技术领域
[0001] 本
发明涉及测控电路实验技术领域，特别是涉及一种基于动
力调谐
陀螺仪模拟/数字再平衡回路的测控电路便携式综合实验箱及方法。
背景技术
[0002] 当今信息社会，是科技迅速发展的时代，现代科技的进步不断促使测控技术实现智能化、数字化、信息化、集成化。无论是我国航空、航天工业和兵器工业的发展，还是生活中的
食品安全监测、农业领域智能喷灌系统的设计应用及粮食存储监控等，测控系统都发挥着重要作用。测控电路与
传感器和传感器反馈控制共同构成了测控系统。随着社会对高校人才能力要求的提升，“测控电路”课程已经被全国各高校的仪器及
电子信息相关专业列为核心课程，而测控电路实验作为巩固理论课程知识与实践应用的必要环节，已经被相关各专业列为实践必修课。
[0003] 在已有的测控电路实验箱中，多采用一种或者几种特定的传感器或执行器进行
信号处理实验，对传感器的原理、材料和工艺依赖性较强，大多具有固定的
信号处理方式，对于实验者电路设计能力提升的帮助有限，并且往往局限于开环信号的处理及测量，很难将所学的控制理论知识与测控系统实验进行衔接。甚至，有一些实验箱过多的集成了数字处理芯片和集成处理
软件，使得实验者对信号处理方法很难进行深入了解，在进行实验的过程中无法与自己所学的理论知识进行完全对应及消化吸收。因此，借助以往的测控电路实验箱，实验者只能学到特定电路模
块的使用方法，对整个测控系统的认识严重不足。
[0004] 现有的实验箱，不能让实验者在实验中清晰了解测控系统中各部分电路的作用，也不足以提升实验者设计各类电路模块的能力，更难以应用所学的测量控制知识特别是闭环控制理论。因此，研发一种能够提升实验者测控电路设计能力与锻炼实验者系统思维的实验箱具有非常重要的价值。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了克服
现有技术中的不足，提供一种各类型电路模块全面和控制知识应用与测控电路知识相融合为
基础多学科知识交叉的动力调谐陀螺仪模拟/数字再平衡回路的测控电路综合实验箱及方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种测控电路的便携式综合实验箱，包括动力调谐陀螺仪
机械表头和电源模块，还设置有动力调谐陀螺仪
模拟器和信号放大实验模块、信号滤波实验模块、信号解调实验模块、信号调零实验模块、信号运算电路模块及校正电路模块和执行器驱动实验模块的电路模块实验箱，所述信号运算电路模块及校正电路模块包括信号运算实验模拟电路模块、校正电路模拟实验模块及数字运算控制回路；以上所述的各个电路模块均为独立模块。所述电源模块为动力调谐陀螺仪机械表头、动力调谐陀螺仪模拟器和电路模块实验箱提供电源，所述的动力调谐陀螺仪机械表头通过机械表头
接口与电路模块实验箱连接构成闭合回路，所述动力调谐陀螺仪模拟器通过模拟器接口与电路模块实验箱连接构成闭合回路；
[0008] 所述电路模块实验箱包括有两路结构完全相同的X轴电路和Y轴电路，以及实现矩阵运算及调节幅频特性的信号运算电路模块及校正电路模块，所述X轴电路和Y轴电路都是由依次
串联连接的信号放大实验模块、信号滤波实验模块、信号解调实验模块、信号调零实验模块和执行器驱动实验模块构成，其中，所述信号放大实验模块的信号输入端都通过表头选通
开关连接机械表头接口或模拟器接口的X轴信号输出端和Y轴信号输出端，所述信号调零实验模块的信号输出端通过模式选通开关连接上位机接口或信号运算电路模块及校正电路模块，信号运算电路模块及校正电路模块的输入端通过模拟/数字模式选通连接信号运算实验模拟电路模块的X轴信号输入端和Y轴信号输入端或数字运算控制回路输入端，所述信号运算实验模拟电路模块的X轴信号输出端和Y轴信号输出端对应连接校正电路模拟实验模块的X轴信号输入端和Y轴信号输入端，所述执行器驱动实验模块的信号输出端通过表头选通开关对应连接机械表头接口或模拟器接口的X轴信号输入端和Y轴信号输入端。
[0009] 进一步的，所述的信号放大实验模块的信号输入端，以及信号放大实验模块、信号滤波实验模块、信号解调实验模块、信号调零实验模块、信号运算电路模块及校正电路模块、信号运算实验模拟电路模块、校正电路模拟实验模块和执行器驱动实验模块的连接点之间，以及执行器驱动实验模块的信号输出端各自均设置有用于连接替换对应电路模块的接线
端子。
[0010] 进一步的，所述的动力调谐陀螺仪模拟器包括有第一函数模拟器、第二函数模拟器、第三函数模拟器和第四函数模拟器，其中，所述第一函数模拟器和第三函数模拟器的信号输入端连接电路模块实验箱的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端，所述第二函数模拟器和第四函数模拟器的信号输入端连接电路模块实验箱的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端，所述第一函数模拟器和第二函数模拟器的信号输出分别连接第一加法器的信号输入端，所述第一加法器的信号输出端通过第一调
制模块连接电路模块实验箱的第一X轴电路中的信号放大实验模块的信号输入端，所述第三函数模拟器和第四函数模拟器的信号输出分别连接第二加法器的信号输入端，所述第二加法器的信号输出端通过第二信号调制模块连接电路模块实验箱的第一Y轴电路中的信号放大实验模块的信号输入端。
