包括= FPGA控制模塊、衰減器、第一混頻器、第二混頻器和AD采樣模塊，其中:所述FPGA控制模塊包括測(cè)相電路和DDS控制器；
[0008]衰減器，其輸入端連接FPGA控制模塊，接收FPGA控制模塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)，進(jìn)行衰減處理，得到衰減信號(hào)，并通過(guò)輸出端將信號(hào)傳給網(wǎng)絡(luò)和第一混頻器；
[0009]第一混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和衰減器，接收來(lái)自DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和來(lái)自衰減器的衰減信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路；
[0010]第二混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和JT網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和η網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路；
[0011]AD采樣模塊，其輸入端連接兩個(gè)混頻器，接收方波信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)輸出端將該信號(hào)傳給FPGA控制模塊；
[0012]FPGA控制模塊，其輸入端連接兩個(gè)混頻器的輸出端，接收兩個(gè)混頻器輸出的信號(hào)，檢測(cè)兩個(gè)方波信號(hào)的相位差，同時(shí)還接收AD采樣模塊得到的直流信號(hào)，檢測(cè)該直流信號(hào)的電平大小，并且所述FPGA控制模塊能夠產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)傳給衰減器和兩個(gè)混頻器。
[0013]優(yōu)選地，所述FPGA控制模塊進(jìn)一步包括采樣系統(tǒng)、狀態(tài)寄存器和I/O控制器;其中:
[0014]采樣系統(tǒng):觀察AD采樣模塊中得到數(shù)字信號(hào)，并用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，將二進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后得到直流信號(hào)；
[0015]測(cè)相電路:測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波信號(hào)的相位差；當(dāng)相位差為零時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊產(chǎn)生的第一高頻正弦信號(hào)頻率為要得到的結(jié)果；
[0016]狀態(tài)寄存器:存儲(chǔ)指令地址，以及存儲(chǔ)檢測(cè)到的相位差和直流信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0017]I/O控制器:對(duì)數(shù)據(jù)和地址端口進(jìn)行定義。
[0018]優(yōu)選地，所述的JT網(wǎng)絡(luò)為放入壓電陀螺的電路網(wǎng)絡(luò)，由對(duì)稱的雙Ji型回路組成，三個(gè)電阻R1、R2和R3構(gòu)成輸入衰減器，另外三個(gè)電阻R4、R5和R6構(gòu)成輸出衰減器，它們的作用是使π網(wǎng)絡(luò)的阻抗與測(cè)量?jī)x表的阻抗相匹配，衰減來(lái)自測(cè)量裝置的反射信號(hào)。
[0019]本發(fā)明中，將壓電陀螺置于網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)電阻構(gòu)成的輸入衰減器和輸出衰減器的中間，當(dāng)壓電處于諧振狀態(tài)時(shí)，η網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)純電阻網(wǎng)絡(luò)，其阻抗最??；當(dāng)兩路方波信號(hào)的相位差為零時(shí)，得到壓電陀螺的諧振頻率。通過(guò)諧振頻率，再由測(cè)量的電平、頻率可計(jì)算出被測(cè)壓電陀螺的等效電路的各個(gè)參數(shù)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法，所述方法包括如下步驟:
[0021]S1:采用FPGA數(shù)字合成技術(shù)為系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘，經(jīng)衰減器產(chǎn)生兩路高頻正弦信號(hào)；
[0022]S2:兩路高頻正弦信號(hào)經(jīng)含有壓電陀螺的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同頻率信號(hào)，作為兩個(gè)混頻器的輸入端，兩個(gè)混頻器產(chǎn)生方波和直流信號(hào)；
[0023]S3:方波信號(hào)送入FPGA控制模塊的相位檢測(cè)電路，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端相位差;直流信號(hào)由AD米樣獲得；
[0024]S4:當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)兩端相位差為零時(shí)，F(xiàn)PFA控制模塊產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)的頻率即為壓電陀螺等效電路的頻率，再由測(cè)量得到的直流信號(hào)的電平，計(jì)算出壓電陀螺等效電路中的靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的值。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0026]本發(fā)明的基于FPGA的壓電陀螺等效電路的網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法，當(dāng)兩路信號(hào)的相位差為零時(shí)，得到壓電陀螺的諧振頻率。通過(guò)諧振頻率，再由測(cè)量的電平、頻率可計(jì)算出被測(cè)壓電陀螺的等效電路的各個(gè)參數(shù)。
