一种数字陀螺仪信号控制处理系统技术领域
本发明属于陀螺仪技术领域，涉及陀螺仪的信号处理和控制电路的软硬
件实现架构，特别是涉及振动式陀螺仪。
背景技术
硅微陀螺仪是一种振动陀螺仪，具有体积小、质量轻、成本低、抗恶劣
环境、可批量生产等优点。目前的微加工工艺主要基于光刻的图案传递和腐
蚀技术，工艺相对误差在10-3量级或者更大，为了提高振动式微陀螺仪的精
度，必须对微加工过程中的各种误差进行补偿。
根据振动式陀螺的敏感原理科里奥利效应，角速度激发的检测模态的振
动跟驱动模态的振动速度成正比。因此为了保证角速度输出的稳定性，目前
的主流做法是用锁相环跟踪驱动模态的谐振频率变化，利用稳幅控制环路来
稳定驱动环路的振幅的稳定。
为了保证陀螺仪驱动模态锁相环的频率跟踪精度和稳幅控制环路的幅
度控制精度，必须获得精确的驱动谐振频率和幅度信息。对于陀螺仪检测模
态的角速度信号和正交信号的提取和陀螺仪驱动模态频率信息和幅度信息
的提取类似，现在有两种常用方法：一种是采用锁相解调的方法来获取幅度
和相位信息，锁相解调方案需要低通滤波器抑制带外噪声，对滤波器的性能
要求极高，这增加了对系统硬件资源的消耗；另一种常用的方法是自适应解
调，但自适应算法实现起来较为复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是：发明了一种数字陀螺仪信号控制处理系统，
实现了对振动式陀螺仪信号的高效处理和控制，克服了现有陀螺仪处理电路
采用锁相解调技术对滤波器参数要求过高的缺点，或者采用自适应解调技术
实施方案过于复杂的问题。
本发明的技术方案是：一种数字陀螺仪信号控制处理系统，包括驱动模
块控制环路L1和检测模态控制环路L2；
驱动模块控制环路L1：第一电容电压转换模块把振动式陀螺仪驱动模
态的振动信号转换成电信号，通过第一抗混叠滤波模块进行抗混叠滤波处理
后传送给第一AD转换模块；通过第一相关欠采样模块对第一AD转换模块
进行相关欠采样处理获得频率偏移信息和振动幅度信息；频率跟踪PI控制
器将第一相关欠采样模块获得的频率偏移信息与频率参考进行比较，得到相
应的误差信号，根据误差信号的大小输出相应的频率控制字给信号发生器模
块，使得信号发生器模块生成的陀螺仪驱动信号sin1跟踪陀螺仪驱动模态
的谐振频率；信号发生器模块生成陀螺仪驱动信号sin1、检测模态调制正交
基准信号sin2和cos2；稳幅PI控制器将第一相关欠采样模块获得的幅度信
息与幅度参考进行比较，得到相应的误差信号，根据误差信号的大小生成相
应的控制电压给驱动幅度调制模块；驱动幅度调制模块将调制后的驱动信号
通过第一DA转换模块输出给驱动加力模块；驱动加力模块把电压信号施加
在振动式陀螺仪的驱动电极上实现电信号到力信号的转换，从而实现对振动
式陀螺仪的驱动；
检测模态控制环路L2：第二电容电压转换模块将振动式陀螺仪的检测
模态振动信号转换成电信号，经过第二抗混叠滤波模块进行抗混叠滤波处理
后传给第二AD转换模块；第二相关欠采样模块对第二AD转换模块进行相
关欠采样处理，获得振动式陀螺仪的正交误差信息和角速度信息；第一环路
补偿模块对角速度力平衡环路进行补偿以满足力平衡闭环要求，输出相关的
控制信号到角速度加力调制模块，所述的角速度力平衡环路包括：第二电容
电压转换模块、第二抗混叠滤波模块、第二AD转换模块、第二相关欠采样
模块、第一环路补偿模块、信号发生模块、角速度加力调制模块、第二DA
转换模块、检测加力模块和振动式陀螺仪；信号发生模块生成相互正交的角
速度力平衡参考信号cos2和正交误差力平衡参考信号sin2；角速度加力调
制模块对信号发生模块生成的角速度力平衡参考信号cos2利用第一环路补