[0011] 进一步的，所述的第一函数模拟器是由依次串联的第一组合电路和第一
反相器构成，所述的第二函数模拟器是由依次串联的第二组合电路、第一德玻积分器电路、第一比例器电路和第二反相器电路构成，所述第三函数模拟器是由依次串联的第三组合电路、第二德玻积分器电路和第二比例器电路构成，所述第四函数模拟器是由依次串联的第四组合电路和第三反相器电路构成，其中，所述第一组合电路和第三组合电路的信号输入端连接电路模块实验箱的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端，所述第二组合电路和第四组合电路的信号输入端连接电路模块实验箱的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端，所述第一反相器和第二反相器电路的信号输出分别连接第一加法器的信号输入端，所述第二比例器电路和第三反相器电路的信号输出分别连接第二加法器的信号输入端。
[0012] 进一步的，所述的第一组合电路、第二组合电路、第三组合电路和第四组合电路结构相同，均包括有：依次串联构成回路的第三加法器、第四反相器电路、第三德玻积分器电路、第四德玻积分器电路和第五反相器电路，其中，所述第三加法器两个输入端中的一个输入端连接电路模块实验箱的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端或连接电路模块实验箱的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块的信号输出端，所述第四德玻积分器电路的输出构成第一组合电路或第二组合电路或第三组合电路或第四组合电路的输出并对应连接第一反相器或第一德玻积分器电路或第二德玻积分器电路或第三反相器电路。
[0013] 另一种技术方案如下：一种便携式综合实验箱的应用，通过所述便携式综合实验箱可实现信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验，在信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验的基础上进行的闭合回路调试实验，以及在信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号调零电路实验和执行器驱动实验的基础上进行的辨识实验和基于上位机进行的闭合回路调试实验。
[0014] 另一种技术方案如下：一种便携式综合实验箱的实验方法，包括信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验、闭合回路调试实验、辨识实验和基于上位机进行的闭合回路调试实验；
[0015] 所述信号放大电路实验包括如下步骤：
[0016] 101)根据
输入信号的幅值、
频率以及设计的放大倍数，实验者设计并搭建单级放大电路；
[0017] 102)分别记录搭建的单级放大电路和电路模块实验箱中用于信号放大实验模块的仪用放大电路对1Hz、10HZ、100Hz、1KHz和10KHz的共模输入信号的响应，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路的共模抑制比；
[0018] 103)将搭建的单级放大电路和仪用放大电路的放大倍数均调为20倍，后逐渐增加差模输入信号的频率，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路放大倍数达到设定的20倍时的频率，并得到单级放大电路和仪用放大电路带宽与增益的关系；
[0019] 104)将搭建的单级放大电路的输入，通过接线端子接到表头选通开关的信号输出端，替代电路模块实验箱中的信号放大实验模块，观测此时搭建的单级放大电路在回路中的
输出信号的噪声
水平；
[0020] 所述信号滤波电路实验包括如下步骤：
[0021] 201)根据
带通滤波要实现的中心频率和品质因数的设定，实验者选择带通
滤波器的电路结构，计算相应电路结构中的
电阻和电容值；
[0022] 202)利用电路仿真软件得到所设计电路的频域响应曲线，以及实际的中心频率和品质因数，如果未达设计要求，则要进一步调整电路的结构和参数；
[0023] 203)根据仿真结果搭建相应的实际电路，测试电路频域响应曲线，与仿真得到的曲线对比，如果一致通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱中的信号滤波实验模块，观测此时搭建的信号滤波电路的带通滤波效果；
[0024] 所述信号解调电路实验包括如下步骤：
[0025] 301)确定输入信号的幅值与频率，实验者搭建乘法器解调电路；
[0026] 302)对搭建的乘法器解调电路中的
移相器相位进行调节，直至移相器的输出与电路模块实验箱中信号滤波实验模块的输出信号相位完全一致，然后通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱中的信号解调实验模块，观测所搭建的乘法器解调电路输出信号的幅值和噪声水平；
[0027] 所述信号运算电路实验包括如下步骤：
[0028] 401)实验者根据设定的矩阵参数确定实现矩阵运算的电路中的电阻和电容参数；
