一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法技术领域
本发明涉及一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法，适用于半球谐振陀螺或类
似工作原理的振动陀螺起振控制，属于惯性仪表控制技术领域。
背景技术
半球谐振陀螺(HRG)是利用球壳结构的径向驻波敏感基座旋转的角速度传感器。
一般其敏感元件为酒杯状的半球形谐振子，在低振幅驻波下以其谐振频率振荡。半球谐振
陀螺主要包括三个部件：半球谐振子、激励罩(力矩器)和敏感基座(信号器)，它们均为熔融
石英材料。并封装在高真空环境中，具有很高的品质因数，通常在107以上。由于熔融石英的
杨氏模量温度系数作用，谐振器振荡频率的温度系数大约为80ppm/℃，通过起振和频率跟
踪电路使参考相位信号相位锁定到谐振器振动的相位上。
半球谐振子实质上是一个选频网络，输入信号的频率只有在谐振子的谐振频率附
近，信号才能通过谐振子，而且信号会滞后90度相位；如果输入信号的频率和谐振子的谐振
频率相差较大，谐振子会使输入信号衰减，信号将不能通过谐振子。根据自激振荡条件可
知，经过谐振子选频的信号要在频率控制回路产生90度超前相位偏移，这样才能使自激振
荡条件满足。本质上频率控制回路的作用就是对半球谐振子输出信号进行移相操作，使整
个回路的信号相位条件满足自激振荡条件，谐振子能持续维持简谐振动。
谐振子正常工作之前需要外界提供初始激励信号，保证谐振子正常起振，因此频
率控制回路需要有起振功能。一般的方法是在谐振子生产过程中通过测试确定谐振子的谐
振频率，在电路设计上通过调整模拟回路的阻容参数或通过跳线调整数字回路的中心频率
的方法使得激励信号频率等于谐振频率。这一方面会由于模拟电路参数漂移、谐振子本身
谐振频率在不同温度下的漂移，使得实际应用时激励信号频率与谐振子谐振频率发生偏
移，轻则造成起振时间加长，使陀螺无法快速进入稳定工作状态，重则会造成起振失败，陀
螺失效。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种半球谐振陀螺高可靠
起振系统及方法，该方法对半球谐振陀螺谐振子谐振频率适应范围宽，算法简单，参数调整
方便，可靠性高，可实现性强，所述的系统使得激励频率能够覆盖所有范围内谐振子谐振频
率的范围，包括不同半球谐振陀螺之间保证半球谐振陀螺能够可靠、快速起振，从而提高了
半球谐振陀螺的应用可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，所述的半球谐振陀螺中包括半球谐振子、谐
振信号检测电极和激励电极，谐振信号检测电极用于检测半球谐振子的谐振运动，并将半
球谐振子的谐振运动转换为交流电压信号；
该系统包括：过零信号检测模块、扫频起振模块、起振检测模块、频率选择模块、数
字频率合成DDS模块、锁相环DPLL、DA控制模块、数模转换模块和高压驱动模块；
所述的过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐
振运动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波
信号同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；
所述的扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频
率fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块，产生方法
为：
首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，
然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的
扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC
产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝
f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+
fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，
fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点；
所述的起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得
到计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG
是否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag
＝1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频
率选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的
最高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；
所述的锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信
号fpll给频率选择模块；
所述的频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag
＝1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志
StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；
所述的数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP
进行信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控
制模块；
所述的DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字
量一同输出给数模转换模块；
所述的数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为
模拟交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；
所述的高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交
流信号输出到激励电极；
所述的激励电极根据接收到的模拟交流信号产生静电力用于半球谐振陀螺谐振
子激励控制，从而完成半球谐振陀螺高可靠起振。
一种半球谐振陀螺高可靠起振方法，步骤包括：
(1)过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运
动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号
同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；
(2)扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率
fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块，产生方法为：
首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，
然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的
扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC
产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝
f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+
fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，
fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点；
(3)起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到
计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG是
否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag＝
1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频率
选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的最
高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；
(4)锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号
fpll给频率选择模块；
(5)频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝
1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志
StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；
(6)数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行
信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控制模
块；
(7)DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量