[0027]本發(fā)明的憑借FPGA強(qiáng)大的時(shí)序控制能力及數(shù)字信號(hào)處理，能夠快速并且準(zhǔn)確地測(cè)量壓電陀螺等效電路的諧振頻率，從而得到等效電路中的靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的值。同時(shí)本發(fā)明能夠做到高達(dá)200MHz測(cè)量頻率，而普通的阻抗分析儀只能達(dá)到IM左右的測(cè)量頻率?？偟膩?lái)說(shuō)，本發(fā)明的測(cè)量精度，測(cè)量速度和頻率測(cè)量范圍都領(lǐng)先于現(xiàn)有技術(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0028]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0029]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例壓電圓盤(pán)微陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例壓電圓盤(pán)微陀螺的等效電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例壓電圓盤(pán)微陀螺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例基于FPGA的壓電陀螺等效電路的網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0034]如圖4所示，一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路的網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，包括:包括:FPGA控制模塊、衰減器、第一混頻器、第二混頻器和AD采樣模塊，所述FPGA控制模塊包括測(cè)相電路和DDS控制器;其中:
[0035]FPGA控制模塊的DDS控制器產(chǎn)生兩個(gè)高頻正弦信號(hào)，第一高頻正弦信號(hào)經(jīng)衰減器，進(jìn)入第一混頻器和網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)進(jìn)入第二混頻器;第二高頻正弦信號(hào)直接進(jìn)入第一混頻器和第二混頻器，兩個(gè)混頻器產(chǎn)生方波和直流信號(hào)，其中:方波送入FPGA控制模塊的測(cè)相電路，檢測(cè)π網(wǎng)絡(luò)兩端相位差;直流?目號(hào)由A D米樣模塊獲得；當(dāng)兩路彳目號(hào)的相位差為零時(shí)，即得到壓電陀螺的諧振頻率。根據(jù)測(cè)得的直流信號(hào)電平的大小計(jì)算出壓電陀螺等效電路中靜態(tài)電容，動(dòng)態(tài)電容，動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的值。
[0036]具體的，第一混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和衰減器，接收來(lái)自由DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和來(lái)自衰減器的衰減信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路；
[0037]第二混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自由DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和JT網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路。
[0038]在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述FPGA控制模塊包括采樣系統(tǒng)，測(cè)相電路，DDS控制器，狀態(tài)寄存器和I/o控制器;其中:
[0039]采樣系統(tǒng):觀察AD采樣模塊中得到數(shù)字信號(hào)，并用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，將二進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后得到直流信號(hào)；
[0040]測(cè)相電路:測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波信號(hào)的相位差；當(dāng)相位差為零時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊產(chǎn)生的第一高頻正弦信號(hào)DDSl的頻率為要得到的結(jié)果；
[0041]DDS控制器:為衰減器、兩個(gè)混頻器提供高頻的正弦信號(hào)；
[0042]狀態(tài)寄存器:存儲(chǔ)指令地址，以及存儲(chǔ)檢測(cè)到的相位差和直流信號(hào)等數(shù)據(jù)；
[0043]I/O控制器:對(duì)數(shù)據(jù)和地址端口進(jìn)行定義。
[0044]本實(shí)施例中，所述的陀螺采用的是壓電材料。壓電材料在外部力的作用下會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，相反，當(dāng)該晶體在外加電壓作用下會(huì)伸展或收縮，這種特性被稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由于某些材料晶體原始單元中的電荷不對(duì)稱性，從而導(dǎo)致形成電偶極子，在整個(gè)晶體內(nèi)，這些偶極子效應(yīng)的疊加產(chǎn)生整個(gè)晶體的極化，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)。只有缺少對(duì)稱中心的晶體才顯現(xiàn)出壓電特性。
[0045]本發(fā)明上述測(cè)試裝置適用于壓電陀螺，如圖1所示，在一實(shí)施例中，壓電陀螺是一種基于科氏加速度效應(yīng)的微機(jī)械振動(dòng)陀螺，陀螺采用圓盤(pán)狀的諧振結(jié)構(gòu)，利用壓電方式驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)，工作在模態(tài)匹配的狀態(tài)下。該陀螺的特別之處在于該陀螺的工作模態(tài)是厚度剪切方向上的振動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)為振型一樣、相位正交的駐波振動(dòng)。該圓盤(pán)表面有多個(gè)電極，其中M1，M2，M3為監(jiān)測(cè)電極，Drl，Dr2，Dr3為驅(qū)動(dòng)電極，S1，S2，S3為檢測(cè)電極，BI，B2，B3為平衡電極。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中也可以是其他類型的壓電陀螺。
[0046]如圖2所示，為現(xiàn)有壓電陀螺的等效電路(涵蓋上述圖1所示的壓電陀螺)，所述壓電陀螺的等效電路包括一個(gè)靜態(tài)電容CO以及動(dòng)態(tài)電阻Rl，動(dòng)態(tài)電感LI和動(dòng)態(tài)電容CI。由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻串聯(lián)組成支路，靜態(tài)電容與這條支路并聯(lián)。靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容;等效電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量。該等效電路是本發(fā)明測(cè)試進(jìn)行的基礎(chǔ)，最終得到的測(cè)試結(jié)果就是該等效電路中的電容值、電感值和電阻值。