偿模块输出的控制信号进行调制，生成角速度力平衡信号；第二环路补偿模
块对正交误差力平衡环路进行补偿以满足正交误差闭环要求，输出相关的控
制信号正交加力调制模块，所述的正交误差力平衡环路包括:第二电容电压
转换模块、第二抗混叠滤波模块、第二AD转换模块、第二相关欠采样模块、
第二环路补偿模块、正交加力调制模块、第二DA转换模块、检测加力模块
和振动式陀螺仪；正交加力调制模块对信号发生模块生成的正交误差力平
衡参考信号sin2利用第二环路补偿模块输出的控制信号进行调制，生成正
交误差力平衡信号；合力模块将正交误差力平衡信号和角速度力平衡信号相
加，传给第二DA转换模块；检测加力模块把第二DA转换模块的输出施
加给振动式陀螺仪检测模态的相关加力电极，实现振动式陀螺仪检测模态角
速度和正交误差的力平衡；
所述的信号发生模块包括第一相位累加器、第一单位延迟模块、正交信
号发生模块、第一移相模块、第二移相模块、分频器、第二相位累加器、第
二单位延迟模块、第一时钟触发模块、第三相位累加器、第三单位延迟模块、
第二时钟触发模块；
第一相位累加器和第一单位延迟模块组成的积分器对频率跟踪PI控制
器的输出信号进行积分，生成相位控制字给正交信号发生模块，正交信号发
生模块根据相位控制字生成振动式陀螺仪的驱动信号，并通过第一移相模块
和第二移相模块生成驱动力参考信号sin1、角速度加力参考信号sin2、正交
误差加力参考信号cos2；
分频器、第二相位累加器、第二单位延迟模块和组成了驱动采样时钟升
频模块，经过第一时钟触发模块用来产生第一相关欠采样模块所用的采样时
钟clks1和clkc1；偏置1用来调整相关采样时钟clks1和clkc1相对于驱动
振动信号的相位，以确保第一相关欠采样模块的输出精确反映振动式陀螺仪
的驱动振动幅度信息和频率偏移信息；
分频器、第三相位累加器、第三单位延迟模块和组成了检测采样时钟升
频模块，经过第二时钟触发模块用来产生第二相关欠采样模块所用的采样时
钟clks2和clkc2；偏置2用来调整相关采样时钟clks2和clkc2相对于检测
振动信号的相位，以确保第二相关欠采样模块的输出精确反映振动式陀螺仪
的角速度信息和正交误差信息。
所述的第一相关欠采样模块包括第一重抽取模块、第一CIC模块、第二
重抽取模块、第二CIC模块；通过信号发生模块中的第一时钟触发模块产生
的时钟clks1和clkc1，利用第一重抽取模块和第二重抽取模块对振动式陀
螺仪振动信号进行重采样，并通过第一CIC模块和第二CIC模块提取振动
式陀螺仪驱动模态的频率信息和幅度信息。
所述的第二相关欠采样模块包括第三重抽取模块、第三CIC模块、第四
重抽取模块、第四CIC模块；通过信号发生模块中的第二时钟触发模块产
生的时钟clks2和clkc2，利用第三重抽取模块和第四重抽取模块对振动式
陀螺仪检测模态振动信号进行重采样，并通过第三CIC模块和第四CIC模
块提取振动式陀螺仪检测模态的角速度信息和正交误差信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)通过第一相关欠采样模块，通过信号发生模块中的第一时钟触发模
块产生的时钟clks1和clkc1直接实现了对振动式陀螺仪振动信号的进行采
样并通过第一相关欠采样模块中的第一CIC模块和第二CIC模块提取振动
式陀螺仪驱动模态的频率信息和幅度信息。由于频率信息和幅度信息由直接
采样并通过CIC滤波得到，CIC滤波可以通过移动累加实现，避免使用乘法
器，从而节省了大量硬件资源。
2)通过信号发生模块中的第二时钟触发模块产生的时钟clks2和clkc2
