悬浮陀螺怎么拼

篇一：磁悬浮玩具陀螺

磁悬浮应用实例一：

前几天女儿去上海玩带回一玩具：磁悬浮。经过测试，此玩具适合成年人玩，至少要是大孩子。一般女士手上力量不足的，很少能稳定地把磁陀螺旋转起来。

操作要点：

首先是旋转磁陀螺的手法，要稳定。陀螺大家都会转，但是在磁悬浮平台上必须准确在中心很小区域操作，而且未旋转前磁场还有很大的扭力把陀螺吸倒。一般女士手上力量小的就过不了这关，总是被磁场吸倒，要想使劲发力结果是动作变形，陀螺飞出去了。

陀螺旋转稳定后就可以轻轻托起进入飞行状态。第一次不会成功，要有不少调整步骤。首先陀螺自己向任何方向飞出平台就要调整平台平面，向哪个方向飞了就把那个方向垫高。 基本稳定后还有调整陀螺重量。如果陀螺上下跳动，就加重，如果飞不起来就减轻。慢慢调，别急。

最后的总结：大家对中国玩具以及工具的设计都大发感慨，总是把什么事情都变成手艺活，不能有简单的可操作性的设计。最主要的批判就集中在调整磁场水平平衡用的２个楔子，完全不稳定，稍微磕碰就前功尽弃，必须要你练成一插准的手艺才行。为什么不设计４个大个的调整螺钉来支撑平台呢？又稳定，又可以记录下旋转刻度，下次可以迅速就绪。 磁悬浮应用实例二：

美妙的筋斗云，创意磁悬浮云朵沙发床

还记得七龙珠中小悟空的筋斗云吗？哈，只有心无邪念心灵纯净的人才能驾驭它,，而性感坏坏的布尔玛永远都无缘享受了。其实作为一种高新技术，磁悬浮已经走下神坛进入到了民用领域，今天乐土网介绍的这款筋斗云沙发床，采用了真正的磁悬浮原理，它真的可以飘在空中。

这个创意将沙发床做成云朵的形状。想象一下这样的云朵，这样的柔软舒服，你可以在沙发床上面做很多美妙的事情，而不用担心像布尔玛那样掉下来。哈哈太美妙太梦幻了吧！

篇二：磁悬浮陀螺探究性试验

常温磁悬浮陀螺

小组成员：刘悦晨091140044 彭威091140051杨阳091140076

王陈路091140065 杨名091140075

实验目的

1. 演示陀螺的悬浮现象，加深对陀螺不受外力矩时角动量守恒的理解。

2. 研究陀螺稳定悬浮的条件，培养研究性思维的能力。

仪器组成

具有轴对称磁场分布的永磁体底座和一个磁矩陀螺。

（永磁体底座用电磁铁来做，磁矩陀螺）

自己制作所需要的实验仪器：

1、 永磁底座：可以是四块大小相等的磁钢按磁场方向拼成（这个我们自己来拼）边长15cm

或者是直径均匀磁场分不均匀的永磁环，稍大些以便产生均匀的涡旋磁场

（内径15cm的永磁环）

2、 普通木质陀螺（2~3个）：直径5cm左右

3、 与木制陀螺外径相匹配的永磁环：内径5cm左右

4、 配重片：即小铁片（若干），实验时可根据实际情况附在陀螺体上，以平衡重量

5、 底珠：装在陀螺底部

6、 保护套：以免陀螺掉落造成损坏

7、 有机玻璃平板，用于托住陀螺:边长15cm的正方形平板

备注：我们的想法是，我们还需要一套磁悬浮陀螺实验的成品仪器，以便和我们自己制作出来的磁悬浮陀螺的效果进行比对，以校验制作的效果，希望您允许。

实验原理

将一个永磁圆环同轴地装在一个陀螺的内部就构成了一个磁矩陀螺。沿轴向磁化的永磁环是本实验的关键部分。永磁底座为一个水平放置的直径较大的永磁体环，他所产生的磁场是轴对称分布的。在某一定高度垂直于轴线的平面内，磁场不但是轴对称的，而且在对称轴附近有磁场的极小值；在该平面与对称轴的交点附近沿轴线方向，离大磁环越远磁场越弱。磁矩陀螺受磁场的作用实际上是一个磁矩受磁场的作用。由公式可知，当磁矩与外磁场大体平行式磁力总是把磁矩推向磁场较强的区域，当反平行时，磁力则总将磁矩推向磁场较弱的区域力矩的作用总是将磁矩转向磁场的方向，若磁矩与外磁场平行或反平行时，力矩总为0，陀螺可以平衡。平行时稳定，反平行时不稳定。磁矩在磁场中还受到力矩的作用，力矩为零的位置不是平衡稳定的位置，微小的偏离会使磁矩陀螺转向力矩更大的姿态，从而最终破坏了平衡的条件。