[0029] 402)在电路仿真软件中进行矩阵运算的仿真，使用方波信号进行电路运算结果的验证，观察仿真结果，调整参数直到对轴得到三
角波信号，而同轴得到与输入方波信号成比例关系的方波信号；
[0030] 403)搭建信号运算电路，利用方波进行实验验证，观察实验结果，如果与仿真结果一致，就通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱中的信号运算实验模拟电路模块，观测所搭建的信号运算电路在回路中的解耦效果；
[0031] 所述校正电路实验包括如下步骤：
[0032] 501)确定基于动力调谐陀螺仪再平衡回路预计的校正目标参数，预期的截止频率和相角裕度；
[0033] 502)实验者利用数学仿真软件仿真得到校正电路参数和回路的开闭环幅频特性，计算得到校正电路中具体的电容和电阻值；
[0034] 503)实验者搭建校正电路，通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱中的校正电路模拟实验模块，进行回路的阶跃响应测试，根据测试曲线得到回路实际的带宽；
[0035] 所述的执行器驱动实验包括如下步骤：
[0036] 601)实验者对普通运放电路的驱
动能力进行测试，得到普通运放电路的最大输出
电流；
[0037] 602)选择适合线圈驱动的功率放大芯片，使用选择的功率放大芯片搭建放大电路，测试所述放大电路输出的最大电流，如果最大电流大于2A，接入模拟力矩线圈，检验是否能够提供2A的驱动，如果可以，则通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱上的执行器驱动实验模块，否则重新选择功率放大芯片。
[0038] 进一步的，所述的闭合回路调试实验包括如下步骤：
[0039] 801)改变动力调谐陀螺仪机械表头或动力调谐陀螺仪模拟器输入的
角速度，观察动力调谐陀螺仪机械表头或动力调谐陀螺仪模拟器输出的已调信号的变化；
[0040] 802)依次观测搭建的信号放大电路，信号滤波电路的输出；
[0041] 803)调节好搭建的信号解调电路中的移相电路，观测信号解调电路的输出；
[0042] 804)在动力调谐陀螺仪机械表头或动力调谐陀螺仪模拟器输入的x轴或y轴的角速度时，观测并记录搭建的信号运算实验模拟电路模块的输出；
[0043] 805)将搭建的校正电路和执行器驱动电路也接入回路中，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪机械表头或动力调谐陀螺仪模拟器x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合，需再次根据校正电路实验的仿真结果，进一步调节校正电路参数。
[0044] 进一步的，所述的辨识实验和基于上位机进行的闭合回路调试实验包括如下步骤：
[0045] 901)模式选通开关切换至连接上位机接口的状态，上位机接口的输出端口分别连接执行器驱动实验模块x轴和y轴的输入端，上位机接口的输入端口分别连接信号调零实验模块x 轴和y轴的输入端口；
[0046] 902)表头选通开关连接模拟器接口，调用上位机程序对动力调谐陀螺仪模拟器进行辨识，调用信号运算电路模块及校正电路模块的上位机程序，将信号运算的参数依据辨识结果进行设定，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪模拟器x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合；
[0047] 903)表头选通开关连接机械表头接口，调用上位机程序对动力调谐陀螺仪机械表头进行辨识，调用信号运算及校正电路的上位机程序，将信号运算的参数依据辨识结果进行设定，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪机械表头x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合；
[0048] 904)在步骤902)、步骤903)回路成功闭合后，将模式选通开关切换至连接信号运算电路模块及校正电路模块的状态，将模拟/数字模式选通切换至连接数字运算控制回路的状态，将辨识数据传入DSP中，检测回路闭合效果；同时实验者也能够依据辨识数据自行设计信号运算模拟电路，对信号运算实验模拟电路模块进行替换，进行对比性实验。
[0049] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0050] 1.本发明实验箱及方法，以陀螺仪再平衡回路为基础设计测控电路综合实验，集成了信号调制、放大、滤波、解调、调零、运算、控制和执行器驱动等八大电路模块的设计与调试，既可以在本实验系统进行各模块的独立实验，也可以将实验系统的各个独立模块相互衔接构成一个
闭环系统，完成陀螺仪再平衡回路这个综合实验，不仅能让实验者熟悉掌握各类电路模块的设计，还能引导实验者学习闭环系统电路的设计方法。
[0051] 2.传统的模拟运算及控制电路相对
固化，本实验系统增加了数字模块部分，采用DSP及其外围电路的实现，对于实验者的模拟电路数字化理论的推导，以及实践操作能力的提升都有很大的帮助，使得本实验系统的运算及控制电路的设计更加灵活，增强本实验系统的实验性。
