陀螺范文10篇

陀螺范文篇1

关键词：陀螺测试转台单片机步进电机运动控制

导航系统是飞行器的重要组成部分。惯性陀螺仪表普遍应用于各种类型的飞行器的导航系统中，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，保证了人为或自动驾驶仪对飞行器进行控制的安全性与准确性。为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，需要对仪表进行定期的校验，用测试转台测试陀螺仪表是比较常用的方法。某机场所使用的测试转台大部分存在老化严重以及功能单一的问题，尤其是部分转台还是老式的手动转台，很难保证校准精度，所以需要研制新型数字化的低成本的高精度陀螺测试转台及其控制系统。

1陀螺测试转台及其控制系统介绍

陀螺测试转台主要由高精度转台及其控制系统组成。三轴转台由ψ轴转台、θ轴转台、φ轴转台三个子系统组成，分别实现三个轴的转动。各子系统由台体、驱动系统、转动系统以及执行机构组成。选用步进电机作为各子系统驱动装置，经蜗轮蜗杆及齿轮减速后输出旋转运动。转台的三个子系统中，θ轴转台固定在ψ轴转台的转盘上，φ轴转台固定在θ轴转台的转盘上。将被测试陀螺仪表固定于φ轴转台的转盘上，按测试要求控制转台各轴进行旋转，模拟飞机飞行中的各种姿态，陀螺仪表则输出相应的姿态信息，比较转台的姿态与仪表的输出即可校对仪表偏差。

各子系统的运转由其控制器控制。控制器的主要功能是接收操作人员的控制指令，对控制面板输入的控制参数进行计算或转换，变为步进电机的运转控制信号，输出到测试转台；转台在控制器的控制下可工作在速度、转角、自动等模式；转台控制器能够与上位计算机进行串行通讯，并执行上位计算机的控制指令。转台与控制器之间通过航空插头连接起来，其传输的信号包括步进电机的驱动信号和惯性陀螺仪的反馈信号。

2转台控制系统的硬件设计

转台控制系统主要由面板控制模块、控制面板及液晶显示屏、各子系统轴控模块、步进电机驱动器和机箱、电源等组成，图1为系统硬件组成示意图。面板控制模块和各子系统轴控模块均采用AtmelAT89C52单片机作为控制核心。液晶屏采用SEIKOEPSON公司生产的SED1335液晶显示屏及其控制电路，其显示RAM具有字符和图形显示特区，通过字符发生器不仅可以调用固化的160种点阵字符，还可以扩展其它需要的字符。步进电机驱动器采用RORZE公司的RD－023MS两相步进电机驱动器。

2．1控制面板的管理

面板控制模块选用四片8255通用扩展并口作为单片机与各子系统轴模块和面板按键、指示灯之间的接口。单片机的P0口作为数据传输端口，P2口作为各8255的片选及端口选择地址。与各子系统轴模块通讯的三片8255的A口和B口分别作为数据的发送口和接收口，C口提供握手信号。AT89C52单片机的串口通过1488－1489RS232电平转换电路与上位计算机的串口连接。

2．2面板模块与轴控模块的通信

面板模块与轴控模块之间通过两片8255完成运转参数和状态信息的传递。图2所示为轴控模块8255与面板模块8255的接口电路示意图。电路中使用了RS触发器74LS74，通过发送、查询、接收、置位等方式，控制数据在两片8255之间传输。触发器1的输出信号Q1作为面板模块8255向轴控模块8255传送数据的状态标志位，当Q1为“1”时表示面板模块所要传送的数据已经准备好，为“0”时表示数据已被轴控模块接收或数据未到达状态。触发器1由面板模块8255的C0和轴控模块8255的C4共同控制，由面板8255的C4和轴控模块8255的C0查询Q1的状态。同理，触发器2控制由轴控模块8255发送到面板模块8255的数据，Q2的输出值表示数据传送的状态。

2．3步进电机脉冲产生及控制电路

系统采用8254定时／计数器产生控制步进电机运转的方波脉冲，并对输出脉冲进行计数。将8254的计数器0设定在方波发生器工作方式，计数器2设定在计数器方式。图3为用8254分频产生控制脉冲的原理图。由AT89C52内部定时／计数器2产生的方波脉冲送入8254计数器0进行分频并输出控制脉冲。计数器2对输出的脉冲进行计数。当脉冲数与计数器2的计数值相等时计数器2的输出端产生电平变化，并被AT89C52的P1．1口监测查询。当AT89C52的晶体振荡频率为24MHz时，通过调节其RCAP2H和RCAP2L的值可使其定时／计数器2产生92Hz～6MHz的方波脉冲。通过对8254计数器0的数据寄存器写入分频值N，使其输出相应频率的方波脉冲来控制步进电机的转速，计数器2通过记录计数器1输出的脉冲数量来控制电机的转角。步进电机的输出转速由下式决定：

ω＝Δ·fo/N(度／秒)(1)

步距角Δ＝[360/(200·i·m)]（度／脉冲）(2)

式中，步进电机旋转一周的步数为200；

i为转台传动机构减速比；

m为步进电机驱动器细分数；

f0为输入8254的脉冲源频率；

N为分频数，即写入8254计数器0的值。

表1各轴分频值N的设定

转轴转速范围/simΔ(度/脉冲)分频数N

高速（fo=6MHz）低速(=10kHz)

轴0.01～5020500.0018216～63529112～1800

轴0.05～5480500.00007590～9000--

轴0.05～5280500.00012857154～15428--

各子系统写入8254计数器0的分频值如表1所示。由于对8254计数器写入的分频值只能为正整数，而通过计算得出的分频值N不一定为正整数，因此要对输入8254计数器0的分频值进行四舍五入。产生的驱动脉冲频率大小具有舍入误差，其大小不超过：

±(1/2)/N×100％(3)

三轴的最小分频值N＝90（θ轴），转速最大误差为0．56％。

3转台控制系统的软件设计

3．1面板模块软件的设计

面板模块程序流程图如图4所示。上电开始后，软件首先对AT89C52的内部寄存器、液晶显示屏以及8255并口进行初始化。程序用一个字节作为系统工作状态寄存器，寄存器中各标志位分别记录串口以及面板的锁定及解锁情况以及各运转轴的当前运转方向和高低速状态。液晶显示初始化设定LCD的显示边界及范围，以及清空液晶显示模块显存。串行通讯的波特率定为9600bit／s。

面板初始化完成后，软件将同时检测面板各按键信号并等待串口的中断信号，当检测到一种信号后，将另一种信号屏蔽。在“ψ轴（或θ轴、φ轴）”键按下后，系统锁定在面板工作方式，并关闭串口中断。进入面板工作方式后，软件按流程执行转轴选择、模式设定、参数设定、运转执行等功能。控制面板按键包括ψ、θ、φ轴选择键，运转模式选择键，数字键，确定、停止键以及手动控制键。读取控制面板按键信号后，将选取的运转轴、运转模式以及设定的速度角度等参数记录于指定的寄存器中。待软件检测到“运行”键按下后，将数据送入与相应轴通讯的8255寄存器中，并将该8255的C0位置高，通知轴控模块读取。

面板控制模块与上位计算机之间制定了串行通讯协议。串行通讯指令采用ASCII码的形式，上位计算机指令和控制器返回信息都以“＄”字符开头。面板模块检测到串口接收到字符“＄”时，则认为上位计算机开始发送信息，信息以回车符结束。“＄”后面是转轴标识符，用“X”或“Y”或“Z”表示，分别对应ψ、θ、φ三个转轴。转轴标识符后依次为速度、转角、时间的ASCII码表示值。程序将接收到的上位控制指令中的ASCII码参数值转换为轴控模块可识别的十六进制参数值，并发送到相应的轴控模块。