磁矩陀螺是转动的，飞速转动的陀螺具有角动量，由于磁矩陀螺的结构使得它的角动量和它的磁矩平行（同轴）即角动量与磁矩平行或反平行。

需要说明的是，悬浮中的陀螺的转动不但要受到空气阻力的，而且陀螺的结构和磁场的不均匀性将极大地影响陀螺的转动，他常常比空气阻力的影响要大得多。由以上的分析，使浮力与重力方向一致是实现陀螺悬浮的关键，因此实验中调整基座的方向是十分重要的必须仔细认真操作。

实验步骤

调节基座使之大体上水平。

1. 用右手拇指食指夹持陀螺，左手拿承接板-----一块薄有机玻璃板。

2. 使承接板在基座上方处于大体水平状态，转动陀螺，使它在承接板上转动。

3. 慢慢下移承接板直至转动陀螺悬浮在空中。

4. 在陀螺悬浮不稳定时，重复步骤1~4，直至陀螺在空中稳定悬浮（可达数分钟）。

注意事项

1. 本实验需要一定的技巧，操作者要经过一定训练才能掌握，故不能操之过急。

2. 尽量不要使陀螺摔落到水泥地面上，以免损坏。

思考题

1. 为什么不转动的陀螺不能实现稳定的悬浮？

2. 为什么转动的陀螺能实现稳定的悬浮？力平衡靠什么来实现？力矩平衡靠什么来实

现？

3. 陀螺实现稳定后，它的受力和力矩都平衡了吗？为什么？

4. 转动对陀螺实现稳定的悬浮有何重要的意义？

5. 若陀螺实现稳定后其轴线稍稍偏离垂直方向，其进动的角速度决定于哪些因素？为什么

进动的方向与陀螺转动方向有关？能否通过调整陀螺的结构，如改变浮力中心与重心的距离来实现极稳定悬浮？

篇三：摆式陀螺原理

第二章 陀螺全站仪

2.1 陀螺仪及其基本特性（龚建）

一、陀螺仪及其分类

? 陀螺仪

凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身轴高速旋转的任意刚体，都称为陀螺。如图2-1所示，设刚体上有一等效的方向支点O。以O为原点，作固定在刚体上的动坐标系O-XYZ。刚体绕此支点转动的角速度在动坐标轴上的分量分别为ωx、ωy、ωz，若能满足以下条件：

ωz＞＞ω

ωzωz （2-1）

OZ为进动运动。

螺仪，如激光陀螺仪。

? 速旋转。将转子安臵在特殊的悬挂装臵上，没有外力作用，使其具有两个或三个回转轴的整个装臵，称为具有两个或三个自由度的陀螺仪。

自由陀螺仪的结构如图2-2所示。转子1支撑在内平衡环2上可绕其对称轴作高速度转动，这个轴称为陀螺仪的自转轴，即陀螺主轴，或称X轴。由于转子只能围绕本身轴旋转，因此它具有一个自由度。

转子支撑在内平衡环上，内平衡环又支撑在外平衡环3上，转子和内平衡环一起可绕陀螺仪的内环轴转动，这个轴一般称为Y轴。由于转子既绕本身轴旋转，又可绕内环轴旋转，因此他具有两个自由度。

转子支撑在内平衡环上，内平衡环又支撑在外平衡环上，外平衡环又支撑在底座上，转子和内平衡环、外平衡环一起绕陀螺仪的外环轴转动，这个轴一般称为Z轴。此时由于转子既可绕本身轴旋转，又可绕内、外环轴旋转，因此它具有三个自由度。一般把由内环和外环构成的支架称为万向支架。

如果把陀螺仪的重心与陀螺仪的中心相重合，这种陀螺仪称为三自由度平衡陀螺仪。如

果把三自由度陀螺仪限制Y轴或Z轴其中一个自由度，这种陀螺仪称为二自由度陀螺仪。如果把陀螺仪的外环轴下移，偏离陀螺仪的中心，这种陀螺仪称为下悬式陀螺仪或摆式陀螺仪。

