陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路和方法

摘要

本发明提供一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路，包括：信号源；输出接口通过信号源开关与四阶积分电路的输入接口连接，用于将信号输出给四阶积分电路；四阶积分电路，输出接口与所述差分放大模块的输入接口连接，用于将信号源的输出信号进行四阶积分并输出给差分放大电路；差分放大模块，输入接口与所述四阶积分电路的输出接口连接，用于将所述四阶积分电路的输出信号进行放大；开关控制模块，控制所述开关切换导通路径，所述开关的切换频率与所述信号源的输出信号频率相同。本发明能够抑制信号源噪声，提取信号信息。

说明书

技术领域

本发明涉及数字电路解调技术领域，尤其涉及一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路和方法。

背景技术

在现有的解调算法中，乘法解调应用最为广泛，其方法简单，但是抗噪能力弱，检测精度较低，电路中需要配置高阶滤波器，占用资源较多，不利于降低成本。同步积分解调因采用R-C电路，在抗噪能力和资源占用方面是一种更优选项。

发明内容

本发明提供的陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路和方法，能够提高抗噪能力。

第一方面，本发明提供一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路，包括：

信号源，用于产生信号并将信号输出；

四阶积分电路，所述四阶积分电路的输入接口与所述信号源的输出接口通过信号源开关连接，所述四阶积分电路用于将信号源的输出信号进行四阶积分并输出；

差分放大模块，所述差分放大模块的输入接口与所述四阶积分电路的输出接口连接，用于将所述四阶积分电路的输出信号进行放大；

开关控制模块，控制所述信号源开关切换导通路径，所述开关的切换频率与所述信号源的输出信号频率相同。

可选地，所述四阶积分电路包括四个通过积分电路开关级联的积分电路，第一个积分电路的输入接口通过信号源开关与所述信号源的输出接口连接，最后一个积分电路的输出接口与所述差分放大模块连接；

所述积分电路开关状态的切换通过所述开关控制模块控制。

可选地，所述积分电路包括两个积分器，所述积分电路开关具有两个导通状态，所述积分电路开关的其中一个导通状态对应其中一个积分器的导通，所述积分电路开关的另一个导通状态对应另一个积分器的导通。

可选地，四个所述积分电路为相同的积分电路。

可选地，所述积分电路包括一个电阻和两个电容；所述电容一端接地，当所述积分电路开关为其中一个导通状态时，所述电阻与其中一个电容串联形成其中一个积分器，当所述积分电路开关为另一种导通状态时，所述电阻与另一个电容串联形成另一个积分器。

第二方面，本发明提供一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调方法，将信号源的信号通过信号源开关输入到四阶积分电路进行积分运算，将运算完毕的信号输入到差分放大器中进行放大运算；

所述信号源开关的控制信号为与所述信号源的信号频率相同的方波信号。

可选地，所述四阶积分电路包括四个级联的积分电路；

所述积分电路通过积分电路开关接收上一级积分电路的输出信号并进行积分运算，再将信号通过积分电路开关输出给下一级积分电路；

所述积分电路开关的控制信号为与所述信号源的信号频率相同的方波信号。

可选地，采用四个相同的积分电路对所述信号进行逐级的积分运算。

可选地，所述积分电路包括两个积分器，通过所述积分电路开关的导通状态的切换控制两个积分器分别对信号的正半周和负半周进行积分运算。

可选地，所述积分电路包括两个电容和一个电阻，所述电容的一端接地，通过积分电路开关切换与所述电阻串联的电容形成对信号的正半周进行积分运算的积分器或形成对信号的负半周进行积分运算的积分器。

本发明用于陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法，由于噪声的频率和相位都是随机的，不可能和开关同步，因此在电容充电时噪声绝大多数被滤掉了，只有极小一部分能通过，积分后的值很小，如果还存在干扰信号，只要这个干扰频率不是正好在同步积分器的传输通带内，同步积分器同样可以把这些干扰滤掉，因此同步积分器具有较强的噪声抑制能力。由于每次对信号进行同步积分都能够对噪声进行抑制，因此，四次同步积分后，基本上能够对噪声进行消除。并且当输入调制信号与方波开关信号频率相等时，级联的同步积分器的有效输出电压不会衰减，能够确保信号的完整。

附图说明

图1为本发明陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法的一实施例的一阶同步积分电路图；

图2为本发明陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法的一实施例的四阶同步积分电路图；

图3为本发明陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法的一实施例的同步积分器方框原理图；

图4为本发明陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法的一实施例一阶、三阶和四阶同步积分解调器输出仿真结果；

图5为本发明陀螺数字信号高阶同步积分解调电路和方法的一实施例四阶同步积分解调器抑制噪声能力的仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调电路，包括：