3．2轴控模块软件的设计

子系统轴控模块程序流程图如图5所示。程序开始后先初始化8255各I／O口和8254各计数器的工作方式。软件通过查询8255的C0口，检测是否得到了由面板模块发送来的数据。轴控模块接收到面板模块发来的指令后，将速度、角度数据经计算转换成为8254计数器0的分频值N和计数器2所需要记录的脉冲数。参数转换完成后，程序根据设定指令进入相应运转模式。

当各转轴转速达到或超过1°／s时，为了使步进电机在有外加负载及高速运转下不丢步，确保在高速启动或停止时保持稳定，程序对步进电机的高速启动和停止进行了加减速控制。程序采用匀加减速方法。由式(1)可知，分频值N是角速度ω的反比例函数，设定ω1＝1°／s为加速过程的初始速度和减速过程的最终速度，并设定加减速过程中每隔10ms速度差值△ω＝1°／s，所以有：

N1＝(Δ·f0)/ω1

N2＝(Δ·f0)/ω2＝(Δ·f0)/2ω1＝N1/2

…………………………

Ni＝(Δ·f1)/ωi＝(Δ·f0)/iω1＝N1/i

即每经过10ms延时循环送给8254定时器0的分频值Ni就是将ω＝1°／s对应的分频值N1除以当前的循环次数得到的。程序将每一步加减速送入8254的Ni值保存到起始地址为2000H的内存单元中，制成分频值Ni的数表。在加速过程中，依次将分频值Ni送入8254计数器0中，一直到从数表中读入的分频数不大于设定速度对应的分频值Nmax，并将Nmax作为最终分频值为止。减速过程则与加速过程相反。

4性能指标及结论

表2列出了控制器控制转台运转的模式及技术指标。经过调试运行，测试转台能够在规定模式下按要求运转。转台控制器交互性良好，每次输入指令前液晶屏上都有信息提示相应操作。各轴子系统在高速下经加减速后均运转平稳，无丢步现象。同时，能够利用上位计算机的图形界面设定运转指令参数，并通过串口发送指令给转台控制器，控制转台运转。以51单片机为控制核心的三轴惯性陀螺测试转台及其控制系统的研制，不仅使测试设备成本降低，而且在测试功能、测试指标及测试精度上均满足了仪表校验的要求。

表2控制器控制功能及指标

功能说明指标

速度模式控制转台各轴按指定的速度和时间段运转ψ轴子系统：0.01°/s～50°/s

θ轴子系统：0.01°/s～5°/s

φ轴子系统：0.01°/s～5°/s

位置模式控制转台轴按指定的速度运转某一角度各子系统转角苗：0.01°～999°

自动模式设定转台各轴运转的速度和时间，在此时间内各轴按指定的速度某一方向运转；完成后，此轴暂停运转，间隔2秒钟后向反方向旋转，如此反复各轴系统的运转速度的范围为速度模式下相应轴的运转速度范围

陀螺范文篇2

1微机械陀螺工作原理及误差分析

1.1微机械陀螺工作原理本文中采用的微机械陀螺是振动陀螺，如图1所示。其工作原理是：高频振动质量块在沿相反方向连续运动，如果沿垂直与的方向施加角加速度时，在哥氏效应的作用下，将会在另一轴方向产生与角加速度成比例的哥氏力。该哥氏力使高频振动质量块产生振动，通过转换电路将高频振动质量块的振幅转换为可测得的电信号，从而获得输入角加速度的信息。

1.2微机械陀螺误差分析引起微机械陀螺产生误差的因素很多，而且各种原因之间相互关联。总体来看，陀螺的误差分为两类，一类是确定性误差，一类是随机误差。确定性误差是由器件的制造缺陷、安装误差、环境干扰和刻度因数等因素共同决定的。陀螺的确定性误差主要包括常值零偏、刻度因素误差和轴失准角等，这类误差一般具有一定的变化规律，能够利用确定的函数关系来描述，可以通过转台、温度测试试验进行参数标定。随机误差由某种随机干扰随机产生，无法利用确定的函数关系来描述。陀螺的随机误差主要由随机常数、随机游走、随机斜坡等组成。

1.3平稳性检验本文将陀螺的随机误差看作一个随机过程，采用基于时间序列分析的方法建立陀螺的随机误差模型。时间序列建模要求序列为平稳、正态、零均值时间序列，因此建模之前需要检验陀螺随机误差数据序列的平稳性。这里定义游程是保持序列原有顺序的情况下，具有相同符号的序列。游程过多或过少都被认为是存在非平稳趋势。设时间序列数据足够长，把数据分成K个等长度的子序列，子序列长度为N。N1、N2分别为各子序列正负值的个数，γ为子序列游程数。

2基于时间序列分析的随机误差建模

时间序列的分析建模包括原始数据的采集、数据的统计分析、模型结构的选择、模型参数的估计等问题。由第1节分析知符合求AR模型建模要求，本节主要是确定AR模型的结构和模型参数的估计。

2.1模型结构的确定本文采用AR时间序列模型，离散时间P阶AR模型的递推方程如式3所示，其中ak是AR模型参数，ω是零均值标准差为σ的白噪声。考虑到实际应用和陀螺随机漂移误差的特点，陀螺随机误差的AR模型阶次都比较低，因此本文利用采集的2h陀螺静止数据建立了陀螺的AR(1)到AR(10)这10种AR模型。将采集的数据分成8组，每组数据分别根据FPE（FinalPredictionError）定阶准则，分析AR(1)到AR(10)的FPE值。8组数据获得的FPE值的平均值如图2所示，分析结果显示当阶数p=3时FPE值最小，故选用AR(3)模型作为陀螺随机误差的模型结构。

2.2模型参数估计确定模型的结构以后，建模的重点就是如何估计模型的参数。模型参数估计是整个建模工作的关键，AR模型参数估计的方法有最小二乘法、Yule-Walker方法、协方差方法、最大似然估计方法和Burg方法[13]等，其中Burg算法是基于在最小二乘意义下最小向前和向后预测误差来估计映射系数，然后利用LD递归算法求得AR模型参数。与其他方法相比，Burg方法提高了数据的利用率，有较好的分辨率，因此本文采用Burg算法来估计AR模型的参数。

3仿真实验

3.1基于kalman的随机误差滤波离散Kalman滤波是处理离散信号的一种最优估计方法。

3.2仿真实验本文以MTI为试验对象。保持MTI在静止状态下，首先上电预热10min，然后采集2hMTI输出的原始数据。图3所示是以100Hz的采样频率采集的陀螺静态数据。由于采集数据期间一直保持MTI处于静止状态，所以理论上，MTI中陀螺的输出值为常数。但由于误差的存在，MTI中陀螺的测量值在某一常值附近波动，波动幅度越小说明陀螺的精度越高。在试验前，必须对数据进行分析，剔除数据中的异常值来消除异常数据对模型的影响。

4结论

陀螺范文篇3

关键词：数字信号处理器通用异步串行收发器可编程逻辑器件光纤陀螺

DSP与计算机通信的外部接口主要可划分为串行通信口和并行通信口。串口通信包括采用RS232、RS485／422、USB、IEEE1394等协议的通信，并口通信包括采用IEEE488、IEEE1248等协议的通信。本文主要介绍DSP多路RS232、RS485／422通信系统的设计与实现，并将此系统应用于光纤陀螺三维角速率测量组合中。