[0052] 3.为了给实验系统的运算电路提供参数依据，本实验系统还新增了动力调谐陀螺仪辨识部分，有效地解决了动力调谐陀螺仪应用于实验者实验中模型模糊的问题。使得实验者能够在一套实验系统的学习过程中，掌握测控电路中基本独立模块的设计及应用，掌握测控电路在闭环控制系统中的功能。系统辨识部分主要采用NI采集卡及NI-LabVIEW软件实现上位机信号处理，拓展实验者的上位机与下位机的通讯方法的认知，及模拟电路数字化实现方式的钻研。
[0053] 4.本发明还提供了一种陀螺仪模拟器的设计方法，完全可替代陀螺仪机械表头，实验者也可以依据辨识得到的结果自行设计陀螺仪模拟器，既锻炼自身电路设计能力，又有效地克服了动力调谐陀螺仪造价过高的问题。
[0054] 5.本发明实验箱可完成信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验、闭合回路调试实验、辨识实验和基于上位机进行的闭合回路调试实验等多种实验。
附图说明
[0055] 图1是本发明测控电路综合实验箱的系统结构示意图。
[0056] 图2是信号运算电路模块及校正电路模块结构示意图。
[0057] 图3a至图3g是实验系统模拟部分各模块电路原理图。其中：
[0058] 图3a为信号放大实验电路。图3b为信号滤波实验电路。图3c为信号解调实验电路。
[0059] 图3d为信号运算实验电路。图3e为校正实验电路。图3f为调零实验电路。
[0060] 图3g为执行器驱动电路。
[0061] 图4是动力调谐陀螺仪模拟器设计
框图。
[0062] 图5是动力调谐陀螺仪模拟器部分
硬件电路原理图。
[0063] 附图标记：
[0064] 101：电源模块 102：动力调谐陀螺仪机械表头[0065] 103：动力调谐陀螺仪模拟器 104：机械表头接口
[0066] 105：模拟器接口 106：表头选通开关
[0067] 107：信号放大实验模块 108：信号滤波实验模块[0068] 109：信号解调实验模块 110：信号调零实验模块[0069] 111：上位机接口 112：模式选通开关
[0070] 113：信号运算电路模块及校正电路模块 115：执行器驱动实验模块[0071] 1031：第一函数模拟器 1032：第二函数模拟器[0072] 1033：第三函数模拟器 1034：第四函数模拟器[0073] 1035：第一加法器 1036：第一信号调制模块[0074] 1037：第二加法器 1038：第二信号调制模块[0075] 10311：第一组合电路 10312：第一反相器电路[0076] 10321：第二组合电路 10322：第一德玻积分器电路[0077] 10323：第一比例器电路 10324：第二反相器电路[0078] 10331：第三组合电路 10332：第二德玻积分器电路[0079] 10333：第二比例器电路 10341：第四组合电路
[0080] 10342：第三反相器电路 103111：第四反相器电路[0081] 103112：第三加法器 103113：第三德玻积分器电路[0082] 103114：第四德玻积分器电路 103115：第五反相器电路[0083] 11301：模拟/数字模式选通 11302：数字运算控制回路[0084] 11303：信号运算实验模拟电路模块
[0085] 11304：校正电路模拟实验模块
[0086] 113021：AD转换 113022：DA转换
[0087] 113023：数字运算控制主控芯片及外部电路
具体实施方式
[0088] 以下结合附图和具体
实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0089] 本发明的动力调谐陀螺仪模拟/数字再平衡回路的测控电路综合实验箱及方法，旨在解决现有实验箱在电路模块不能够全面提升实验者测控电路设计能力与实验者系统思维能力，以及弥补控制知识应用缺失等方面的不足。陀螺仪再平衡回路，是动力调谐陀螺仪信号器和力矩器这两个传感和执行部分之间的重要环节，是基于陀螺仪的测控系统稳定工作在闭环方式下的关键组成部分，以此为基础设计测控电路综合实验，不仅能让实验者熟悉掌握各类电路模块的设计及了解其在系统中的作用，还能引导实验者学习闭环测量控制电路的设计方法。
[0090] 如图1所示，本发明的动力调谐陀螺仪模拟/数字再平衡回路的测控电路综合实验箱及方法，包括电源模块101和动力调谐陀螺仪机械表头102，还设置有动力调谐陀螺仪模拟器103 和用于分别连接动力调谐陀螺仪机械表头102的机械表头接口104、连接动力调谐陀螺仪模拟器103的模拟器接口105、表头选通开关106、信号放大实验模块107、信号滤波实验模块 108、信号解调实验模块109、信号调零实验模块110、模式选通开关112、上位机接口111、信号运算电路模块及校正电路模块113和执行器驱动实验模块115的电路模块实验箱
114，所述的电源模块101为动力调谐陀螺仪机械表头102、动力调谐陀螺仪模拟器103和电路模块实验箱114提供电源，在模式选通开关112如图1所示的状态时，在表头选通开关106在不同状态时，分别可以使得所述动力调谐陀螺仪机械表头102通过机械表头接口104连接电路模块实验箱114构成闭合回路，以及所述动力调谐陀螺仪模拟器103通过模拟器接口