信号源；输出接口通过信号源开关与四阶积分电路的输入接口连接，用于将信号输出给四阶积分电路；

在本实施例中，采用信号调制模块作为信号源，同频方波开关信号驱动信号源开关把调制信号导入到四阶积分电路上。

四阶积分电路，输出接口与所述差分放大模块的输入接口连接，用于将信号源的输出信号进行四阶积分并输出给差分放大电路；

每阶积分电路两个不同积分器支路，分别为正积分支路和负积分支路，其中正积分支路接收正弦波的正半周(相位＝0-180°，以下统一用正半周来说明)并进行积分，负积分支路接收正弦波的负半周(相位＝180-360°，以下统一用负半周来说明)并进行积分。方波开关信号和正弦波信号在一个周期内只能有两种状态：0-180°正向输出，180-360°反向输出。因此，输入信号通过同频方波开关信号导入到两积分器上，当信号处于正半周时，方波开关信号为正，信号进入正积分支路，当信号处于负半周时，方波开关信号为负，信号进入负积分支路。完成积分的信号进入第二阶积分电路的输入端。

同频方波开关信号把输入信号导入到第二阶积分电路的两个积分器上；本步骤的输入是一阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是二阶积分处理后的正负积分信号，过程与第一阶积分电路的过程相同。完成积分的信号进入第三阶积分电路的输入端。

同频方波开关信号把输入信号导入到第三阶积分电路的两个不同积分器；本步骤的输入是二阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是三阶积分处理后的正负积分信号，过程与第一阶积分电路的处理过程相同。完成积分的信号进入第四阶电路的输入端。

步骤四：同频方波开关信号把输入信号导入到第四阶解调算法的两个不同积分电路上；本步骤的输入是三阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是四阶积分处理后的正负积分信号，过程与第一阶积分电路的处理过程相同。完成积分的信号输出给差分放大模块。

差分放大模块，输入接口与所述四阶积分电路的输出接口连接，用于将所述四阶积分电路的输出信号进行放大；

差分放大模块的输入信号是经过两路四阶积分处理后的正负积分信号，输出是经过差分放大器放大的电压信号，正负两路积分器输出信号同时包含输入信号的幅值信息和相位信息，在实际应用中，将电容C

开关控制模块，控制所述开关切换导通路径，所述开关的切换频率与所述信号源的输出信号频率相同。开关模块的工作过程在上述信号源输入到四阶积分电路的过程中已经进行详细描述，此处不再赘述。

可选地，所述四阶积分电路包括四个通过积分电路开关级联的积分电路，第一个积分电路的输入接口通过信号源开关与所述信号源的输出接口连接，最后一个积分电路的输出接口与所述差分放大模块连接；

所述开关状态的切换通过所述开关控制模块控制。

可选地，所述积分电路包括两个积分器，所述积分电路开关包括两个导通状态，所述积分电路开关的两个导通状态分别对应两个积分器的导通状态。

可选地，四个所述积分电路为相同的积分电路。

可选地，所述积分电路包括一个电阻和两个电容；所述电容一端接地，通过所述积分电路开关切换与所述电阻串联的电容形成积分器。

在本实施例中，如图3所示的方框原理图可以用来积累信号。信号只有两个状态，只需要两个积分器就够了。采用方波同步开关把信号同步的接到两个积分器上，同样用同步开关把积分器和负载相联，使信号同步输出。

同步积分器的一种简化形式如图1所示。开关S以频率f

由于开关S控制，使C

基于MATLAB中的Simulink仿真平台，搭建四阶级联同步积分电路仿真，观察其一阶输出、三阶输出、四阶输出。当输入信号的频率与开关控制信号的频率相等时，仿真结果如图4及图5所示。

在仿真过程中，将四阶积分电路的8个电容均设置为10nF；四个电阻均设置为20kΩ。输入信号设置为频率11567Hz、幅值为2V的正弦波信号，方波开关信号设置为频率为11567Hz、幅值为2V的方波信号，仿真时间设置为2s，噪声模块先设置为0V验证其幅值衰减情况；再设置为0.1V验证其抗噪能力。其一阶、三阶、四阶同步积分解调器仿真输出如图4所示，其抗噪能力仿真输出如图5所示。

由图4可知，当输入信号频率与方波开关信号频率相等时，阶数级联同步积分电路其输出幅值完全相等，验证了级联同步积分电路输出幅值不会衰减的结论。由图5可知，四阶级联的同步积分电路具有更强的噪声抑制能力。

同步积分器是由方波同步开关控制的积分器，使同频信号分别对两个电容充电，电容上充电电位为信号在充电时间内的积分值。由于噪声的频率和相位都是随机的，不可能和开关同步，因此在电容充电时噪声绝大多数被滤掉了，只有极小一部分能通过，积分后的值很小，如果还存在干扰信号，只要这个干扰频率不是正好在同步积分器的传输通带内，同步积分器同样可以把这些干扰滤掉，因此同步积分器具有较强的噪声抑制能力。

实施例2

如图1-5所示，本实施例提供一种陀螺数字信号的高阶同步积分解调方法，将信号源的信号通过信号源开关输入到四阶积分电路进行积分运算，将运算完毕的信号输入到差分放大器中进行放大运算；

采用与所述信号源的信号频率相同的方波信号作为所述信号源开关的控制信号。

本实施例具体包括如下步骤：

步骤一：同频方波开关信号把输入调制信号导入到第一阶解调算法的两个积分电路上；本步骤信号源是的输入是陀螺检测端输出信号，控制信号采用与信号源同频的开关方波信号，其中上述信号源信号为标准正弦波，频率为陀螺的驱动频率。上述数字信号相位为0-180°时，方波开关信号＝‘1’，相位为180-360°时，方波开关信号＝‘0’，输出是经过积分处理后的两路正负积分信号。第一步骤的信号处理图如图1所示。