1系统方案设计

1．1系统框图

图1为DSP多路异步串口通信系统的框图。计算机接收端为通用的数据采集卡，其与DSP之间采用RS485／422协议，通信速率可达921．6kBPS。光纤陀螺与DSP之间采用RS232协议，通信速率可达115．2kBPS。该系统可以实现DSP与三路RS232设备和一路RS485／RS422设备的通信。

1.2TMS320C6711简介

TMS320C6000系列DSP芯片最初主要是为移动通信基站的信号处理而推出的超级处理芯片，200MHz时钟的TMS320C6711完成1024点的FFT算法的时间只要66μs，比传统的DSP芯片要快一个数量级，因此在民用和军用领域都有广阔的应用前景。在军事通信、电子对抗、雷达系统、精确制导武器等高智能化的应用领域，这种芯片的处理能力具有不可替代的优势［2］。TMS320C67XX是TMS320C6000中的浮点系列，TMS320C6711是其中性价比较好的一款芯片。正如其它的TMS320C6000系列芯片一样，该芯片提供了两个多通道同步缓冲串口，没有提供异步串口，因此需要进行异步串口扩展。

1．3通信方案设计

目前几乎所有的数字信号处理器都提供了一个或多个串行接口，然而，多数DSP芯片提供的是同步串口。在实际的应用中，也需要DSP能够与多个外设进行异步串行通信，如与PC机或光纤陀螺之间进行串行数据传输就要求DSP系统具有多路UART串行接口；当然也可以利用通用的I／O口构成串口，由软件设定波特率(在DSP不繁忙的情况下，往往采用这种方法)。但是当这两种I／O线被占用或对通信的实时性要求较高时，DSP应该通过扩展异步通信芯片来实现高速串行通信。

针对这种情况，本文研究并实现一种简单可靠的异步串口扩展方法，即在DSP的并行总线上扩展UART芯片，用硬件实现异步数据传输。该方法的优点是软件实现简单，代价是在总线上需扩展其它设备。由于本方案要实现DSP与四路外设的异步串口通信，综合考虑硬件连接和软件编程的方便性，采用四通道ST16C554串行异步收发器与多路电子转换芯片MAX3245E来完成。这样，用最简单的硬件连接和软件编程就能实现四路异步的串行通信。

1．4ST16C554简介

ST16C554是EXAR公司的异步通信芯片，其主要特点如下［3］：

·与ST16C454、ST68C454、ST68C554、TL16C554兼容；

·16字节的发送与接收FIFO；

·接收控制和发送控制相互独立的四通道选择；

·四个可选的接收FIFO中断触发级；

·标准MODEM接口；

·最高可达1．5M的波特率，其波特率发生器可编程；

·数据位长度为5、6、7、8，停止位长度为1、1．5、2；

·具有偶校验、奇校验或无校验模式。

ST16C554不仅能将DSP发送的数据进行并／串转换，还能将从外设或MODEM接收的数据进行串／并转换，能够同时完成四个独立通道的收发。同时，ST16C554还具有四组独立的16字节的接收与发送FIFO，可以通过使能FIFO及设置FIFO中断触发级有效地减少CPU的中断，提高系统效率及可靠性。

2系统硬件设计

系统的硬件设计框图如图2所示。该硬件系统由电源转换电路、电源监控电路、DSP、SDRAM、FLASHROM、UART、电平转换芯片及可编程逻辑芯片等组成。电源转换电路完成5V至3．3V／1．8V的DC-DC转换，提供系统设计中所有低压芯片的电源。电源监控电路用来监控系统所有电源电压，当电源电压低于额定值时，DSP及UART复位，对芯片起保护作用。ST16C554UART同时完成A、B、C、D四个通道的通信，其中A、B、C三个通道完成三路RS232的异步收发，波特率为115．2kBPS，D通道完成RS485／422的通信，波特率为921．6kBPS，且波特率可以在相应的控制寄存器中分别设置。当外接晶振为14．7456MHz时，可以方便地完成上述波特率的设置。多路UART-RS232电平转换器件MAX3245转换速率可达1MBPS。可编程逻辑芯片为XILINX公司的CPLD(XC9572XL)，用以完成系统中所有的逻辑控制。

当DSP对UART进行读写操作时，必然涉及到UART的实际地址在DSP中的转换。本方案中DSP的CE3空间设为8位异步模式，相应的地址范围为0xB0000000～0xBFFFFFFF。而对应于UART的读写操作地址以及四个独立通道的选通地址，就要加上相应的偏移量。相应的读写及片选逻辑由CPLD完成。CPLD相应的内部逻辑如下：

——CE3COMMUNICATIONSPACEADDR=B0000000—BFFFFFFF

D3：CSF3<=CE3OR(NOTEA5)；--通道CFOG3ADDR=B0000008

CSF2<=CE3OR(NOTEA4)；--通道BFOG2ADDR=B0000004

CSFl<=CE3OR(NOTEA3)；--通道AFOG1ADDR=B0000002

CSF4<=CE30R(NOTEA2)；--通道DRS422ADDR=B0000001

其中，CSF1~CSF4为通道选择信号，低电平有效；EA2~EA5为DSP的地址线。

3软件设计

该系统软件设计包括PC机、TMS320C711及ST16C554的初始化和通信协议等。下面将结合本系统的硬件给出TMS320C711初始化ST16C554的程序。初始化的主要任务是设置操作每个通道所需要的参数，这些参数包括串行通信时数据串的数据位数、停止位数、奇偶校验等。另外，还需要设置发送和接收的波特率及中断方式。

其中RHR为接收保持寄存器，THR为发送保持寄存器。FCR为FIFO控制寄存器，设置为FIFO使能。IER为中断使能寄存器，与FCR配合使用，设置为FIFO中断方式，也可以设置为DMA方式。LSR为线性状态寄存器，通过查询最低位检测FIFO或RHR中是否有数据。DLL及DLM为波特率设置寄存器，通过对晶振分频完成波特率的设置。当LCR的最高位为1时，才能改变DLL及DLM的设置。

以通道A为例，DSP对ST16C554初始化的C语言程序如下：

／*FOG1*／

*(char*)0xb0000032=0x80；/*lcr=80*／

*(char*)0xb0000002=0x08；/*dll=08*／

*(char*)0xb0000012=0x00；/*dlh=00*／

*(char*)0xb0000032=0xlb；/*lcr=1b*／

*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／

*(char*)0xb0000012=0x01；/*ier=01*／

*(char*)0xb0000022=0x03；/*fcr=01*／

*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／

四个通道都设置为FIFO方式及中断使能。通道A、通道B、通道C分别设置给RS232，波特率为115．2kBPS；通道D设置给RS485／422，波特率为921．6kBPS。

DSP对通道A的数据读取程序如下：

while((readtp&0x01)!=0)

{readdata=*(char*)0xb0000002；/*readrhr*／

readtp=*(char*)0xb0000052；/*read1sr*／

｝

4与光纤陀螺的对接测试

将该系统与光纤陀螺对接，测试表明该系统完全满足设计要求。

陀螺范文篇4

关键词：数字信号处理器通用异步串行收发器可编程逻辑器件光纤陀螺

DSP与计算机通信的外部接口主要可划分为串行通信口和并行通信口。串口通信包括采用RS232、RS485／422、USB、IEEE1394等协议的通信，并口通信包括采用IEEE488、IEEE1248等协议的通信。本文主要介绍DSP多路RS232、RS485／422通信系统的设计与实现，并将此系统应用于光纤陀螺三维角速率测量组合中。

