CN102621884B - MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该电路由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大电路9，相位补偿电路10，谐振电路11，数字转换电路12，模拟开关13，带通滤波器14，解调器15，低通滤波器16组成。本发明提出的电路能够消除驱动耦合信号对陀螺检测信号的影响；提高检测模态的两路全差分信号的对称性，消除非对称直流分量；将输出的脉宽密度调制数字信号b(t)做进一步的处理，得到模拟角速度信号Ω(t)输出。

Description

MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS陀螺检测模态的闭环控制电路，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。

背景技术

MEMS陀螺是一种重要的惯性传感器。它相对于传统光纤陀螺和激光陀螺而言，具有外形尺寸小、重量轻、功耗低、成本低等优点，因此用MEMS陀螺实现的惯性仪表广泛的用于各种运动物体的姿态及位置信息检测，特别是精确制导武器、无人机等军事领域更是对高精度的微型惯性传感器提出了明确的需求。但是MEMS陀螺通常需要借助额外的控制系统来对其控制或者对误差进行补偿，从而提高精度。例如MEMS陀螺的驱动模态自激振荡闭环控制相比较开环驱动能够提高其在驱动模态的频率稳定性和幅值稳定性；而检测模态的闭环控制电路是通过加载反馈电压产生反馈静电力将陀螺的中心质量块拉回到原点位置，能够有效的抑制系统的非线性因素，提高系统的带宽和检测输出信号的零偏稳定性。MEMS陀螺检测模态的闭环控制电路通常有两种：模拟闭环控制电路和数字闭环控制电路。模拟闭环控制电路存在系统参数易受外界因素的影响，反馈控制静电力容易过大导致中心质量块吸附到电极上，系统实现难度大等缺点。而数字闭环控制可以有效的解决中心质量块容易吸附到电极上的问题，系统实现简单，稳定性好等优点，所以MEMS陀螺检测模态的数字闭环控制电路一直是研究的热点和重点。2000年，美国加州大学伯克利分校的江雪松首先实现了MEMS陀螺检测模态的高阶低通sigma-delta闭环控制电路(ΣΔΜ闭环控制电路)，但该系统需要较高的采样频率，系统实现难度大；2005年，英国南安普顿大学的董云峰,Michael Kraft等人提出了MEMS陀螺检测模态的6阶连续带通ΣΔΜ闭环控制电路，不仅大大降低了采样频率，使得系统更加易于实现，而且提高了系统的信噪比（SNR），带宽以及零偏稳定性等。其原理框图参照图3，信号的提取采用电荷放大器5，然后信号依次经过全差分放大电路9、相位补偿电路10、谐振电路11、数字转换电路12输出脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关13将反馈控制电压V_fb加载到反馈控制电极上，整个闭环控制电路对于系统噪声具有6阶整形能力，大大提高SNR，但是该控制系统存在以下几个方面的问题：

（1）MEMS陀螺在加工过程中，由于加工工艺的影响不可避免会产生寄生电容，导致驱动模态下的驱动信号容易通过寄生电容耦合到检测模态；（2）检测模态的信号前置提取电路采用全差分输出模式，这就要求两路全差分信号具有完全对称性，同时不能存在非对称的直流分量，否则影响信号的检测精度；（3）该系统中输出的脉宽密度调制数字信号b(t)并不是最终的角速度信号，b(t)需要与驱动信号V_d(t)做进一步的解调和滤波才能得到最终的角速度信号。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种改进的MEMS陀螺6阶连续带通ΣΔΜ闭环控制电路，能够消除驱动耦合信号对陀螺检测信号的影响；提高检测模态的两路全差分信号的对称性，消除非对称直流分量；将输出的脉宽密度调制数字信号b(t)做进一步的处理，得到模拟角速度信号Ω(t)输出。

参阅图2，MEMS陀螺结构4的检测模态可以等效为公共电极1，固定电极2，固定电极3组成，公共电极1与固定电极2、固定电极3之间的电容变化引起充放电电流变化，产生变化电流信号i(t)。