105连接电路模块实验箱114构成闭合回路。
[0091] 如图2所示，当模拟/数字模式选通11301在当前状态时，电路模块实验箱114的信号运算电路模块及校正电路模块113是以模拟电路形式在系统中体现，信号经由信号运算实验模拟电路模块11303实现矩阵运算D(s)，再经过校正电路模拟实验模块11304后输出；当模拟 /数字模式选通11301状态切换后，电路模块实验箱114的信号运算电路模块及校正电路模块 113是以数字电路形式在系统中体现，数字运算控制回路11302同样起到信号运算电路模块及校正电路模块113在模拟电路形势下的作用，信号经过AD转换113021后，由数字运算控制主控芯片及外部电路113023进行处理，再经由DA转换113022进行输出。
[0092] 如图1所示，当模式选通开关112状态切换后，上位机接口111连接NI采集卡与PC机进行连接，由动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103、信号放大实验模块107、信号滤波实验模块108、信号解调实验模块109、信号调零实验模块110、执行器驱动实验模块115及上位机系统共同构成动力调谐陀螺仪闭环辨识系统，模式选通开关112在此状态下也可通过上位机实现信号运算电路模块及校正电路模块电路功能。
[0093] 如图4所示，所述的动力调谐陀螺仪模拟器103包括有第一函数模拟器1031、第二函数模拟器1032、第三函数模拟器1033和第四函数模拟器1034，其中，所述第一函数模拟器1031 和第三函数模拟器1033的信号输入端连接电路模块实验箱114的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MX，所述第二函数模拟器1032和第四函数模拟器1034的信号输入端连接电路模块实验箱114的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MY，所述第一函数模拟器1031和第二函数模拟器1032的信号输出分别连接第一加法器 1035的信号输入端，所述第一加法器1035的信号输出端通过第一信号调制模块1036连接电路模块实验箱114的第一X轴电路中的信号放大实验模块107的信号输入端UOX，所述第三函数模拟器1033和第四函数模拟器1034的信号输出分别连接第二加法器1037的信号输入端，所述第二加法器1037的信号输出端通过第二信号调制模块1038连接电路模块实验箱
114的第一Y轴电路中的信号放大实验模块107的信号输入端UOY。
[0094] 所述的第一函数模拟器1031是由依次串联的第一组合电路10311和第一反相器10312构成，所述的第二函数模拟器1032是由依次串联的第二组合电路10321、第一德玻积分器电路 10322、第一比例器电路10323和第二反相器电路10324构成，所述第三函数模拟器1033是由依次串联的第三组合电路10331、第二德玻积分器电路10332和第二比例器电路
10333构成，所述第四函数模拟器1034是由依次串联的第四组合电路10341和第三反相器电路10342 构成，其中，所述第一函数模拟器1031和第三组合电路10331的信号输入端连接电路模块实验箱114的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MX，所述第二组合电路10321和第四组合电路10341的信号输入端连接电路模块实验箱114的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MY，所述第一反相器10312和第二反相器电路
10324 的信号输出分别连接第一加法器1035的信号输入端，所述第二比例器电路10333和第三反相器电路10342的信号输出分别连接第二加法器1037的信号输入端。
[0095] 如图5所示，所述的第一组合电路10311、第二组合电路10321、第三组合电路10331和第四组合电路10341结构相同，均包括有：依次串联构成回路的第三加法器103112、第四反相器电路103111、第三德玻积分器电路103113、第四德玻积分器电路103114和第五反相器电路103115，其中，所述第三加法器103112两个输入端中的一个输入端连接电路模块实验箱114的第二X轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MX或连接电路模块实验箱114的第二Y轴电路中的执行器驱动实验模块115的信号输出端MY，所述第四德玻积分器电路103114的输出UO构成第一组合电路10311或第二组合电路10321或第三组合电路 10331或第四组合电路10341的输出对应连接第一反相器10312或第一德玻积分器电路
10322 或第二德玻积分器电路10332或第三反相器电路10342。
[0096] 如图5中箭头所示，MX、MY作为第三加法器103112的一个输入端，第三加法器的输出端连接第四反相器电路103111、第三、第四德玻积分器电路103113、103114得到的输出为信号输出Uo的测量
位置，该处的信号经过第五反相器电路103115反馈输入到第三加法器103112 的另一个输入端，形成
负反馈，从而得到