1系统方案设计

1．1系统框图

图1为DSP多路异步串口通信系统的框图。计算机接收端为通用的数据采集卡，其与DSP之间采用RS485／422协议，通信速率可达921．6kBPS。光纤陀螺与DSP之间采用RS232协议，通信速率可达115．2kBPS。该系统可以实现DSP与三路RS232设备和一路RS485／RS422设备的通信。

1.2TMS320C6711简介

TMS320C6000系列DSP芯片最初主要是为移动通信基站的信号处理而推出的超级处理芯片，200MHz时钟的TMS320C6711完成1024点的FFT算法的时间只要66μs，比传统的DSP芯片要快一个数量级，因此在民用和军用领域都有广阔的应用前景。在军事通信、电子对抗、雷达系统、精确制导武器等高智能化的应用领域，这种芯片的处理能力具有不可替代的优势［2］。TMS320C67XX是TMS320C6000中的浮点系列，TMS320C6711是其中性价比较好的一款芯片。正如其它的TMS320C6000系列芯片一样，该芯片提供了两个多通道同步缓冲串口，没有提供异步串口，因此需要进行异步串口扩展。

1．3通信方案设计

目前几乎所有的数字信号处理器都提供了一个或多个串行接口，然而，多数DSP芯片提供的是同步串口。在实际的应用中，也需要DSP能够与多个外设进行异步串行通信，如与PC机或光纤陀螺之间进行串行数据传输就要求DSP系统具有多路UART串行接口；当然也可以利用通用的I／O口构成串口，由软件设定波特率(在DSP不繁忙的情况下，往往采用这种方法)。但是当这两种I／O线被占用或对通信的实时性要求较高时，DSP应该通过扩展异步通信芯片来实现高速串行通信。

针对这种情况，本文研究并实现一种简单可靠的异步串口扩展方法，即在DSP的并行总线上扩展UART芯片，用硬件实现异步数据传输。该方法的优点是软件实现简单，代价是在总线上需扩展其它设备。由于本方案要实现DSP与四路外设的异步串口通信，综合考虑硬件连接和软件编程的方便性，采用四通道ST16C554串行异步收发器与多路电子转换芯片MAX3245E来完成。这样，用最简单的硬件连接和软件编程就能实现四路异步的串行通信。

1．4ST16C554简介

ST16C554是EXAR公司的异步通信芯片，其主要特点如下［3］：

·与ST16C454、ST68C454、ST68C554、TL16C554兼容；

·16字节的发送与接收FIFO；

·接收控制和发送控制相互独立的四通道选择；

·四个可选的接收FIFO中断触发级；

·标准MODEM接口；

·最高可达1．5M的波特率，其波特率发生器可编程；

·数据位长度为5、6、7、8，停止位长度为1、1．5、2；

·具有偶校验、奇校验或无校验模式。

ST16C554不仅能将DSP发送的数据进行并／串转换，还能将从外设或MODEM接收的数据进行串／并转换，能够同时完成四个独立通道的收发。同时，ST16C554还具有四组独立的16字节的接收与发送FIFO，可以通过使能FIFO及设置FIFO中断触发级有效地减少CPU的中断，提高系统效率及可靠性。

2系统硬件设计

系统的硬件设计框图如图2所示。该硬件系统由电源转换电路、电源监控电路、DSP、SDRAM、FLASHROM、UART、电平转换芯片及可编程逻辑芯片等组成。电源转换电路完成5V至3．3V／1．8V的DC-DC转换，提供系统设计中所有低压芯片的电源。电源监控电路用来监控系统所有电源电压，当电源电压低于额定值时，DSP及UART复位，对芯片起保护作用。ST16C554UART同时完成A、B、C、D四个通道的通信，其中A、B、C三个通道完成三路RS232的异步收发，波特率为115．2kBPS，D通道完成RS485／422的通信，波特率为921．6kBPS，且波特率可以在相应的控制寄存器中分别设置。当外接晶振为14．7456MHz时，可以方便地完成上述波特率的设置。多路UART-RS232电平转换器件MAX3245转换速率可达1MBPS。可编程逻辑芯片为XILINX公司的CPLD(XC9572XL)，用以完成系统中所有的逻辑控制。

当DSP对UART进行读写操作时，必然涉及到UART的实际地址在DSP中的转换。本方案中DSP的CE3空间设为8位异步模式，相应的地址范围为0xB0000000～0xBFFFFFFF。而对应于UART的读写操作地址以及四个独立通道的选通地址，就要加上相应的偏移量。相应的读写及片选逻辑由CPLD完成。CPLD相应的内部逻辑如下：

——CE3COMMUNICATIONSPACEADDR=B0000000—BFFFFFFF

D3：CSF3<=CE3OR(NOTEA5)；--通道CFOG3ADDR=B0000008

CSF2<=CE3OR(NOTEA4)；--通道BFOG2ADDR=B0000004

CSFl<=CE3OR(NOTEA3)；--通道AFOG1ADDR=B0000002

CSF4<=CE30R(NOTEA2)；--通道DRS422ADDR=B0000001

其中，CSF1~CSF4为通道选择信号，低电平有效；EA2~EA5为DSP的地址线。

3软件设计

该系统软件设计包括PC机、TMS320C711及ST16C554的初始化和通信协议等。下面将结合本系统的硬件给出TMS320C711初始化ST16C554的程序。初始化的主要任务是设置操作每个通道所需要的参数，这些参数包括串行通信时数据串的数据位数、停止位数、奇偶校验等。另外，还需要设置发送和接收的波特率及中断方式。

其中RHR为接收保持寄存器，THR为发送保持寄存器。FCR为FIFO控制寄存器，设置为FIFO使能。IER为中断使能寄存器，与FCR配合使用，设置为FIFO中断方式，也可以设置为DMA方式。LSR为线性状态寄存器，通过查询最低位检测FIFO或RHR中是否有数据。DLL及DLM为波特率设置寄存器，通过对晶振分频完成波特率的设置。当LCR的最高位为1时，才能改变DLL及DLM的设置。

以通道A为例，DSP对ST16C554初始化的C语言程序如下：

／*FOG1*／

*(char*)0xb0000032=0x80；/*lcr=80*／

*(char*)0xb0000002=0x08；/*dll=08*／

*(char*)0xb0000012=0x00；/*dlh=00*／

*(char*)0xb0000032=0xlb；/*lcr=1b*／

*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／

*(char*)0xb0000012=0x01；/*ier=01*／

*(char*)0xb0000022=0x03；/*fcr=01*／

*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／

四个通道都设置为FIFO方式及中断使能。通道A、通道B、通道C分别设置给RS232，波特率为115．2kBPS；通道D设置给RS485／422，波特率为921．6kBPS。

DSP对通道A的数据读取程序如下：

while((readtp&0x01)!=0)