本解调步骤的积分处理包含两个不同积分支路，分别为正积分支路和负积分支路，其中正积分支路接收正弦波的正半周(相位＝0-180°，以下统一用正半周来说明)并进行积分，负积分支路接收正弦波的负半周(相位＝180-360°，以下统一用负半周来说明)并进行积分。方波开关信号和正弦波信号在一个周期内只能有两种状态：0-180°正向输出，180-360°反向输出。因此，输入信号通过同频方波开关信号导入到两积分器上，当信号处于正半周时，方波开关信号为正，信号进入正积分支路，当信号处于负半周时，方波开关信号为负，信号进入负积分支路。完成积分的信号进入下一阶电路的输入端，进行步骤二的处理。

步骤二：同频方波开关信号把输入信号导入到第二阶解调算法的两个积分电路上；本步骤的输入是一阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是二阶积分处理后的正负积分信号，过程同步骤一。完成积分的信号进入下一阶电路的输入端，进行步骤三的处理。

步骤三：同频方波开关信号把输入信号导入到第三阶解调算法的两个不同积分电路上；本步骤的输入是二阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是三阶积分处理后的正负积分信号，过程同步骤一。完成积分的信号进入下一阶电路的输入端，进行步骤四的处理。

步骤四：同频方波开关信号把输入信号导入到第四阶解调算法的两个不同积分电路上；本步骤的输入是三阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是四阶积分处理后的正负积分信号，过程同步骤一。完成积分的信号进入下一阶电路的输入端，进行步骤五的处理。

步骤五：差分放大输出；本步骤的输入是四阶经过两路积分处理后的正负积分信号，输出是经过差分放大器放大的电压信号，正负两路积分器输出信号同时包含输入信号的幅值信息和相位信息，在实际应用中，将电容C

可选地，所述四阶积分电路包括四个级联的积分电路；

所述积分电路通过积分电路开关接收上一级积分电路的输出信号并进行积分运算，再将信号通过积分电路开关输出给下一级积分电路；

采用与所述信号源的信号频率相同的方波信号作为所述积分电路开关的控制信号。

可选地，采用四个相同的积分电路对所述信号进行逐级的积分运算。

可选地，所述积分电路包括两个积分器，通过所述积分电路开关的导通状态的切换控制两个积分器分别对信号的正半周和负半周进行积分运算。

可选地，所述积分电路包括两个电容和一个电阻，所述电容的一端接地，通过积分电路开关切换与所述电阻串联的电容形成对信号的正半周进行积分运算的积分器或形成对信号的负半周进行积分运算的积分器。

本实施例中，第一阶同步积分器的输出作为第二阶同步积分器的输入；以此类推，第三阶同步积分器的输出作为第四阶同步积分器的输入。四阶级联的同步积分器与四阶R-C低通滤波器类似。当输入调制信号与方波开关信号频率相等时，级联的同步积分器的有效输出电压不会衰减，抑制噪声的能力要远远优于单独的一阶同步积分器。

同步积分器是由方波同步开关控制的积分器，使同频信号分别对两个电容充电，电容上充电电位为信号在充电时间内的积分值。由于噪声的频率和相位都是随机的，不可能和开关同步，因此在电容充电时噪声绝大多数被滤掉了，只有极小一部分能通过，积分后的值很小，如果还存在干扰信号，只要这个干扰频率不是正好在同步积分器的传输通带内，同步积分器同样可以把这些干扰滤掉，因此同步积分器具有较强的噪声抑制能力。

在本实施例中，如图3所示的方框原理图可以用来积累信号。信号只有两个状态，只需要两个积分器就够了。采用方波同步开关把信号同步的接到两个积分器上，同样用同步开关把积分器和负载相联，使信号同步输出。

同步积分器的一种简化形式如图1所示。开关S以频率f

由于开关S控制，使C

基于MATLAB中的Simulink仿真平台，搭建四阶级联同步积分电路仿真，观察其一阶输出、三阶输出、四阶输出。当输入信号的频率与开关控制信号的频率相等时，仿真结果如图4及图5所示。在仿真过程中，将四阶积分电路的8个电容均设置为10nF；四个电阻均设置为20kΩ。输入信号设置为频率11567Hz、幅值为2V的正弦波信号，方波开关信号设置为频率为11567Hz、幅值为2V的方波信号，仿真时间设置为2s，噪声模块先设置为0V验证其幅值衰减情况；再设置为0.1V验证其抗噪能力。其一阶、三阶、四阶同步积分解调器仿真输出如图4所示，其四阶同步积分器的抗噪能力仿真输出如图5所示。

由图4可知，当输入信号频率与方波开关信号频率相等时，阶数级联同步积分电路其输出幅值完全相等，验证了级联同步积分电路输出幅值不会衰减的结论。由图5可知，四阶级联的同步积分电路具有更强的噪声抑制能力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。