[0097] 动力调谐陀螺仪模拟器103通过第一函数模拟器1031、第二函数模拟器1032、第三函数模拟器1033和第四函数模拟器1034组合电路的设计，有效模拟动力调谐陀螺仪机械表头102 的输入输出形式，以替代成本较高的机械表头。主要实现的陀螺仪的数学模型和信号调制功能。动力调谐陀螺仪模拟器103内部存在着交叉轴耦合的现象，实现的具体传递函数G(s)(图 4中所示)为下式(1)，电路设计的难点在于二阶/三阶无阻尼系统的实现。
[0098]
[0099] 其中，J表示动力调谐陀螺仪机械表头102的
角动量，H表示动力调谐陀螺仪机械表头 102的
转动惯量； 项表示动力调谐陀螺仪机械表头102的进动特性，即一个轴上的作用力矩产生绕另一个轴上的转动，是动力调谐陀螺仪机械表头102的主传输项；项表示动力调谐陀螺仪机械表头102的刚体特性，即一个轴上的作用力矩产生绕同一轴的转动，是不希望存在的动力调谐陀螺仪机械表头102的耦合项。
[0100] 该传递函数G(s)在动力调谐陀螺仪机械表头102中实现的运算为：
[0101]
[0102] 其中，Mx、My分别是X轴和Y轴执行器驱动的输入，Ux和Uy是X轴和Y轴信号器的输出，Φx、Φy分别是X轴和Y轴外界的角速度输入。
[0103] 电路模块实验箱114与动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103相接。机械表头接口104和模拟器接口105分别连接动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103，表头选通开关106负责进行动力调谐陀螺仪机械表头102和动力调谐陀螺仪模拟器103两种方式的选择。表头选通开关106连接信号放大实验模块107、信号滤波实验模块108、信号解调实验模块109、信号调零实验模块110、模式选通开关112连接信号运算电路模块及校正电路模块113和执行器驱动实验模块115后构成闭合回路。
[0104] 如图1所示，所述的电路模块实验箱114包括有两路结构完全相同的X轴电路和Y轴电路，以及如图2所示信号运算电路模块及校正电路模块113中的信号运算实验模拟电路模块 11303，所述的X轴电路和Y轴电路都是由依次串联连接的信号放大实验模块107、信号滤波实验模块108、信号解调实验模块109和信号调零实验模块110，以及信号运算电路模块及校正电路模块113中的校正电路模拟实验模块11304和执行器驱动实验模块115构成。其中，所述信号放大实验模块107的信号输入端都通过表头选通开关106连接机械表头接口104或模拟器接口105的X轴信号输出端和Y轴信号输出端，所述信号调零实验模块110的信号输出端对应连接所述信号运算电路模块及校正电路模块113的X轴信号输入端和Y轴信号输入端，所述信号运算实验模拟电路模块11303的X轴信号输出端和Y轴信号输出端对应连接所述校正电路模拟实验模块11304的信号输入端，所述执行器驱动实验模块115的信号输出端通过表头选通开关106对应连接机械表头接口104或模拟器接口105的X轴信号输入端和Y 轴信号输入端。
[0105] 如图1所示，所述的信号放大实验模块107输入输出端，信号滤波实验模块108、信号解调实验模块109、信号调零实验模块110、信号运算实验模拟电路模块11303、校正电路模拟实验模块11304和执行器驱动实验模块115的连接点之间，以及执行器驱动实验模块115 的信号输出端均分别设置有用于连接替换对应电路模块的接线端子。在实验过程中，实验者可自行搭建等效电路通过电路模块实验箱114上的接线端子替换电路模块实验箱
114上的电路进行对比实验。
[0106] 所述电路模块实验箱114中基础电路如图3a至图3g所示，其中，图3a为107的电路原理图，图3b为信号滤波实验模块108的电路原理图，图3c为信号解调实验模块109的电路原理图，图3d为信号运算实验模拟电路模块11303的电路原理图，图3e为校正电路模拟实验模块11304的电路原理图，图3g为执行器驱动实验模块115的电路原理图，图3f为信号调零实验模块110的电路原理图。
[0107] 信号放大实验模块107用于对动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103 内部电感传感器输出的微弱
电压信号进行测量放大，以提高
信噪比，便于阻抗匹配。电路模块实验箱114配有仪用放大电路，如图3a可供实验者进行测试。
[0108] 信号滤波实验模块108在对动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103 的信号经信号放大实验模块107输出信号进行前置放大后，需要进一步滤除来自环境、器件本身的干扰。就需要使用带通滤波电路对输入的调幅信号进行选频放大。电路模块实验箱114 配有带通滤波电路如图3b，可供实验者测试。
[0109] 信号解调实验模块109，动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103信号器输出偏摆信号是调制在激磁信号上的调幅信号，经过前置放大和带通滤波后，需要采用检波电路将调幅信号还原为与陀螺
转子相对陀螺壳体偏摆成线性关系的电压信号。