直接实现了对振动式陀螺仪检测模态振动信号进行采样并通过第二相关欠
采样模块中的第三CIC模块和第四CIC模块提取振动式陀螺仪检测模态的
角速度信息和正交误差信息。避免了锁相解调和自适应解调大量使用乘法器
的缺点，节省了大量的硬件资源。
附图说明
图1为本发明的振动式陀螺仪的信号控制处理系统的总体框图；
图2为本发明的信号发生模块的组成框图；
图3为本发明的第一欠采样模块的组成框图；
图4为本发明的第二欠采样模块的组成框图；
图5为本发明的相关欠采样工作原理示意图；
图6为振动式陀螺的工作原理示意图。
具体实施方式
1.信号控制处理系统总体框架
振动式陀螺的敏感机理基于科里奥利效应。振动式MEMS陀螺机械敏
感结构部件可看作一个二自由度的弹簧-质量块-阻尼系统，如图6所示。XYZ
是建立在陀螺表头上的相对坐标系。微机械陀螺工作时，外加驱动力使得可
动质量块沿X轴方向谐振，进入驱动振动模态；当输入一个垂直于平面(绕
Z轴)的旋转角速度时，Coriolis加速度的激发可动质量块在Y轴方向振动。
Coriolis加速度![]()
与绕Z轴的输入角速度![]()
和驱动振动模态振动的速度![]()
的
大小成正比，其关系式由式⑴描述。
![]()
根据式(1)，振动式陀螺的敏感原理科里奥利效应，角速度激发的检测模
态的振动跟驱动模态的振动速度成正比。因此为了保证角速度输出的稳定性，
目前的主流做法是用锁相环跟踪驱动模态的谐振频率变化，利用稳幅控制环
路来稳定驱动环路的振幅的稳定。
本发明的一种振动式陀螺仪信号处理控制系统如图1所示：1，驱动模
块控制环路L1采用锁相环跟踪振动式陀螺仪驱动模态谐振频率的变化，并
且通过稳幅控制环来控制驱动模态振动幅度的稳定。2，检测模态控制环路
L2采用力平衡控制环来抑制正交误差引起的振动和输入角速度引起的振动。
平衡角速度信号引起的振动的控制电压大小即反应输入角速度信号的大小。
驱动模块控制环路L1的信号走向如下所述：第一电容电压转换模块1
把振动式陀螺仪22驱动模态的振动信号转换成电信号，通过第一抗混叠滤
波模块2进行抗混叠滤波处理后传送给第一AD转换模块3；通过第一相关
欠采样模块4对第一AD转换模块3进行相关欠采样处理获得频率偏移信息
和振动幅度信息；频率跟踪PI控制器5将第一相关欠采样模块4获得的频
率偏移信息与频率参考进行比较，得到相应的误差信号，根据误差信号的大
小输出相应的频率控制字给信号发生器模块6，使得信号发生器模块6生成
的陀螺仪驱动信号sin1跟踪陀螺仪驱动模态的谐振频率；信号发生器模块6
生成陀螺仪驱动信号sin1、检测模态调制正交基准信号sin2和cos2；稳幅
PI控制器7将第一相关欠采样模块4获得的幅度信息与幅度参考进行比较，
得到相应的误差信号，根据误差信号的大小生成相应的控制电压给驱动幅度
调制模块8；驱动幅度调制模块8将调制后的驱动信号通过第一DA转换模
块9输出给驱动加力模块10；驱动加力模块10把电压信号施加在振动式
陀螺仪22的驱动电极上实现电信号到力信号的转换，从而实现对振动式陀
螺仪22的驱动；
检测模态控制环路L2的信号走向如下所述：第二电容电压转换模块11
将振动式陀螺仪22的检测模态振动信号转换成电信号，经过第二抗混叠滤
波模块12进行抗混叠滤波处理后传给第二AD转换模块13；第二相关欠采
样模块14对第二AD转换模块13进行相关欠采样处理，获得振动式陀螺仪
的正交误差信息和角速度信息；第一环路补偿模块15对角速度力平衡环路
进行补偿以满足力平衡闭环要求，输出相关的控制信号到角速度加力调制模
块16；信号发生模块6生成相互正交的角速度力平衡参考信号cos2和正交
误差力平衡参考信号sin2；角速度加力调制模块16对信号发生模块6生成