{readdata=*(char*)0xb0000002；/*readrhr*／

readtp=*(char*)0xb0000052；/*read1sr*／

｝

4与光纤陀螺的对接测试

将该系统与光纤陀螺对接，测试表明该系统完全满足设计要求。

陀螺范文篇5

他，被誉为军队装备维修界五大专家之一，曾3次受到江主席的亲切接见。

他，知天命之年重新创业却硕果颇丰：10年共取得26项科研成果，其中获国家和军队科技进步一、二等奖8项；

他，像一只高速旋转的陀螺，分秒必争地奔忙在教学和科研第一线。

他就是一等功臣、全国优秀共产党员、二炮工程学院维修工程教研室教授王汉功。

1989年深秋，50岁的王汉功作出了一个令人瞠目的选择：离开耕耘了24载的发射瞄准专业，去组建导弹维修教研室。

然而，重新创业谈何容易！横亘在王汉功面前的，几乎是一片学术沙漠，就连一本可用的教材都没有。但王汉功认定，这是个极有生命力的新学科。那段时间，王汉功像着了魔似的，只要听说哪里有关于维修理论方面的资料，就要想方设法搞到手。有一年暑假，王汉功听说西安某大学要举办一期现代维修理论讲座，便不顾痛风病正发作的疼痛折磨，拖着肿得像馒头似的双脚，坚持每天骑车20多公里赶去听课。一次，在穿过一条乡村小路时，迎面驶来一辆拖拉机，王汉功躲闪不及，连人带车翻进了路边的水沟……

为尽快培养出高素质人才，王汉功殚精竭虑，每天加班加点备课，尽可能地将最新的知识传授给学生。他不仅注重育才，更注重育德，每当新生入学时，他都要给大家讲一讲怎样正确对待人生、对待事业的话题；当他看到有的学员在工作和生活中遇到挫折、一时迷失了方向时，他总是循循诱导，倾力相助。

1993年，王汉功凭着扎实的功底，争取到了全军“八五”重大科技攻关项目---“核条件下战略导弹阵地保障系统”的课题。他向二炮首长立下军令状：用最短的时间，高标准、高质量完成任务。于是，王汉功边教学边开始了刻苦攻关。他先后走访了10多个科研和情报单位，查阅了数百份技术资料，深入二炮部队实地考察，与科研人员一起反复研究论证。那段日子里，他常常是出了课堂就进实验室，几乎每天都工作18个小时以上，尤其在攻关的关键时刻，几乎是通宵达旦地干。实验需要处理污水，王汉功就在水塘边搭起了简易棚。盛夏酷暑难当，水塘边蚊虫孳生，他和课题组的同志们光着脊梁，脖子上扎着凉毛巾挑灯夜战……长时间的高强度工作，使他患了腰椎间盘突出症，疼得弯不下腰。领导和同事们都劝他歇一歇，可他却总是说：“时间不等人啊！”

8月份，组织上安排家人陪他去青岛疗养，王汉功挺痛快地答应了。其实，他心中另有所想？？攻关项目中有一件重要的设备，需在青岛某厂生产样品，他正好借此机会去亲自“督阵”。

到了青岛，王汉功便一头扎进了生产车间。他住的疗养院距工厂有20多公里，王汉功每天5点钟起床出门，倒3次公共汽车，赶在工人们上班前就到了工厂门口。

1994年深秋，“核条件下战略导弹阵地保障系统”在二炮某部验收。数百名官兵与自己守护的“神剑”一起，在一座被群山环抱的全封闭“地宫”中，成功地顶住了敌方的“核袭击”，并随即将“神剑”送上太空，对敌方实施了远程“核反击”。“和平之盾”研制成功了！

陀螺范文篇6

关键词：陀螺全站仪；轨道交通；工程测量

1概述高精度陀螺全站仪

1.1高精度陀螺全站仪基本工作原理

高精度陀螺全站仪是根据陀螺定向原理和地球自转原理进行测定的高精度测量设备。由于高精度陀螺全站仪在应用时很少受地磁因素的干扰，且可适应复杂气候条件下的精密测量要求，能够按照工程需要对任意目标方向进行定位测量，因此在轨道交通工程等多个领域中得到了广泛应用。

1.2高精度陀螺全站仪的基本作业流程

应用高精度陀螺全站仪对陀螺方位角进行地下定向测量时，应严格遵守相关的测量规范要求，对地面已知边进行测前测量，再对地下定向边进行定向测量的顺序开展测量。同时，为了保证测量精度，应在完成地下定向边测量后，对地面已知边再次进行测量。除此之外，按照测量规范的要求，在对陀螺方位角的地下定向边测量时，应达到3次以上，且陀螺方位角在不同测回之间在同一目标方位上的最大较差应控制在20″以内。

1.3轨道交通工程中应用高精度陀螺全站仪的主要问题

应用高精度陀螺全站仪进行寻北测量时，必须根据内置程序开展定向测量工作，大多数高精度陀螺全站仪的预设测量顺序并不符合我国的测量规范要求，部分高精度陀螺全站仪无法对测回等重要参数进行自主设定，且高精度陀螺全站仪设备无法直接在强制归心标上设置，影响了对中精度。此外，在应用高精度陀螺全站仪进行测量时，其测量精度会受到仪器常数因素的影响。

2高精度陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用实践

2.1某轨道交通工程基本概况

以某轨道交通工程为例，其在工程建设中需要进行隧道施工，隧道长度约为6.5km，属于长距离隧道。为了保证隧道工程贯通施工精度，需要定向检查洞内长距离导线设置情况。根据该轨道交通工程的实际情况和施工精度要求，应采用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行测量，以便及时发现施工误差，保证施工质量和效率。

2.2高精度GYROMAT300型陀螺全站仪分析

（1）基本技术指标。本次轨道交通工程测量工作采用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪，该设备的测量精度较高，能够广泛适应多种条件下的定向测量要求，可满足该轨道工程对测量精度的要求。高精度GYROMAT300型陀螺全站仪共设置高精度、中等精度、高速度三种不同的测量模式，其在测量时间、标称精度方面均有所差异。在高精度模式下的标称精度能够达到1mgon，但其一测回所需的时间大约需要10min。在高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的中等精度模式下，其标称测量精度为5mgon，其一测回的测量时间约为5min。在高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的高速度模式下，一测回的测量时间仅为2min左右，标称的测量精度在10mgon左右。测量人员应根据工程测量的实际需要，进行相应测量模式的选择，在该轨道交通工程中根据施工要求应选择高精度测量模式。（2）各角度关系分析。在应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪施测时，测量人员应准确把控其各角度在定向测量中的相互关系，大地方位角为真北方向和目标方向之间夹角。确定高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的E值时，应以参考基线为基础，在输入后不得在测量作业过程中对E值进行修改。在测量过程中，应注意高精度GYROMAT300型陀螺全站仪自重、仪器移动或设备老化等问题，导致的高精度GYROMAT300型陀螺全站仪在真北方向及指北方向上存在细微改变。高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的仪器常数为真北方向和零方向夹角值，陀螺方位角是高精度陀螺全站仪在目标方向上的读数值。在测量计算中，应准确把握陀螺方位、坐标方位角、大地方位角间的相互关系，以保证坐标方位角计算的准确性。可直接通过测量获得目标方向上的坐标方位角值，并定期对高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行专业检定。此外，为了获得仪器常数，需要对地面已知边进行多测回的定向测量。（3）计算子午线收敛角方法。在应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行测量时，应根据坐标真北方向、北方向夹角对子午线收敛角进行计算分析，在计算中应根据高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的设置位置确定其符号，应将中央子午线以西作为负号，以东则应为正号。为了保证坐标方位角的计算精度，必须合理选择子午线收敛角的计算方法。在选择计算公式时，应充分考虑隧道两端间距、经差以及纬度等因素，确保选择计算公式的子午线收敛角计算结果精度，能够达到测量规范中的精度要求。