参阅图4，本发明提出的MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路，由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，第一低通滤波器8，全差分放大电路9，相位补偿电路10，谐振电路11，数字转换电路12，模拟开关13，带通滤波器14，解调器15，第二低通滤波器16组成。变化的电流信号i(t)经过频率为f₁的高频载波V_c(t)调制到高频段，V_c(t)加载到MEMS陀螺结构4的质量块上，也即为等效的公共电极1上；调制信号经过电荷放大器5后，将电流信号转换为电压信号V_i(t)；电荷放大器5的反馈电容采用可变电容用于调节两路全差分信号V_i(t)和V_i'(t)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；V_i(t)和V_i'(t)经过高通滤波器6将驱动模态耦合信号V_d'(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器6的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x,其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率也即耦合信号V_d'(t)的频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管7和第一低通滤波器8组成的解调电路进行解调和滤波，第一低通滤波器8的截止频率f_c2满足：f_y＜f_c2＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路9对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路10对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动

使得整个闭环控制回路的相移不等于2n　，因为根据闭环系统自激振荡的条件：如果满足闭环控制电路的相移等于2n　，闭环增益大于1，整个闭环系统将会自激振荡；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路11，谐振电路11包括串联的完全相同的谐振器a17和谐振器b18，谐振器a17和谐振器b18的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a17和谐振器b18在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路11之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路12，其包括比较器19和D触发器20，比较器19对V_i5(t)和V′_i5(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器20对b'(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)一路用于控制模拟开关13将反馈电压V_fb加载到陀螺检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器14将[f_y-BW,f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器15，与驱动信号V_d(t)进行解调，再通过第二低通滤波器16处理得到角速度信号Ω(t),第二低通滤波器16的截止频率f_c3满足：f_c3＞BW。

本发明的有益效果是：第一，电荷放大器5的反馈电容为可变电容，调节可变电容可以调节两路全差分信号的幅值，使其完全相等，提高对称性；第二，电荷放大器5之后用高通滤波器6来消除驱动耦合信号V_d'(t)；第三，脉宽密度调制数字信号b(t)，通过带通滤波器14，解调器15，第二低通滤波器16的处理得到模拟角速度信号Ω(t)。

附图说明

图1是本发明所针对的MEMS陀螺检测模态的电学模型示意图；

图2是本发明所针对的MEMS陀螺结构示意图；

图3是现有技术中董云峰等人提出的6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路示意图；

图4是本发明提出的6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路示意图；

图5是实施例中6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路示意图；

图中：

1－公共电极；2－固定电极I；3－固定电极II；4－MEMS陀螺结构；5－电荷放大器；6－高通滤波器；7－二极管；8－第一低通滤波器；9－全差分放大电路；10－相位补偿电路；11－谐振电路；12－数字转换电路；13－模拟开关；14－带通滤波器；15－解调器；16－第二低通滤波器；17－谐振器a；18－谐振器b；19－比较器；20－D触发器；21－反馈电极AI；22－反馈电极AII；23－检测电极AI；24－检测电极AII；

具体实施方式

实施例一：

本实施例中所针对的MEMS陀螺如图2所示，驱动和检测模态梳齿中心电容C_o＝3.43e-13F，驱动模态的谐振频率f_x＝4.30KHz为,检测模态的谐振频率f_y＝4.33KHz，带宽BW＝50Hz，m_x＝m_y＝2×10^-6Kg。

其检测模态的6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路参阅图5，整个电路系统由全差分电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，第一低通滤波器8，全差分放大电路9，相位补偿电路10，谐振电路11，数字转换电路12，模拟开关13，带通滤波器14，解调器15，第二低通滤波器16组成；首先外加驱动电压使得陀螺在驱动模态上谐振，谐振位移为x(t)＝a₁sin(ω_xt+φ)，其中ω_x＝2πf_x＝2π·4300，当有角速度Ω(t)输入时，由于科里奥利力