的角速度力平衡参考信号cos2利用第一环路补偿模块15输出的控制信号
进行调制，生成角速度力平衡信号；第二环路补偿模块18对正交误差力平
衡环路进行补偿以满足正交误差闭环要求，输出相关的控制信号正交加力调
制模块17；正交加力调制模块17对信号发生模块6生成的正交误差力平
衡参考信号sin2利用第二环路补偿模块18输出的控制信号进行调制，生成
正交误差力平衡信号；合力模块19将正交误差力平衡信号和角速度力平衡
信号相加，传给第二DA转换模块20；检测加力模块21把第二DA转换模
块20的输出施加给振动式陀螺仪22检测模态的相关加力电极，实现振动
式陀螺仪检测模态角速度和正交误差的力平衡；
检测模态控制环路L2隐含的角速度力平衡环路包括：第二电容电压转
换模块11、第二抗混叠滤波模块12、第二AD转换模块13、第二相关欠采
样模块14、第一环路补偿模块15、信号发生模块6、角速度加力调制模块
16、第二DA转换模块20、检测加力模块21和振动式陀螺仪22。
检测模态控制环路L2隐含的正交误差力平衡环路包括:第二电容电压转
换模块11、第二抗混叠滤波模块12、第二AD转换模块13、第二相关欠采
样模块14、第二环路补偿模块18、正交加力调制模块17、第二DA转换模
块20、检测加力模块21和振动式陀螺仪22。
2.信号发生模块
如图2所示，信号发生模块6包括:第一相位累加器23、第一单位延迟
模块28、正交信号发生模块24、第一移相模块25、第二移相模块26、分
频器27、第二相位累加器29、第二单位延迟模块31、第一时钟触发模块
30、第三相位累加器32、第三单位延迟模块34、第二时钟触发模块33。
第一相位累加器23和第一单位延迟模块28组成的积分器对频率跟踪
PI控制器5的输出信号进行积分，生成相位控制字给正交信号发生模块24，
正交信号发生模块24根据相位控制字生成振动式陀螺仪的驱动信号，并通
过第一移相模块25和第二移相模块26生成驱动力参考信号sin1、角速度
加力参考信号sin2、正交误差加力参考信号cos2.
分频器27、第二相位累加器29、第二单位延迟模块31和组成了驱动
采样时钟升频模块，经过第一时钟触发模块30用来产生第一相关欠采样模
块4所用的采样时钟clks1和clkc1。偏置1用来调整相关采样时钟clks1
和clkc1相对于驱动振动信号的相位，以确保第一相关欠采样模块4的输出
精确反映振动式陀螺仪的驱动振动幅度信息和频率偏移信息。
分频器27、第三相位累加器32、第三单位延迟模块34和组成了检测
采样时钟升频模块，经过第二时钟触发模块33用来产生第二相关欠采样模
块14所用的采样时钟clks2和clkc2。偏置2用来调整相关采样时钟clks2
和clkc2相对于检测振动信号的相位，以确保第二相关欠采样模块14的输
出精确反映振动式陀螺仪的角速度信息和正交误差信息。
3.相关欠采样模块
相关欠采样的核心是利用陀螺仪自身的驱动振动频率作为相关欠采样
信号的频率基准，即陀螺仪驱动模态的振动周期是欠采样信号时钟间隔的整
数倍；先使频率跟踪PI控制器5工作，锁定振动式陀螺仪22工作在驱动模
态谐振频率上，再利用信号发生模块6的升频模块生成两路正交的与陀螺仪
驱动振动信号频率相关的采样时钟clks1和clkc1，时钟clks1和clkc1的频
率为振动式陀螺仪驱动模态谐振频率的整数倍。利用这两路和陀螺驱动模态
谐振频率相关的正交时钟clks1和clkc1对驱动模态的振动进行正交采样，
并进行累加抽取，则可分别得到振动式陀螺的驱动模态的幅度信息和相位
(频率)信息。
如图3所示，第一相关欠采样模块4包括第一重抽取模块41、第一CIC