摆式陀螺仪如图2-3所示，即在陀螺仪轴上加上悬重G，则重心由陀螺仪中心O下移到O′点，结果便限制了绕Y轴旋转的自由度。亦即X轴受悬重G的作用，而永远趋于和水平面平行的状态，或者说陀螺自转轴的俯仰受到一定限制。由此可知，摆式陀螺仪具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度，故也称为二个半自由度陀螺仪。

图2-2 三自由度陀螺悬挂装臵图 图2-3 变自由陀螺仪为摆式陀螺仪

1-陀螺转子 2-内平衡环

3-外平衡环 4-底座

? 陀螺仪的分类

陀螺仪的类型可以按其旋转的自由度划分，即前述的分为三种自由度，其中三自由度的陀螺仪又称自由陀螺仪。一般情况下是按陀螺的支承方式来划分的，可以划分为框架式、液浮式、气浮式、静电式和挠性式陀螺仪等。下面作一简要介绍。

(1) 框架式陀螺仪

我们知道，陀螺仪的用途甚多，因此对它结构的要求是不一样的，但是不论多么复杂的陀螺仪表和装臵，就其主要部分来讲，总是由以下的基本部件组成。

1．陀螺仪的核心是一个绕对称轴高速旋转的转子，包括转子及其驱动机构和转子轴的支承等。一般转子采用三相异步陀螺电动机。

2．为实现陀螺转子的定点支承，使转子自转轴具有转动自由度的支承系统。一般常规陀螺采用机械式框架支承，转子轴的支承框架叫框架（亦称内环）。为了保证转子的正常工作，通常将内框架作成封闭式薄壁圆柱形，工程上称为陀螺房。内框架又支承在外框架上，外框架通过轴承安装在仪表壳体上。安装应使转子轴、内环轴、外环轴互相垂直并交于一点。此交点即为转子的固定支撑点，通过内、外的转动来实现转子轴的转动自由度。

3．为了使陀螺轴跟踪地理坐标系，抵抗外界干扰，有些陀螺仪表中还要增加专门的修正装臵或修正系统。

4．为了量测或指示飞行器的姿态角或角速度，某些陀螺仪中还有专门的指示机构或量测系统。

我们把以滚珠轴承作为转子轴和内、外框架的轴承的陀螺仪称为框架式陀螺仪。这种陀螺仪的优点是：结构简单，承载能力和抗冲击能力强，常用于航空仪表、方位仪、陀螺经纬和稳定装臵中。缺点是轴与轴承间的摩擦力矩较大，故在精密陀螺仪中一般不予采用。

(2) 液浮式陀螺仪

液浮陀螺的内框架一般做成圆柱形或球形的浮筒，陀螺电机则安装在密封并充有惰性气体的浮筒内，浮筒与外壳之间充满了悬浮液，两者之间的间隙很小，整个浮筒的平均密度与

悬浮液的密度基本上相等，因而整个浮筒的重量都由浮液支承，内框架轴的轴承（通常用宝石轴承）上几乎不受压力，只起定向作用。这样，避免可金属表面的直接摩擦，大大的减弱了摩擦力矩的影响，且抗振性抗冲击性好。缺点是：加工工艺和装配工艺要求较高；为使浮液不受环境温度的影响，需附加恒温控制装臵，使仪器加重。

(3) 气浮式陀螺仪

它是用气体压力把活动部分浮起来，通过小孔或窄缝，输入高压气体，以实现气浮，使轴与轴承间始终保持一层很薄的空气层，避免轴与轴承直接接触，使摩擦力小而稳定。缺点是：制造精度要求高；还要附加专门的增压，输送和净化气体的装臵。

(4) 静电陀螺仪

它是利用静电场的静电引力把球形转子悬浮起来的一种陀螺仪。其壳体是用绝缘材料陶瓷制成的。内表面加工成内球碗状，沿三个互相垂直的轴线设臵三对电极。陀螺转子一般是用比重小而刚度大的 材料制成的空心球。只要在三对电极上加以适当的电压，使沿三个方向的吸力能与转子重量相平衡，转子就能悬浮起来。

当转子依靠静电引力被悬浮起来并高速旋转时，支承系统对电极施加反馈电压，以调整作用在转子上的静电吸引，使转子在壳体内保持平衡状态。

静电陀螺仪的结构简单，从原理上讲静电支承对克服摩擦力的影响则达到了理想的程度，因而它的粘度高、可靠性好。但是制造工艺复杂，要求高电压和高真空度，故成本较高。

(5) 挠性陀螺仪

这是一种利用弹性支承使陀螺转子获得自由度的陀螺仪。挠性陀螺采用了一种独特的支承方式，与杂技中的转碟相似，即陀螺转子很象瓷碟，马达轴和挠性接头很象演员的手和细长杆。