一同输出给数模转换模块；
(8)数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟
交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；
(9)高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流
信号输出到激励电极；
(10)激励电极根据接收到的模拟交流信号产生静电力用于半球谐振陀螺谐振子
激励控制，从而完成半球谐振陀螺高可靠起振。
有益效果
(1)本发明利用半球谐振陀螺谐振子的选频特性和高Q值特点，扫频起振模块可以
在未检测到谐振信号情况下，不断输出谐振频率附近的频率信号激励谐振子起振，可确保
谐振子起振，可靠性高；
(2)本发明的起振检测模块可以对半球谐振陀螺谐振子进行实时起振检测，在通
电全程中对谐振子的振动状态进行检测，一旦出现半球谐振子停振，则立即进入起振模式；
(3)本发明的起振检测模块输出的起振标志，作为遥测参数，用于判定半球谐振陀
螺工作状态；
(4)本发明的频率选择模块考虑到半球谐振陀螺谐振频率的离散范围和谐振频率
易受到外界环境温度因素影响的因素，设置了较宽的谐振频率判定范围，可以适应谐振频
率不同或外界环境温度变化的情况下半球谐振陀螺的起振，谐振频率判定范围参数可调
整，且方法简单；
(5)本发明的半球谐振陀螺起振方法在半球谐振陀螺起振后不影响半球谐振陀螺
正常的闭环回路工作，且能对半球谐振子的振动状况进行实时监测，一旦出现停振现象立
即进入起振激励模式，确保陀螺工作可靠；
(6)本发明的半球谐振陀螺起振方法可以实现半球谐振陀螺的自主可靠起振，工
程应用简单；
(7)本发明的半球谐振陀螺起振方法适用于所有的振动陀螺，应用范围广。
(8)本发明解决了半球谐振陀螺产品的应用可靠性问题，已通过工程验证，方法可
行，工程技术易实现，实用性强。本发明通过一种通用的方法提高了起振电路的可靠性，并
降低了电路设计的难度和调试难度。
附图说明
图1为本发明的半球谐振陀螺高可靠起振系统框图；
图2为本发明的半球谐振陀螺高可靠起振方法框图；
图3为本发明的实施例信号示意图；
具体实施方式
半球谐振陀螺表头电气部分由谐振子、检测电极和激励电极组成，工作状态下，谐
振子受激产生二阶四波腹形式振动，通过检测电极获取谐振子的正弦振动信号，经过过零
检测转换为谐振方波信号，谐振方波信号分别输入到起振检测和数字锁相环电路，在未起
振情况下，通过扫频起振模块计算产生激振频率信号，激励半球谐振子；在起振情况下，通
过数字锁相环锁定谐振方波信号，用于后续闭环控制。
本发明的具体步骤如下：
(1)过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运
动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号
同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；
(2)扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率
fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块，产生方法为：
首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，
然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的
扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC
产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝
f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+
fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，
fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点；
(3)起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到
计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG是
否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag＝
1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频率
选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的最
高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；
(4)锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号
fpll给频率选择模块；
(5)频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝
1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志
StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；
(6)数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行
信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控制模
块；
(7)DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量
一同输出给数模转换模块；
(8)数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟
交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；
(9)高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流
信号输出到激励电极；
(10)激励电极根据接收到的模拟交流信号产生静电力用于半球谐振陀螺谐振子
激励控制，从而完成半球谐振陀螺高可靠起振。
实施例
如图1所示，一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，所述的半球谐振陀螺中包括半球
谐振子、谐振信号检测电极和激励电极；
该系统包括：过零信号检测模块、扫频起振模块、起振检测模块、频率选择模块、数
字频率合成DDS模块、锁相环DPLL、DA控制模块、数模转换模块和高压驱动模块。
如图2所示，一种半球谐振陀螺高可靠起振方法，步骤包括：
(1)谐振信号检测电极检测到半球谐振子的谐振运动，并得到交流电压信号，如图
3中(a)所示；
(2)过零信号检测模块对交流电压信号进行过零比较得到方波信号fsq，如图3中
(b)所示；
(3)常温下的半球谐振子的谐振频率fSC＝4000Hz，扫频起振模块根据谐振频率fSC
＝4000Hz，产生的f0SWAP＝4000Hz-500Hz＝3500Hz，停留时间为tSTEP＝500ms，然后进行第2个
扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝3500Hz+5Hz＝3505Hz，停留时间为tSTEP＝500ms，依次类
推，得到第200个扫描点的扫频信号f200SWAP＝f199SWAP+5Hz＝4495Hz+5Hz＝4500Hz，停留时间
为tSTEP＝500ms，之后再重新根据谐振频率fSC＝4000Hz依次产生后续的扫频信号；
(4)起振检测模块以系统时钟fosc＝10MHz为基准，对接收到的方波信号fsq进行计
数，得到计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频
率fHRG是否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志
StartFlag＝1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志
StartFlag＝0给频率选择模块，fHRGL＝3500Hz fHRGH＝4500Hz；
(5)锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号
fpll，如图3中(c)所示；
(6)频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝
1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志
StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；
(7)数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行
信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量；
(8)DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量
一同输出给数模转换模块；
(9)数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟
交流信号，如图3中(d)所示；
(10)高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流
信号输出到激励电极；
(11)激励电极根据接收到的放大后的模拟交流信号产生静电力用于半球谐振陀
螺谐振子激励控制，从而完成半球谐振陀螺高可靠起振。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。