2.3应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪外业测量要点

（1）准确测定地面已知边数据。在地面已知边的测前测量工作中，可应用高精度陀螺全站仪，对与地下定向边相距较近的邻近地面已知边进行测量，并确定测站、目标方向。将高精度GYROMAT300型陀螺全站仪架设在测站点位置，且应保证高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的指北箭头，基本保持在北方指向。实际测量过程中，应先将主机整平，再进行材料开机测量，且GYROMAT300型高精度陀螺全站仪应设置在高精度测量模式下，以保证测量的精度。开机后高精度GYROMAT300型陀螺全站仪可以自动完成寻北定向，之后应利用高精度陀螺全站仪对目标方向进行4个测回的测量，定向测量次数应为1次。完成测量后，应将高精度GYROMAT300型陀螺全站仪暂时关闭，再重新开机测量，且测量步骤应与之前测量保持同步，定向测量次数应为3次。完成各次定向测量后，应关闭高精度GYROMAT300型陀螺全站仪，并待设备冷却后，方可再次开机，以确保后续寻北测量的精度。在本次地面已知边的测量中，测得的陀螺方位角值在3次定向测量中的最大较差为4″，该较差符合测量规范中20″的较差上限要求，满足导线精密测量中对同一方向上各测回间的较差精度要求。（2）测量地下定向边要点。对地下定向边进行测量时，应将强制归心标作为其控制点，直接在待测点上架设高精度陀螺全站仪，并合理确定其目标方向。在测量时可采用与地面已知边相同的测量方法开展定向测量，测量人员应严格遵守测量规程，且寻北定向测量次数应达到5次以上。在对两个目标方位定向边进行定向测量时，对各测绘陀螺方位角测量数据进行对比分析，其最大较差分别为5.8″和5.9″，2个较差值均符合测量规范中较差不得超过20″的标准。（3）地下定向边测后测量要点。完成对地下定向边的测量后，应对地面已知边再次进行定向测量。在本次测后测量工作中，对地面已知边的定向测量次数为3次，且陀螺方位角在3次定向测量中的较差同样被控制在20″范围内，仅为1.4″，符合测量规范要求。（4）处理测量数据要点。应测定高精度GYROMAT300型陀螺全站仪常数，在测量工作中应严格按照相关测量技术规范进行外业测量，且每次定向测量的数据精度均应符合测量规要求，应以各测站给定的经差及纬度数据为基础，对子午线收敛角进行计算，并求出改正陀螺方位角。地面已知边方位角坐标与陀螺方位角改正值之差为高精度陀螺全站仪的仪器常数，在该轨道工程的测量工作中，应用高精度陀螺全站仪对地面已知边进行测量，分别在测前及测后进行3次寻北定向，总测回达到6次，符合测量规范要求。在对地面已知边进行测前及测量的定向测量时，获得的陀螺方位角差均值在2.3″左右，符合测量规范中要求不超过15″的规定。可将测前及测后定向测量中，获得的仪器常数均值作为本次测量的仪器常数，并以此为依据对地下定向边进行计算分析。经测量计算，两个测站的坐标方位角较差分别为7.6″和5.4″，均未超过20″的最大较差范围，符合测量规范的精度要求。对子午线收敛角进行计算分析，计算陀螺方位角时，应以外业测量中地下定向边的5次寻北定向测量结果，为基础取其平均值，再结合测站的经差、纬度值等，对子午线收敛角进行计算分析。应根据地上定向边测量时，获得的高精度陀螺全站仪常数及在地下定向测量时，计算子午线收敛角，纠正陀螺方位角。（5）分析高精度GYROMAT300型陀螺全站仪测量精度。对全站仪角度实测值、陀螺方位角进行对比分析，其较差被控制在2.2″左右，符合轨道工程测量规范的精度要求，未超过10″最大允许值。

3结语

高精度陀螺全站仪具有较高的测量精度，可定向检核轨道交通工程的隧道洞内导线设置情况，有效提高长距离导线设置的精度，可保证隧道贯通施工的顺利进行提供可靠的参考依据。在轨道交通工程的建设中，应积极应用高精度陀螺全站仪等先进的测量仪器设备。积极总结高精度陀螺全站仪的应用实践经验，通过连接基座的研制等途径，提升高精度陀螺全站仪精度，确保轨道交通工程贯通测量定向基准精确无误，推动我国工程测量技术的发展，提升工程建设的应用效果。

参考文献

[1]刘斌.高精度陀螺全站仪在长大铁路隧道CPⅡ平面控制网分段建网测量中的应用[J].铁道勘察，2020，46（3）：17-21.

陀螺范文篇7

关键词冷原子,原子干涉仪,惯性测量

AbstractAtominterferometersarebasedonthematterwavefeatureofatoms.Coldatomshavelowvelocity,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,thuscoldatominterferometersdisplayexcellentsensitivity.Inthispaper,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.

Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement

1引言

波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子､中子､原子､分子)都具有波粒二象性,微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述,服从薛定谔方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实现了脉冲式原子干涉仪以来[1],原子干涉仪在精密测量领域得到了广泛的应用,典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量[2,3],旋转速率测量和地球自转速率的测量[4,5,6],牛顿引力常数的测量[7—10]以及精细结构常数的测量[11]等.利用原子干涉仪验证等效性原理[12,13]以及原子干涉仪在空间应用已经引起关注[14,15].

原子干涉仪基于物质的波动特性,实质是对原子波包的相干操作.将原子波包相干地分束和合束后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径即产生干涉条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内禀特性,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到的灵敏度远高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波的薛定谔方程,可得到同等环路面积条件下,原子陀螺仪与光学陀螺仪灵敏度的比值为Rgyro=mc2hν=λλdeBcv,(1)其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度,m是原子的质量,λdeB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λdeBλ,且υc,故在典型条件下,Rgyro~1010,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所以与激光干涉仪相比,原子干涉仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运动速度远慢于光速,因此在原子陀螺仪中,原子飞越相同的干涉路程时将经历更长时间的转动,从而产生更大的条纹移动.类似的分析发现,原子加速度计的内禀灵敏度与光学的比值为Raccel=2mc2hνcv=2λλdeB(cv)2.(2)在典型条件下,该比值达1017.

原子干涉的历史要追溯到20世纪初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持续几十个纳秒的原子相干叠加态[17],随着原子束技术的发展,Stern-Gerlach磁场被用来选择和保存原子在特定的量子态中,1938年,Rabi采用射频共振技术实现了原子内部量子态的改变[18].1949年,Ramsey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加,用分离振荡场技术实现原子内部量子态的相干操作,为实际应用带来重大变化[19],典型应用有原子频率标准,核磁共振波谱和量子信息等.随着冷原子技术的发展,采用冷原子的原子干涉仪得到了迅速发展,1991年,朱棣文用受激拉曼脉冲序列对冷原子内部量子态操作,使原子波包相干分束､反射和合束,原子外部量子态在波包自由演化后通过原子内部量子态进行测量,实现了受激拉曼跃迁式原子干涉仪;1997年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精密测量,精度达到10-8(rad/s)/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干涉仪.美国耶鲁大学继2000年实现了大面积光-脉冲原子干涉仪之后,又于2002年利用原子干涉仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏度达10-9g/Hz.