[0047]本發(fā)明在測(cè)量時(shí)，該等效電路等價(jià)于壓電陀螺，它有兩個(gè)端口，其中任意一個(gè)端口與π網(wǎng)絡(luò)中的輸入衰減器連接，另外一個(gè)端口與π網(wǎng)絡(luò)中的輸出衰減器連接，從而形成完整的測(cè)量系統(tǒng)。
[0048]如圖3所示，壓電圓盤(pán)微陀螺的網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試法的基本原理，31網(wǎng)絡(luò)由對(duì)稱的雙型回路組成，三個(gè)電阻R1，R2和R3構(gòu)成輸入衰減器，另三個(gè)電阻R4，R5和R6構(gòu)成輸出衰減器，其中電阻R3位于左邊型回路的上部，電阻Rl和電阻R2分布在左邊型回路的兩旁，電阻R6位于右邊型回路的上部，電阻R4和電阻R5分布在右邊型回路的兩旁，將壓電陀螺置于兩個(gè)31型回路中間。輸入衰減器和輸出衰減器的作用是使31網(wǎng)絡(luò)的阻抗與測(cè)量?jī)x表的阻抗相匹配，衰減來(lái)自測(cè)量裝置的反射信號(hào)，Va為網(wǎng)絡(luò)輸入矢量電壓信號(hào)，Vb為輸出矢量電壓信號(hào)。在測(cè)量時(shí)，通過(guò)不斷改變Va的頻率，并檢測(cè)Vb的幅值以及Va和Vb的相位差，當(dāng)Vb幅值達(dá)到最大或者相位差為時(shí)，η網(wǎng)絡(luò)處于諧振狀態(tài)，此時(shí)Vb信號(hào)的頻率就為壓電陀螺的串聯(lián)諧振頻率。
[0049]在上述測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上，一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路的網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法，所述方法包括如下步驟:
[0050]S1:采用FPGA數(shù)字合成技術(shù)為系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘，經(jīng)衰減器產(chǎn)生兩路高頻正弦信號(hào)；
[0051]S2:兩路高頻正弦信號(hào)經(jīng)含有壓電陀螺的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同頻率信號(hào)，作為兩個(gè)混頻器的輸入端，兩個(gè)混頻器產(chǎn)生方波和直流信號(hào)；
[0052]S3:方波信號(hào)送入FPGA控制模塊的相位檢測(cè)電路，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端相位差即兩個(gè)方波信號(hào)的相位差;直流信號(hào)由AD采樣獲得；
[0053]S4:當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)兩端相位差為零時(shí)，F(xiàn)PFA控制模塊產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)的頻率即為壓電陀螺等效電路的頻率，再由測(cè)量得到的直流信號(hào)的電平，計(jì)算出壓電陀螺等效電路中的靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的值。
[0054]上述方法中，兩路高頻正弦信號(hào):第一高頻正弦信號(hào)DDSl經(jīng)衰減器，進(jìn)入第一混頻器和網(wǎng)絡(luò)，31網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)進(jìn)入第二混頻器;第二高頻正弦信號(hào)DDS2直接進(jìn)入第一混頻器和第二混頻器?；祛l器將兩路信號(hào)進(jìn)行混頻后分別兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)為方波，另一個(gè)為反映信號(hào)幅度的直流信號(hào)。
[0055 ] 所述測(cè)量方法通過(guò)FPFA控制模塊控制測(cè)量頻率范圍為I至200MHz，對(duì)網(wǎng)絡(luò)相位差測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，采用迭代法和對(duì)分法相結(jié)合的快速測(cè)量算法。
[0056]本發(fā)明為壓電陀螺的等效電路提供了許多重要參數(shù)，提高了壓電陀螺在驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)電路中的可分析性，對(duì)壓電陀螺的研究具有重要的價(jià)值。
[0057]本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。
[0058]對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路JT網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，其特征在于，包括:FPGA控制模塊、衰減器、第一混頻器、第二混頻器和AD采樣模塊，其中:所述FPGA控制模塊包括測(cè)相電路和DDS控制器； 衰減器，其輸入端連接FPGA控制模塊，接收FPGA控制模塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)，進(jìn)行衰減處理，得到衰減信號(hào)，并通過(guò)輸出端將信號(hào)傳給η網(wǎng)絡(luò)和第一混頻器； 第一混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和衰減器，接收來(lái)自DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和來(lái)自衰減器的衰減信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路；第二混頻器，輸入端連接FPGA控制模塊中的DDS控制器和網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自DDS控制器的第二高頻正弦信號(hào)和η網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)，進(jìn)行混頻處理，得到直流信號(hào)和方波信號(hào)，并通過(guò)輸出端將直流信號(hào)傳給AD采樣模塊，將方波信號(hào)傳給FPGA控制模塊中的測(cè)相電路； AD采樣模塊，其輸入端連接兩個(gè)混頻器，接收方波信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)輸出端將該信號(hào)傳給FPGA控制模塊； FPGA控制模塊，其輸入端連接兩個(gè)混頻器的輸出端，接收兩個(gè)混頻器輸出的信號(hào)，檢測(cè)兩個(gè)方波信號(hào)的相位差，同時(shí)還接收AD采樣模塊得到的直流信號(hào)，檢測(cè)該直流信號(hào)的電平大小，并且所述FPGA控制模塊能夠產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)傳給衰減器和兩個(gè)混頻器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，其特征在于，所述FPGA控制模塊進(jìn)一步包括采樣系統(tǒng)、狀態(tài)寄存器和I/O控制器;其中: 