挠性陀螺的马达通过马达轴带动转子高速旋转。在马达轴与转子之间有一个很细的接头部分称挠性接头。通过这个象细脖子似的挠性接头能够进行力的传递，使转子能够在马达轴的带动下高速旋转。同时由于它很细，在马达及其壳体偏离起始位臵时，不会影响转子的定轴性。当壳体偏离起始位臵时，转子因有定轴性而不动，就会使转子与两个传感器的距离不再相等，把这一变化通过传感器以电信号的形式给出来，就可以知道壳体偏离起始位臵的程度。这种陀螺虽然也是运用高速转子的定轴性，但由于它用一个挠性接头代替了万向支架，因此避免了许多产生干扰力矩的因素，从而提高了精度。但它对挠性接头材料的机械性能要求高。不过从发展的趋势看，挠性陀螺仪的应用将会越来越广泛。

用在测量上进行定向的陀螺经纬仪，从它的发展看，是从采用液浮式陀螺仪逐步过渡到采用挠性陀螺仪，也就是说近代的陀螺经纬仪大多都是采用灵敏部带状悬挂，自动跟踪，陀螺每分钟约24000转。

实际上根据各种物理原理正在研制的新型陀螺仪尚很多，如激光陀螺仪、振动陀螺仪、超电导陀螺仪及核子陀螺仪等。

二、陀螺仪的基本特性

陀螺仪有两个非常重要的特性，即定轴性和近动性。对于由高速转子组成的陀螺仪来说，不管它们的用途如何不同，结构上如何变化，它们都是按照陀螺的这两个基本特性来工作的。

为了说明自由陀螺仪的两个特性，可用如图2-4所示的实验仪器做一个实验。

首先，把衡重A转弯、俯仰等，陀螺转子轴的方向始终指向初始恒定的方向。

如果将衡重A向左移动一小段距离，在陀螺不转动的情况下，杠杆将在竖直面内产生逆时针方向的转动，即左端下降、右端上升。但是当陀螺转动时，杠杆不作上下倾斜运动，而是仍然保持水平，且在水平面内作逆时针方向的转动（从上向下看），这种现象就是所谓的“进动”。如果将衡重A向右边移动一小段距离，在陀螺转动的情况下，也将产生“进动”，不过进动方向和上述方向相反，即杠杆在水平面内作顺时针方向的转动。

以上实验说明陀螺仪确实存在定轴性和进动性，下面对这种现象进行较深入的分析。 ? 定轴性

高速旋转的陀螺仪，其转子轴指向惯性空间某一方向，在没有任何外加力矩的作用下，不管装有陀螺仪的运载体如何运动，陀螺仪的转子轴将稳定地保持在惯性空间初始方向。且其动量矩越大则越稳定，这就是陀螺的定轴性。

由动量矩定律知，绕某轴转动的刚体的动量矩对时间的导数等于作用在刚体上的所有外力对于该轴的总和，即

dt?M （2-2）

如果没有外力作用，则M=0，上式写成

dH/dt=0 H=Const （2-3）

即动量矩矢量的方向将在空间保持不变。

实际上要求陀螺仪上没有外力矩的作用是很难做到的，框架轴承上的摩擦力矩，陀螺仪转子的质心与支承中心不重合造成的静不平衡力矩。它们将使陀螺仪的转子轴偏离其初始方向。外加干扰力矩所引起陀螺转子轴的运动，一般称为漂移，转子轴在单位时间内的方位变化称为漂移率，通常以度/小时表示。在没有外力矩作用时，陀螺仪的转子轴保持其空间方位不变，这一点与一般刚体没有什么区别。而在受到外力矩作用时。其转子轴保持其空间方位不变的能力就远远超过一般的刚体。这种降低了外加干扰力矩对转子轴在空间方向的影响的特性，称为陀螺的定轴性，也叫作陀螺的稳定性。

一般刚体在受到外力矩M的作用时，若外力矩为一常数，将使这个刚体绕某一定轴作等?角加速度?转动，即

????M?J? ??M/J （2-4）

刚体在空间所转过的角速度α1与时间平方成正比，即 ??1??t2?2?2Jt2 （2-5）

式中：J为刚体绕某一定轴的转动惯量；t为时间间隔。

当陀螺仪受到同样大小的外力矩作用时，转子轴的方向将按等角速度漂移，即

?????M???H???J? （2-6）

????J?