目前国际上灵敏度最高的原子干涉陀螺仪用热原子束实现[4,6].热原子束的优点是原子数多,可以获得更高的信噪比.从提高灵敏度来讲,得到更大的干涉环路面积需要增加长度或者降低原子速度,热原子束速度很大,通常为每秒几百米,冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成和小型化方面有着明显优势.冷原子陀螺仪通常采用双环路原子干涉仪的构型实现[5],其优点在于可将系统小型化,同时可以抑制共模噪声和方便提取旋转相移.重力加速度引起的相移为Δ=12(keff×g)·T2,T是拉曼脉冲时间间隔,可以通过降低原子速度来增加相移,因此,冷原子在测量重力加速度方面比热原子具有明显的优势.

2原子干涉仪的原理

光或原子的波动与干涉可由图1所示的著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果将产生干涉.

原子干涉仪的运作一般分为几个步骤:原子初态制备､原子波包相干分束､原子波包自由演化､原子波包相干合束､原子末态探测.下面以拉曼型原子干涉仪为例,介绍原子干涉仪的基本物理原理和相关应用.

在原子干涉仪中,要相干地对原子波包分束和合束,并保证原子波包在自由演化过程中保持其相干特性,最初原子干涉仪设计类似于光波杨氏双缝干涉仪实验[20,21],但用激光对原子产生的力学效应,使原子在吸收或受激辐射光子的同时得到光子反冲动量,使原子波包分束和合束,用受激拉曼过程对原子波包相干操作,使原子获得双光子反冲动量,从而增加原子干涉环路的面积,提高原子干涉仪的灵敏度[22—24].

4原子干涉仪在精密测量中的应用

冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比拟.利用原子干涉仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率达到2×10-8(g)/Hz[2],重力梯度仪的分辨率达到4×10-9(g/m)/Hz[3],牛顿引力常数测量不确定度达到±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用热原子束实现原子陀螺仪灵敏度达到1.4×10-10rad/s,偏置稳定度达到7×10-5(°)/h,短期噪声达到3×10-5(°)/h[4,6].冷原子陀螺仪的灵敏度在10min平均时间达到1.4×10-7rad/s[5].

5原子干涉仪空间应用

美国斯坦福大学､麻省理工学院等研究单位对原子陀螺仪进行了深入的科学研究,美国宇航局(NASA)启动了空间原子重力梯度仪研制计划,用以精密测量地球重力场.欧洲空间局(ESA)启动了HYPER(hyper-precisioncoldatominterferometryinspace)计划,该计划首次用原子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星定位系统连用),同时进行重力磁效应和量子重力的科学研究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验[15].HYPER的第一个卫星使命是用冷原子干涉仪作为惯性传感器控制飞船,用4个原子干涉仪组成2个双环路原子陀螺仪测量2个正交方向的加速度和旋转,通过激光控制原子的速度,使2个原子陀螺仪工作在不同模式:粗测和细测.粗测的灵敏度为10-9rad/s,用作姿态和轨道控制系统(AOCS);细测的灵敏度为10-12rad/s,用来测量引力效应.HYPER对精细结构常数独立测量不依赖于量子电动力学,预计提高一个量级,用于比较量子电动力学的结果,HYPER将进行引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和进行量子引力实验.

6小结

利用原子干涉仪可进行精密物理测量,例如:转动､加速度､加速度梯度等.因而,原子干涉仪在导航定位､地下掩体探测､探矿找油等方面有广泛的应用前景.

原子干涉仪性能的进一步提高将受到两方面的限制:(1)由于重力的影响,原子飞行的时间有限,飞行路径包含的面积较小,难以进一步提高灵敏度;(2)在原子动量起伏较大的情况下,不能将原子束等比例地分离到两个路径上,降低了干涉条纹的对比度.因此,除了改善现有原子干涉仪的方案之外,发展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干涉仪研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面,原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力,有利于发展小型化原子干涉仪.

参考文献

[1]KasevichM,ChuS.Phys.Rev.Lett.,1991,67:181

[2]PetersA,ChungKY,ChuS.Nature,1999,400:894

[3]McGuirkJM,FosterGT,FixlerJBetal.2002,Phys.Rev.A,65:033608

[4]GustavsonTL,LandraginA,KasevichMA.Class.QuantumGrav.,2000,17:2385

[5]CanuelB,LeducF,HollevilleDetal.Phys.Rev.lett.,2006,97:010402

[6]DurfeeDS,ShahamYK,KasecichMA.Phys.Rev.Lett.,2007,97:240801

[7]FixlerJB,FosterGT,McGuirkJMetal.Science,2007,315:5808

[8]BertoldiA,LamporesiG,CacciapuotiLetal.Euro.Phys.J.D,2006,40:271

[9]LamporesiG,BertoldiA,CacciapuotiLetal.Phys.Rev.Lett.,2008,100:050801

[10]MullerH,ChiowS,HerrmannSetal.Phys.Rev.Lett.,2008,100:031101

[11]WeissDS,YoungBC,ChuS.Appl.Phys.B,1994,59:217

[12]FrayS,DiezCA,HanschTWetal.Phys.Rev.Lett.,2004,93:240404.

[13]DimopoulosS,GrahamPW,HoganJMetal.Phys.Rev.Lett.,2007,98:111102

[14]LeeMC,IsraelssonUE.PhysicaB,2003,329:1649

[15]JentschC,MullerT,RaselEMetal.Gen.Rel.Grav.,2004,36:2197

[16]DelhuilleR,ChampenoisC,BuchnerMetal.App.Phys.B,2002,74:489

[17]HanleW.Z.Phys.,1924,30:93

[18]RabiI,SachariasJ,MillmanSetal.Phys.Rev.,1938,53:318

[19]RamseyN.Phys.Rev.,1949,76:996

[20]CarnalO,MlynekJ.Phys.Rev.Lett.,1991,66:2689

[21]ShimizuF,ShimizuK,Takuma.Proc.SPIE,1992,1726:193

[22]KasevichM,ChuS.Appl.Rev.B.,1992,54:321

[23]PetelskT.AtomInterferometersforPrecisionGravityMeasurements,Ph.D.thesis,UniversityofFlorence,Florence,2002

[24]GustavsonTL.Precisionmeasurementusingatominterferometer,Ph.D.thesis,StanfordUniversity,PaloAlto,CA,2000

[25]MolerK,WeissDS,KasevichMetal.Phys.Rev.A,1992,45:342

[26]LiRB,WangP,YanHetal.Phys.Rev.A,2008,77:033425

[27]WangP,LiRB,YanHetal.Chin.Phys.Lett.,2007,24:27

[28]ZhanMSetal.J.Phys.CoferenceSeries,2007,80:012047,

[29]WangJ,LiuXJ,LiJMetal.Chin.J.QuantumElectronics,2000,17:44

[30]JiangKJ,LiK,WangJetal.Chin.Phys.Lett.,2005,22:324

陀螺范文篇8

关键词：民间体育游戏；幼儿园；体育教育；融入策略

民间体育游戏是体育游戏的重要组成，体现在幼儿教育上，民间体育游戏的应用比较广泛，既可以融入幼儿的学习活动中，也可以融入幼儿的健康活动之中和社会活动之中，从而使民间体育游戏的发展和幼儿教育结合起来。