电路模块实验箱114准备了乘法器解调电路，如图3c，学生可自行搭建其他形式的解调电路对电路模块实验箱114中的信号解调实验模块109进行外部替换，更好的了解不同解调电路的特性。在经过初步处理的信号可能存在电压偏置，对系统的闭环有一定的影响，电路模块实验箱114 准备了调零电路实验电路(如图3f)。信号运算实验模拟电路模块11303实现的是动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103的解耦运算，电路模块实验箱
114准备了实现矩阵运算的信号运算实验电路(如图3d)供实验者用来进行对比实验。信号运算实验模拟电路模块11303具体实现的矩阵运算为D(s)如式(3)：
[0110]
[0111] G(s)与D(s)相乘后有式(4)，从而得到对角矩阵，实现解耦运算。
[0112]
[0113] 校正电路模拟实验模块11304：动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器 103的再平衡回路，是一个实现动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103 自
锁定的闭环回路，是一个典型随动系统。通过校正，系统应该达到一定指标要求。对再平衡回路的基本要求可以归纳为：
[0114] 1)闭环稳定，并具有一定的幅值和相角稳定裕度。
[0115] 2)满足规定的动、静态指标。静态指标是指系统在角度常值、速率和角
加速度输入信号下的稳态偏差；良好的动态指标是指系统及时
跟踪角速率变化的能力，具有足够的带宽。
[0116] 3)能提供足够的加矩电流，平衡最大的输入角速度，在承受最大
角加速度时转子偏角不超过规定的范围。
[0117] 电路模块实验箱114配有校正电路实验电路，如图3e可供实验者进行测试。
[0118] 执行器驱动实验模块115，通常，经过前面各个环节处理后的信号功率很小，不足以驱动力矩线圈输出足够的力矩，所以需要对信号进行功率放大，提高再平衡回路的驱动能力。功率放大电路由线性功率
放大器件组成，输出力矩电流，驱动动力调谐陀螺仪机械表头102 或动力调谐陀螺仪模拟器103力矩器对陀螺转子施矩。利用力矩电流
采样电阻，将再平衡回路输出的力矩电流转化为电压，经过滤波、放大后，实现对外界角速度的测量。电路模块实验箱114配有执行器驱动实验电路，图3g可供实验者进行测试。
[0119] 本发明所述的基于动力调谐陀螺仪再平衡回路的测控电路综合实验箱的实验方法，包括分别进行的：信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验，以及在信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验、执行器驱动实验的基础上进行的闭合回路调试实验及拓展实验。其中：
[0120] 一)所述的信号放大电路实验包括如下步骤：
[0121] 1)根据输入信号的幅值、频率以及设计的放大倍数，实验者设计并搭建单级放大电路；
[0122] 2)分别记录搭建的单级放大电路和电路模块实验箱114中用于信号放大实验模块107的仪用放大电路对1Hz、10HZ、100Hz、1KHz和10KHz的共模输入信号的响应，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路的共模抑制比；
[0123] 3)将搭建的单级放大电路和仪用放大电路的放大倍数均调为20倍，然后逐渐增加差模输入信号的频率，分别得到搭建的单级放大电路和仪用放大电路放大倍数不能达到设定的20 倍时的频率，并得到单级放大电路和仪用放大电路带宽与增益的关系；
[0124] 4)将搭建的单级放大电路的输入，通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114 中的信号放大实验模块107，观测此时搭建的单级放大电路在回路中的输出信号的噪声水平。
[0125] 二)所述的信号滤波电路实验包括如下步骤：
[0126] 1)根据带通滤波要实现的中心频率和品质因数的设定，实验者选择
带通滤波器的电路结构，如无限增益多路反馈型滤波器，压控电压源型滤波器等，计算相应电路结构中的电阻和电容值；
[0127] 2)利用电路仿真软件(例如multisim、preteus等进行电路仿真)得到所设计电路的频域响应曲线，以及实际的中心频率和品质因数，如果未达设计要求，则要进一步调整电路的结构和参数；
[0128] 3)根据仿真结果搭建相应的实际电路，测试电路频域响应曲线，与仿真得到的曲线对比，如果一致通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114中的信号滤波实验模块108，观测此时搭建的信号滤波电路的带通滤波效果。
[0129] 三)所述的信号解调电路实验，包括如下步骤：
[0130] 1)确定输入信号的幅值与频率，实验者搭建乘法器解调电路；
[0131] 2)对搭建的乘法器解调电路中的移相器相位进行调节，直至移相器的输出与电路模块实验箱114中信号滤波实验模块108的输出信号相位完全一致，然后通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114中的信号解调实验模块109，观测所搭建的乘法器解调电路输出信号的幅值和噪声水平；