转子轴在空间所转过的角度α2与时间成正比，即

（2-7） ??式中，?为转子的自转角速度；?为漂移率。

比较α1和α2可知，在同样的时间间隔内，同样大小的常值干扰力矩作用下，陀螺仪的?转子轴在空间转过的角度比一般刚体的要小得多。而且陀螺转子的转速?越大，漂移率就越小，这就说明陀螺仪与一般刚体运动的规律不同，它在受到外加干扰力矩后，在惯性空间有较强的保持方位不变的能力。

若陀螺仪受到冲击干扰力矩的作用，转子轴将在初始方位附近作锥形振荡运动，这种运动叫做陀螺的章动。只要有较大的动量矩，陀螺章动的频率就很高，而振荡却很小，所以转子轴相对惯性空间的方位变化极小，这是陀螺仪稳定性的另一表现。陀螺动量矩愈大，章动振幅愈小，陀螺仪的稳定性愈高。

? 进动性

当加一常值力矩于高速旋转转着的陀螺自转轴上，陀螺自转轴的运动并不发生在外加力矩的作用平面内，而是垂直于其作用平面转动，这一重要效应称为陀螺仪的进动。进动所绕的轴叫做进动轴，进动的角速度为 ?2???t???J??t

???

???式中，M为外加力矩；H为陀螺仪的动量矩。显然进动的方向是动量矩H的方向沿最短路?径倒向力矩M的方向。

进动原理根据图2-5证明如下： ??设M是不等于零且垂直于H矢量所施加的外力，则： ?H （2-8）

??dH?Mdt （2-9）

??????当H的大小不变时，dH平行于M，所以H必朝M旋转，由此产生的陀螺进动角速度?垂直于这两个矢量。由图2-5可得

???dH?d??H

篇四：微陀螺仪的设计与制造过程

微陀螺仪的设计与制造

学校：华中科技大学

专业：机械设计制造及其自动化

姓名：潘登

班级：1104班

学号：U201110689

指导老师：

廖广兰

来五星

中文摘要

随着科学技术的发展以及科研技术的逐渐成熟。陀螺仪也逐渐进入了各个领域。现如今陀螺仪在航海导航、航天航空、研究动力学、兵器、汽车、生物医学、环境监控等方面有了广泛的应用。而各种陀螺仪也因其原理的不同而有不同的分类，诸如哥氏加速度效应微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、悬浮转子式微陀螺、微集成光学式陀螺以及原子陀螺。而其中随着MEMS技术的不断发展，以其为基础的微陀螺因尺寸小、精度高、重量轻、易于数字化、智能化而越来越受到大家青睐。其在汽车导航、消费电子和移动应用等民用领域以及现代和可预见的未来高科技战场上拥有广阔的发展和市场前景。

文章首先对陀螺仪做了简单的原理和功能介绍，阐述了当前微陀螺仪是非常具有前景的研究防线，并简单介绍了几种常见的微陀螺仪，然后对微陀螺仪的结构进行了简单的分析并且分析了微机械陀螺仪的设计及制造过程和工艺方法并对其中的技术难点进行了分析，也对加工陀螺仪必须的MEMS工艺进行了概述，然后对微陀螺仪的前景及应用进行了进一步的探讨。

关键词：

微机械陀螺仪，MEMS工艺，制作过程，关键技术

Abstract

With the development of science and technology as well as scientific research and technology matures. Gyroscope is gradually coming into the fields. Now gyroscope has broad application in marine navigation,

aerospace, research dynamics, weapons, cars, bio-medicine, environmental monitoring, etc. And also because of the various gyroscope different principles and have different classifications, such as the Coriolis acceleration effect of micro-vibration gyro, gyro fluid, solid

micro-gyroscope, suspended gyroscope rotor micro, micro-gyroscope

integrated optical and atomic gyroscope. With the continuous development of which MEMS technology, with its micro-gyroscope-based due to the small size, high precision, light weight, easy-to-digital, intelligent and increasingly being favored. It has a broad development and market prospects in the car navigation, consumer electronics and mobile

applications and other civilian areas as well as modern and high-tech battlefield for the foreseeable future.