一、民间体育游戏融入幼儿园体育教育的原则

(一)注重适宜性。民间体育游戏的适用性总体上比较良好。但是由于不同年龄段的幼儿对民间游戏的规则和情节存在明显的差异，所以在开展民间体育游戏教学时，幼儿教师要对民间体育游戏进行有效整合，根据幼儿的年龄、认知能力、理解能力的不同，针对性地进行教学。此外，对于比较难的民间体育游戏，教师要注意对游戏的难度进行改编，使民间体育游戏能够适应大多数孩子的认知水平。(二)注重趣味性。民间体育游戏虽然有一定的趣味性，但是与幼儿对趣味性的要求相比，还是存在着一定的差距，往往是文化韵味比较足，但是趣味性不够高。幼儿处于认识世界的起步阶段，对于新鲜有趣的东西比较容易接受，有鉴于此，教师在推进民间体育游戏教学时要注重提高民间体育游戏的乐趣。只有这样，才能有效发挥民间体育游戏的作用，使幼儿爱上民间体育游戏。

二、民间体育游戏融入幼儿园体育教育的策略

(一)改进游戏规则。游戏规则是游戏开展的前提，也是游戏顺利进行的保障。由于民间体育游戏的游戏规则对于当代幼儿来说比较保守、僵化，所以有必要在开展民间体育游戏教学之前，对游戏规则进行改进。比如“老鹰捉小鸡”这个游戏，幼儿虽然能够在做“小鸡”的过程中感受到被捉的刺激，但是如果教师只是一味地按照教师当“老鹰”、学生当“小鸡”的规则进行游戏，未免过于老套。事实上，在这个游戏中，教师完全可以和幼儿互换角色，让教师和其他教职工一起加入进来做“小鸡”，而幼儿来当“母鸡”和“老鹰”，这样一换，不但幼儿和教师都会感到新鲜，而且幼儿还可以在做“老鹰”和“母鸡”的过程中体验到另一种感觉，比如勇敢，比如责任，而这些品质，幼儿是无法在只做“小鸡”的角色中得到锻炼的。(二)调整游戏内容。民间体育游戏虽然随着时代的发展出现了一些变革和创新，但是仍然具有很强的民间意味。当代幼儿处于信息化时代，一些民间体育游戏虽然能够通过其自身特有的游戏内容和形式引发孩子的好奇心，但是如果不能和孩子的生活结合起来，很容易使孩子失去兴趣，使民间体育游戏教学失去动力。民间体育游戏融入幼儿园体育教育的研究李婷(江苏省靖江市第一实验幼儿园前进分园214500)所以对于一些游戏内容不太适合当代幼儿的民间体育游戏，教师有必要做出一定的调整。比如“丢手绢”这个游戏，对于培养学生的观察能力、感受能力、情感能力都有非常良好的作用，即使在当代体育游戏中，这样好的游戏也不容易看到。但是由于“手绢”这个东西在现代人们的生活中早就消失，即使教师辛苦找到，学生也很难从一个丢来丢去的手绢中感到乐趣。对此，教师就可以把手绢换成别的东西，比如红领巾，比如一块沙琪玛，比如一把小水枪，比如一个小猪佩奇的毛绒玩具，等等，因为这些都是与孩子的生活关系紧密的东西，所以比手绢更能激发孩子的游戏乐趣。再比如，有些民间体育游戏是需要童谣唱和的。而由于这些童谣的内容都比较古旧，加之比较长，虽然郎朗上口，但是对于口语能力尚不完备的孩子来说接受起来有一定难度。比如，有种民间体育游戏叫“拉大锯”，其童谣内容为“拉大锯，扯大锯，姥姥家，唱大戏，接闺女，请女婿，小外孙，也要去，今儿搭棚，明儿挂彩，羊肉包子往上摆，不吃不吃吃二百，二百不够加一百”，不但句子长，而且内容老旧，已经失去了逗人一乐的功效，对于这样的游戏，教师就必须结合幼儿的生活，在不影响韵律的前提下，对童谣内容进行改编，使之成为一首被幼儿接受的童谣，从而发挥民间体育游戏的作用。(三)创新游戏形式。很多民间体育游戏对场地的要求比较高，比如“抽陀螺”，需要一块比较大的地方才能开展，而幼儿园的环境一般都比较局促、紧凑，这时，幼儿教师就要对“抽陀螺”之类的游戏形式进行创新，在不改变游戏趣味性和主要教学目的的前提下，既能使游戏得以开展，不因为场地的限制而取消，也能够保障游戏的安全性。比如，教师可以把“抽陀螺”变成“转陀螺”，不让学生拿鞭子抽，而是用手转，虽然趣味性下降了一点，但是能够充分保障学生的安全，而且对场地的要求也不高，随便找一块平整的地方，学生就能够用小手把陀螺转起来，对转动起来的陀螺产生兴趣和思考。有鉴于趣味性的下降，教师可以把陀螺变换成各种材质的样子进行弥补，比如可以是塑料的，可以是木头的，可以是铝制的，等等，陀螺上面可以让孩子们涂鸦成各种东西，小老虎、小兔子、飞机、大炮等，这样，就能够使学生对陀螺爱不释手。

三、结束语

民间体育游戏之所以能够一代一代广泛流传，是有其优势的。把民间体育游戏融入幼儿园体育教育中，既可以帮助幼儿在游戏中认识世界，增强人际交往能力，也能够通过幼儿的学习，提升民间体育游戏的影响力，传承民间体育游戏。幼儿教育是启蒙教育，而民间体育游戏又是以少儿为主要娱乐对象的游戏，所以民间体育游戏不但能够和幼儿教育相结合，而且也能有效推进幼儿教育的发展。

参考文献：

[1]朱晋.如何让民间体育游戏走进幼儿园户外活动[J].中国校外教育，2017(17).

陀螺范文篇9

关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测

随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。

1微机械振动陀螺仪的简要工作原理

陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。

在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。

2微电容检测技术

在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。

2.1开关电容电路

其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。

在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2单位增益放大器电路

AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。

图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）

=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

∵Rgs→∞

∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布电容Cp约为10pF，输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。

2.3电荷放大器电路

电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。

若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。

尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3检测平台的系统构成及工作原理

该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。

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。

表1交流相位和直流偏置组合

直流偏置：++--

交流信号：+-+-

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E2PROM2817A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。电路输出时间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形。

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：

fc=Ec/[(20V)πRC]

OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：

f1=1/(2πRC)

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。

3.3交流放大器

微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。

交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4数据采集系统

使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。

3.4.1系统工作原理

系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。

3.4.2硬件设计

本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。

在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。

与主机的信息交换包括：

（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；

（2）在存储区满后，向主机发中断请求。

本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。

3.4.3软件设计

系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见图10。

陀螺范文篇10

关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测

随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。

1微机械振动陀螺仪的简要工作原理

陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。

在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。

2微电容检测技术

在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。

2.1开关电容电路

其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。

在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2单位增益放大器电路

AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。

图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）

=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

∵Rgs→∞

∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布电容Cp约为10pF，

输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。

2.3电荷放大器电路

电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。

若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。

尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3检测平台的系统构成及工作原理

该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。

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。

表1交流相位和直流偏置组合

直流偏置：++--交流信号：+-+-

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E2PROM2817A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。电路输出时间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形。

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：

fc=Ec/[(20V)πRC]

OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：

f1=1/(2πRC)

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。

3.3交流放大器

微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-

ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。

交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4数据采集系统

使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。

3.4.1系统工作原理

系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。

3.4.2硬件设计

本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。

在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。

与主机的信息交换包括：

（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；

（2）在存储区满后，向主机发中断请求。

本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。

3.4.3软件设计

系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见图10。