采樣系統(tǒng):觀察AD采樣模塊中得到數(shù)字信號(hào)，并用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，將二進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后得到直流信號(hào)； 測(cè)相電路:測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波信號(hào)的相位差；當(dāng)相位差為零時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊產(chǎn)生的第一高頻正弦信號(hào)頻率為要得到的結(jié)果； 狀態(tài)寄存器:存儲(chǔ)指令地址，以及存儲(chǔ)檢測(cè)到的相位差和直流信號(hào)數(shù)據(jù)； I/O控制器:對(duì)數(shù)據(jù)和地址端口進(jìn)行定義。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，其特征在于，所述的JT網(wǎng)絡(luò)為放入壓電陀螺的電路網(wǎng)絡(luò)，由對(duì)稱的雙JT型回路組成，三個(gè)電阻R1、R2和R3構(gòu)成輸入衰減器，另外三個(gè)電阻R4、R5和R6構(gòu)成輸出衰減器，它們的作用是使網(wǎng)絡(luò)的阻抗與測(cè)量?jī)x表的阻抗相匹配，衰減來(lái)自測(cè)量裝置的反射信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，其特征在于，將壓電陀螺置于網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)電阻構(gòu)成的輸入衰減器和輸出衰減器的中間，當(dāng)壓電處于諧振狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)純電阻網(wǎng)絡(luò)，其阻抗最小；當(dāng)兩路方波信號(hào)的相位差為零時(shí)，得到壓電陀螺的諧振頻率;通過(guò)諧振頻率，再由測(cè)量的電平、頻率可計(jì)算出被測(cè)壓電陀螺的等效電路的各個(gè)參數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試裝置，其特征在于，所述裝置的測(cè)量頻率范圍為I至200MHz。6.—種采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述裝置的基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: S1:采用FPGA數(shù)字合成技術(shù)為系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘，經(jīng)衰減器產(chǎn)生兩路高頻正弦信號(hào)； S2:兩路高頻正弦信號(hào)經(jīng)含有壓電陀螺的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同頻率信號(hào)，作為兩個(gè)混頻器的輸入端，兩個(gè)混頻器產(chǎn)生方波和直流信號(hào)； S3:方波信號(hào)送入FPGA控制模塊的相位檢測(cè)電路，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端相位差即兩個(gè)方波信號(hào)的相位差，直流信號(hào)由AD采樣獲得； S4:當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)兩端相位差為零時(shí)，F(xiàn)PFA控制模塊產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)的頻率即為壓電陀螺等效電路的頻率，再由測(cè)量得到的直流信號(hào)的電平，計(jì)算出壓電陀螺等效電路中的靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的值。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法，其特征在于，通過(guò)FPFA控制模塊控制測(cè)量頻率范圍為I至200MHz，對(duì)π網(wǎng)絡(luò)相位差測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，采用迭代法和對(duì)分法相結(jié)合的快速測(cè)量算法。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于FPGA的壓電陀螺等效電路網(wǎng)絡(luò)等相位測(cè)試方法，其特征在于，所述方法采用壓電陀螺的等效電路，所述壓電陀螺的等效電路包括一個(gè)靜態(tài)電容CO以及動(dòng)態(tài)電阻Rl，動(dòng)態(tài)電感LI和動(dòng)態(tài)電容Cl;由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻串聯(lián)組成支路，靜態(tài)電容與這條支路并聯(lián);靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容；等效電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量； 在測(cè)量時(shí)，該等效電路等價(jià)于壓電陀螺，它有兩個(gè)端口，其中任意一個(gè)端口與網(wǎng)絡(luò)中的輸入衰減器連接，另外一個(gè)端口與η網(wǎng)絡(luò)中的輸出衰減器連接，從而形成完整的測(cè)量系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01R31/28GK106053958SQ201610343285
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張衛(wèi)平, 歐彬, 唐健, 孫殿竣, 邢亞亮, 樊冬, 劉朝陽(yáng), 朱甲強(qiáng)
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)