The article first gyroscope do a simple principle and function

description, describes the current micro-gyroscope is a very promising line of research, and a brief introduction to some common micro-gyroscope, then the structure of the micro-gyroscope simple analysis and analysis of the micromachined gyroscope design and manufacturing process and process methods and technical difficulties which were analyzed, but also on the processing of MEMS gyroscope must be an overview of the process, then the prospects for and application of micro-gyroscopes were further discussion.

Keywords：

Micromechanical gyroscopes, MEMS technology, production process, key technologies

目录

1 微机械陀螺仪研究背景…………………………………………………1

1.1 概念简介………………………………………………………1

1.2 MEMS陀螺仪研究历史及发展现状……………………………1

1.3 研究目的………………………………………………………1

1.4 研究方法………………………………………………………2 2 微机械陀螺仪原理与结构………………………………………………5

2.1 MEMS陀螺仪基本原理…………………………………………5

2.2 MEMS陀螺仪分类及结构………………………………………6

3 微机械陀螺仪设计及制造………………………………………………6

3.1 MEMS陀螺仪设计流程…………………………………………6

3.2 MEMS陀螺仪工艺方法…………………………………………7

3.3 MEMS陀螺仪技术难点…………………………………………8

4 微机械陀螺仪测试及应用……………………………………………8

4.1 MEMS陀螺仪测试内容及手段…………………………………8

4.2 MEMS陀螺仪应用………………………………………………10

5 关于微机械陀螺仪发展的思考………………………………………11 6 小结与体会……………………………………………………………11 参考文献……………………………………………………………………12

1 微机械陀螺仪研究背景

1.1 概念简介

微陀螺仪是属于微机械的一种。微机械MEMS是英文Micro Electro

Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。微机械陀螺仪属于一种振动式角速率传感器，用于测量旋转速度或旋转角，作为重要的惯性器件，具有质量轻、体积小、成本低、可靠性好、稳定性高、功耗低、精度高、性能优等诸多优点，在工业控制、航空航天、汽车和消费类电子产品等领域中得到广泛的应用。

1.2 MEMS陀螺仪研究历史及发展现状

微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家[4-9]，已有商业化产品。

我国的MEMS 技术研究工作起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEMS陀螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统所、复旦大学、哈工大等多家单位[10-15] ，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。

1.3 研究目的

微机械的尺寸一般都是在厘米级别的，有的甚至已经到了毫米级别。由此可见，微机械的加工以及制造时十分困难的。

如今，完全封装过后的微陀螺仪的最小尺寸已经到了1.5mm左右，甚至更小。那么，要加工如此细微的零件，对于机械装备、机械技术以及加工人员的考验是非常大的。而且，不像是传统普通零件加工，可以出现一点点的误

篇五：静电悬浮微陀螺多路同步DDS信号发生器设计

静电悬浮微陀螺多路同步DDS信号发生器设计

作者：覃贞妮,刘 武,陈文元,崔 峰,张卫平

来源：《现代电子技术》2010年第18期

摘 要:信号发生器是静电悬浮微陀螺系统的重要组成部分,通常采用差动电容调制解调检测方法来得到转子的微位移,而转子微位移信号的幅值解调需要稳定的多路同步信号。采用

ARM7 LPC2148为控制器和多片DDS芯片AD9850在硬件和软件上实现多路同步DDS信号发生器,并分别采用并行和串行2种方式加载芯片控制字,均可生成多路频率相位可调的信号发生器,具有频率稳定性好,频率准确度高及频率分辨率高,相位差精准的特点。关键词:信号发生器; DDS; 同步; 并行加载; 串行加载

中图分类号:TN74-34; V241.5文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0110-04

Design of Multiple Synchronizing DDS Signal Generator for Electrostatically

Suspended Micro-gyroscope QIN Zhen- -

-

(1.National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology, Institute of Micro and Nano Science and Technology,

Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China; 2.Key Laboratory for Thin Film and Micro-fabrication of Ministry of Education,

Institute of Micro and Nano Science and Technology, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

(来自:WWw.SmhaiDa.com 海达范文网:悬浮陀螺怎么拼)

Abstract: The signal generator is an essential part of the electrostatically suspended micro-gyroscope system. Differential capacitance detection method is usually adopted to get the micro

displacement of rotor, whose amplitude demodulation need stable multi-channel synchronous signals. This signal generator is based on ARM7 LPC2148 can control multi AD9850s to produce multi-channel signals, whose frequency and phase controllable precisely with either parallel load or serial

ccuracy, resolution and phase

precision.Keywords: signal generator; DDS; synchronizing; parallel load; serial load