[0132] 选做：
[0133] 3)实验者搭建开关解调电路，观测每个周期内搭建的开关解调电路中的参考输入信号和信号滤波实验模块108的输出信号在同相和反相两种情况下，所述的开关解调电路的输出信号的幅值是否一致，如果一致保存所述的开关解调电路，否则修正所述的开关解调电路。
[0134] 四)所述的信号运算电路实验包括如下步骤：
[0135] 1)实验者根据设定的矩阵参数确定实现矩阵运算的电路中的电阻和电容参数；
[0136] 2)在电路仿真软件中进行矩阵运算的仿真，使用方波信号进行电路运算结果的验证，观察仿真结果，调整参数直到对轴得到三角波信号，而同轴得到与输入方波信号成比例关系的方波信号；
[0137] 3)搭建信号运算电路，利用方波进行实验验证，观察实验结果，如果与仿真结果一致，就通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114中的信号运算实验模拟电路模块11303，观测所搭建的信号运算电路在回路中的解耦效果。
[0138] 五)所述的校正电路实验包括如下步骤：
[0139] 1)确定基于动力调谐陀螺仪再平衡回路预计的校正目标参数，预期的截止频率和相角裕度；
[0140] 2)实验者利用数学仿真软件(如LabVIEW、MATLAB等进行控制系统设计仿真)仿真得到校正电路参数和回路的开闭环幅频特性，计算得到校正电路中具体的电容和电阻值；
[0141] 3)实验者搭建校正电路，通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114中的校正电路模拟实验模块11304，进行回路的阶跃响应测试，根据测试曲线得到回路实际的带宽。
[0142] 六)所述的执行器驱动电路实验包括如下步骤：
[0143] 1)实验者对普通运放电路如op07的驱动能力进行测试，得到普通运放电路的最大输出电流；
[0144] 2)选择适合线圈驱动的功率放大芯片，使用选择的功率放大芯片搭建放大电路，测试所述放大电路输出的最大电流，如果最大电流大于2A，接入模拟力矩线圈，检验是否能够提供 2A的驱动，如果可以，则通过接线端子接到回路中，替代电路模块实验箱114上的执行器驱动实验模块115，否则重新选择功率放大芯片。
[0145] 七)所述的闭合回路调试实验包括如下步骤：
[0146] 1)改变动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输入的角速度，观察动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输出的已调信号的变化；
[0147] 2)依次观测搭建的信号放大电路，信号滤波电路的输出；
[0148] 3)调节好搭建的信号解调电路中的移相电路，观测信号解调电路的输出；
[0149] 4)在动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103输入的x轴或y轴的角速度时，观测并记录搭建的信号运算电路的输出；
[0150] 5)将搭建的校正电路和执行器驱动电路也接入回路中，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪机械表头102或动力调谐陀螺仪模拟器103x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合，即其输出的为饱和的电源直流电平或者为震荡信号，则未能实现闭合，需再次根据校正电路实验的仿真结果，进一步调节校正电路参数。
[0151] 八)拓展实验包括如下步骤：
[0152] 模式选通开关112切换至连接上位机接口111的状态，上位机接口111的输出端口分别连接执行器驱动实验模块x轴和y轴的输入端，上位机接口111的输入端口分别连接信号调零实验模块x轴和y轴的输入端口。
[0153] 1)表头选通开关106连接模拟器接口105，调用上位机程序对动力调谐陀螺仪模拟器进行辨识，调用信号运算及校正电路的上位机程序，将信号运算的参数依据辨识结果进行设定，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪模拟器103x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合。
[0154] 2)表头选通开关106连接机械表头接口104，调用上位机程序对动力调谐陀螺仪机械表头进行辨识，调用信号运算及校正电路的上位机程序，将信号运算的参数依据辨识结果进行设定，构成闭合回路，观测在没有角速度扰动时，动力调谐陀螺仪机械表头102x轴和y轴轴输出幅值是否小于200mv，如果是则回路已经成功闭合；否则未能实现闭合。
[0155] 3)实验1)、实验2)回路成功闭合后，将模式选通开关112切换至连接信号运算电路模块及校正电路模块113的状态，将模拟/数字模式选通11301切换至连接数字运算控制回路 11302的状态，将辨识数据传入DSP中，检测回路闭合效果。学生也可以依据辨识数据自行设计信号运算模拟电路，对信号运算实验模拟电路模块11303进行替换，进行对比性实验。
[0156] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