(梳状积分滤波器)模块42、第二重抽取模块44、第二CIC模块45。
通过信号发生模块6中的第一时钟触发模块30产生的时钟clks1和
clkc1，利用第一重抽取模块41和第二重抽取模块44对振动式陀螺仪振动
信号进行重采样，并通过第一相关欠采样模块4中的第一CIC42和第二
CIC45模块提取振动式陀螺仪驱动模态的频率信息和幅度信息。由于频率信
息和幅度信息由直接采样并通过CIC滤波得到，而CIC滤波可以通过移动
累加实现，整个算法避免使用乘法器，从而节省了大量硬件资源。
如图4所示，第二相关欠采样模块14包括第三重抽取模块51、第三
CIC模块52、第四重抽取模块54、第四CIC模块55。
第二相关欠采样模块14的工作原理和第一相关欠采样模块4的工作原
理类似:通过信号发生模块6中的第二时钟触发模块33产生的时钟clks2
和clkc2，利用第三重抽取模块51和第四重抽取模块54对振动式陀螺仪检
测模态振动信号进行重采样，并通过第二相关欠采样模块14中的第三
CIC52和第四CIC55模块提取振动式陀螺仪检测模态的角速度信息和正交
误差信息。避免了锁相解调和自适应解调大量使用乘法器的缺点，节省了大
量的硬件资源。
相关欠采样技术的核心思想是采用两组互相正交的时钟基准来对包含
信息的调制信号进行正交解调。对于最简单的一种情况，采用时间间隔与基
频周期完全相同的采样时钟，如对于幅度为A，频率为ω的纯正弦信号
S=Asinωt，利用与其完全同频的一组正交信号sinωt和cosωt变化边沿去采
样，如图5所示：1，利用sinωt由负到正的边沿去采样，如图5的时钟1
所示，则每次采样得到的点都是0，即其相位信息；2，利用cosωt的由正到
负的边沿触发，如图5的时钟2所示，每次采用得到的点的大小都是A，即
携带信息信号的幅度大小。可见相关欠采样技术直接得到的是其基带信息，
即其携带信息信号幅度和相位的大小。
对于数字域信号，周期为N，数字信号![]()
如果设定每周
期里的样本为N1，N为N1的整数倍I；则一个周期内以![]()
负到正跳
变边沿采用得到的样本集为![]()
则一个周期内以
![]()
正到负跳变边沿采用得到的样本集为![]()
如果采用累加器对每个周期的样本集求和，得到每个周期一个样本点，则可
得到相位信息如式(6)所示，
P
=
Σ
n
=
0
I
-
1
A
d
sin
2
π
I
n
-
-
-
(
6
)
]]>
幅度信息如式(7)所示:
A
=
Σ
n
=
0
I
-
1
A
d
cos
2
π
I
n
-
-
-
(
7
)
]]>
更严格的说，P和A即是数字信号![]()
以![]()
和![]()
为
正交坐标系的映射分量，在参考坐标系与数字信号Sd夹角很小时，可近似认
为P为相位信息，A为幅度分量。因为锁相环严格控制陀螺仪驱动信号的相
位和驱动模态振动的相位相差90度，这个误差可以消除。
对于检测模态正交误差信息和角速度信息的提取，和驱动模态的相位信
息和幅度信息的提取非常类似。
由于相关欠采样只需要对一个周期内的样本进行不断的进行累加，即
CIC梳状积分滤波器，如式(6)和式(7)所示，所占用的硬件资源非常少，
非常高效。
4.驱动加力和检测加力
驱动加力模块和检测加力模块是指把驱动电压信号或者检测加力电压
信号施加到振动式陀螺相应的控制电极上的模块，从而形成与陀螺仪驱动电
压同频同相的驱动力。一般加力电压采用推挽电压的形式，挽驱动电压指，
两路电压具有绝对值相等的直流分量和绝对值相等的交流分量，这两路电压
中直流分量的极性或者交流分量的极性相反，两路信号在驱动静电力中起到
一拉一推的作用，因此称为推挽电压。