0 引 言

静电悬浮微陀螺作为一种新颖的MEMS陀螺,是当代微惯性传感器发展的一个重要方向。它由悬浮扁平转子和上下定子电极组成。通过在电极上施加直流电压产生静电力支承悬浮扁平转子,并利用静电微马达的工作原理来驱动旋转悬浮转子。根据悬浮微转子高速旋转产生的陀螺效应,借助力矩再平衡原理测量双输入轴角速度;同时,利用旋转微转子借助力平衡原理可测量线加速度[1-3]。由于转子悬浮,无法直接从转子引线,通常采用灵敏度高的差动电容调制解调检测方法来得到转子的微位移[4]。微陀螺定子上的电容极板与转子形成差分电容对和公共电容,载波经上、下定子上的差动电容极板输入,公共电容极板上的输出信号反映的是经过载波调制的差动电容变化的交流信号。差动电容的大小与交流信号的幅值成正比,当转子发生线位移或角位移时,在公共电极上将产生表示转子相应位移的交流检测电流信号。

而要获取交流信号的幅值,需要使用与原载波信号同频率、相位可调的参考信号对它进行幅值解调。而传统的RC或LC振荡器信号源组成复杂,调试困难,信号不稳定,易随着环境温度等的改变而变化,且难以得到准确的相位差。要实现多路信号具有确定的相位差,通常是采用移相技术实现,但是操作麻烦,难以保证每次开机都有确定的相位差。

在此采用具有同步功能的DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148来设计多路信号发生器,可以输出多路频率相同、相位差可调的正弦波或方波信号。多通道也可以独立使用,可分别进行调频及调相。输出的信号具有高频率、高精度、高稳定度的特点。

1 系统基本原理

1.1 DDS基本原理

可编程DDS的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成,N一般为24~32。每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅值信息,每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点。

查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅值信号,然后驱动DAC以输出模拟量。其组成原理框图如图1所示。AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字后就可以产生一个频率和相位都可调的正弦波,此正弦波经内部的高速比较器可转换为方波输出[5-10]。 图1 DDS原理和AD9850信号框图

1.2 DDS同步原理

目前,单片芯片能多通道输出信号的芯片很少,且价格昂贵,因此,可以用多片单通道DDS产生多路信号,难点是,多路信号间很难实现相位同步和具有特定的相位差。影响信号同步的主要因素有:

(1) 多路信号达到同步的首要因素是输入到所有DDS的参考时钟源之间的相位差要小于最小限度[6]。因此在PCB布局时使时钟源到达各路DDS的走线等长,以保证参考时钟到达DDS系统时具有相同的时钟沿。

(2) 下一个必要条件是多通道的数据必须同时送到DDS寄存器中,即具有相同的FQUD上升沿。因此在PCB布局时使各路FQUD的走线等长。

(3) 在DDS系统上电之后传送数据之前应产生复位信号,它能使DAC输出一个相同的状态,成为一个共同的参考点,从而使多路DDS同步。

2 多路同步DDS信号发生器的硬件设计

多路同步DDS信号发生器包括控制核心和DDS信号产生模块。本设计采用ARM7 LPC2148作为控制核心,通过LPC2148的GPIO口来传递控制字及模拟系统工作时序。以两路DDS信号为例,DDS信号产生模块由两片AD9850实现。本系统硬件接口及外围电路如图2所示。

图2 两路同步AD9850接口及外围电路

两片AD9850可共用8位控制数据线D0-D7、频率更新信号FQUD、芯片复位信号

RESET及参考时钟频率CLKIN,而WCLK0与WCLK1则分别控制两片AD9850的控制字加载,可实现多路信号的不同频率及相位的控制。LPC2148的

连接,输入8位控制数据。P0.8,P0.9,P0.10,P0.11分别模拟分别于AD9850的D0~D7。 则在IOUT端即可输出波形良好的正弦波模拟信号。将正弦波信号经过低通滤波器后接到AD9850内部的高速比较器VINP端,即可在QOUT端直接输出一个抖动很小的方波信号。 3 多路同步DDS信号发生器的软件设计

3.1 DDS控制字及控制时序

AD9850有40位控制字,其中32位用于频率控制,5位用于相位控制,2位用于选择工作方式,1位用于电源休眠控制。这40位控制字可以通过并行或串行方式送入器件[5]。 DDS输出正弦波的频率计算公式为:

式中 为输出正弦波的频率;ΔPhase为频率控制字;CLKIN为系统时钟源频率;N为相位累加器的位数。

DDS的频率分辨率定义为:

AD9850的相位累加器位数N=32,工作时钟频率最高可达到125 MHz。在此采用40 MHz的时钟频率,输出信号的频率为1 MHz,根据公式(1)计算,向AD9850写入的频率控制字为:

107374182=0x06666666

根据公式(2)计算,频率分辨率为0.009 31Hz。

AD9850具有5位相位控制位,允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。

3.2 并行方式加载频率及相位控制字

AD9850可以采用并行方式加载40位控制字。在并行加载方式中,40位控制字通过8位数据线D0~D7在个上升沿分5次(W0,W1,W2,W3,W4)写入AD9850数据输入寄存器,

位数据从输入寄存器写入频率相位寄存器,更新DDS的输出频率然后FQUD上升沿则把和相位。W0的高5位为相位控制字,相位控制的精度为360°/25=11.25°,可根据需要设定不同的相位控制字00000~11111,即可实现精确的相位控制。W1的低2位为选择工作方式控制位,10,01是工厂测试保留控制字,所以最好写成00。W0的第3位为电源休眠控制。W1到W4都为32为频率控制字。

在多路DDS中,多个DDS依次加载控制字,每个WCLK控制一片AD9850的控制字加载,当所有DDS的40位控制字加载完毕,FQUD的上升沿将多路DDS的频率相位信息同时写入到AD9850频率相位寄存器中,使多路DDS得到同步。图3为多路DDS并行载入流程图。 图3 多路DDS并行载入流程图

由于在此采用40 MHz的时钟源,要输出两路相位差为零的1 MHz的正弦波,故频率控制字为0x06666666,相位控制字为00000,故W0=0x00,W1=0x06,W2=0x66,W3=0x66,W4=0x66。图4为逻辑分析仪测出的多路DDS并行加载时序。在逻辑分析仪中设置RESET上升沿时触发,芯片复位后的并行加载时序可在图4看出。从RESET信号上升沿开始到更新DDS频率和相位,时间大约为21.5 μs。

图4 多路DDS并行加载时序图

3.3 串行方式加载频率及相位控制字

AD9850可以采用串行方式加载40位控制字。在串行加载方式中,40位控制字

都通过引脚D7在40个WCLK上升沿时一个一个写入AD9850,当40个控

制字写入完毕,FQUD上升沿将把40位数据从输入寄存器写入频率相位寄存器,更新DDS的输出频率和相位。W0到控制字,所以最好写成00。为频率控制字为电源休眠控制。和到的10,01,11都是工厂测试保留为相位控制字。 芯片在加电启动后默认为并行输入,因此要使用串行输入,可以在硬件上使D2接地,D0和D1则可接通VCC,使它们始终为“1”。若不改变硬件电路,可在加点启动后先输入8位2进制数xxxxx011,低三位必须是011,x可以为0或1。

在多路DDS中,多个DDS依次加载控制字,每个WCLK控制一片AD9850的控制字加载,当所有DDS的40位控制字加载完毕,一个FQUD上升沿将多路DDS的频率相位信息同时写入到AD9850频率相位寄存器中,使多路DDS得到同步。图5为多路DDS串行载入流程图。 图5 多路DDS串行载入流程图

由于采用40 MHz的时钟源,要输出两路相位差为零的1 MHz的正弦波,故频率控制字为0x06666666,相位控制字为00000,故40位控制字为0x0666666600。图为逻辑分析仪测出的多路DDS串行行加载时序。在逻辑分析仪中设置RESET上升沿时触发,芯片复位后的并行加载时序可在图6看出。从RESET信号上升沿开始到更新DDS频率和相位,时间大约为195.5 μs。

图6 多路DDS串行加载时序图

4 实验结果

本文采用DDS芯片AD9850和ARM7控制器LPC2148成功实现多路同步信号发生器,可以输出多路频率相同、相位差可调的正弦波。多路信号也可独立使用,且信号稳定,频率分辨率高。用示波器显示DDS系统生成的多路同步信号,如图7所示,两路频率均为1 MHz,相位差为零,峰峰值约为2.1 V的正弦波信号。

并行和串行方式均可实现如图7所示的多路同步信号。两种方式的特点在于:并行加载方式加载速度快,可以充分发挥芯片的高性能,但占用控制器的GPIO口较多;串行加载方式加载速度较慢,但是占用控制器的GPIO口少。因此在控制器资源允许的情况下应尽可能选择并行方式。

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