的作用，陀螺的质量块在检测模态上产生位移y(t)，导致检测电极AI23和检测电极AII24电容变化，例如检测电极AI23电容增大，检测电极AII24电容减小，引起充放电电流变化，该变化电流信号i(t)被V_c(t)＝10sin(2πf₁t)调制到高频段，其中f₁＝2MHz，V_c(t)加载到陀螺的质量块上。该调制信号经过电荷放大器5，将电流信号转换为全差分电压信号V_i(t)和V_i'(t)；其中一路电荷放大器5上的反馈电容为可变电容C_f，调节C_f使得V_i(t)和V_i'(t)幅值相等；然后V_i(t)和V_i'(t)经过高通滤波器6将驱动耦合信号V_d'(t)＝a₂sin(ω_xt+φ)滤除，高通滤波器6的截止频率f_c1＝100KHz；滤除驱动耦合信号之后得到V_i2(t)和V′_i2(t)，V_i2(t)和V′_i2(t)经过由二极管7和第一低通滤波器8组成解调电路进行解调和滤波，其中第一低通滤波器8的截止频率f_c2＝10KHz;解调和滤波后的两路信号进入增益G₁＝200的全差分放大电路9对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路10对V_i3(t)和V′_i3(t)进行的相位移动，使得整个闭环控制回路的相移总和不等于2nπ，防止闭环回路自激振荡，提高系统的稳定性；移相后的信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路11，谐振电路11包括谐振器a17和谐振器b18；谐振器a17和谐振器b18具有相同的结构，均包括串联的两个全差分运算放大器，谐振器a17的第一个全差分运算放大器A₁的反向输入端一路经过电阻R₁连到第二个全差分运算放大器A₂的反向输出端，另一路依次串联连接一个电容C₁、电阻R₂和电容C₂，连到A₂的正向输出端；谐振器a17的A₁的正向输入端一路经过电阻R₁'连到A₂的正向输出端，另一路依次串联连接一个电容C₁'、电阻R'₂和电容C'₂，连到A₂的反向输出端；谐振器a17的A₁的正向输出端，连入谐振器b18的第一个全差分运算放大器A₁'的负向输出端，谐振器a17的A₁的负向输出端，连入谐振器b18的A₁'的正向输出端；其中R₁＝R₂＝R₁'＝R'₂＝1.68kΩ，C₁＝C₂＝C₁'＝C'₂＝22nF，谐振器a17和谐振器a18的谐振中心频率 $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·(1.68\×{10}^3)\·(22\×{10}^{-9})}\≈4.30\mathrm{KHz},$ 谐振器b18的A′₁的正向和负向输出端输出信号为V_i5(t)和V′_i5(t)作为比较器19的两路输入信号；比较器19对V_i5(t)和V′_i5(t)进行比较，输出高电平为5V，低电平为0V的数字比较信号b'(t)，D触发器20对b'(t)进行采样和量化，采样频率为32KHz，最终输出1bit的数字脉宽密度调制数字信号b(t)，高电平为3.3V，低电平为0V；b(t)一路用于控制模拟开关从而将反馈电压V_fb＝1V加载到陀螺检测模态的反馈电极AI21和AII22上；b(t)另一路经过带通滤波器14将[4330-50,4330+50]频率范围外的量化噪声去除，然后进入解调器15，与驱动信号V_d(t)进行第二次解调，再通过截止频率f_c3＝100Hz的第二低通滤波器16处理得到陀螺的角速度信号Ω(t)。

Claims (1)

1.一种MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路，其特征在于：由电荷放大器（5），高通滤波器（6），二极管（7），第一低通滤波器（8），全差分放大电路（9），相位补偿电路（10），谐振电路（11），数字转换电路（12），模拟开关（13），带通滤波器（14），解调器（15），第二低通滤波器（16）组成；变化的电流信号i(t)经过频率为f₁的高频载波V_c(t)调制到高频段，V_c(t)加载到MEMS陀螺结构（4）的质量块上，也即为等效的公共电极（1）上；调制信号经过电荷放大器（5）后，将电流信号转换为电压信号V_i(t)；电荷放大器（5）的反馈电容采用可变电容用于调节两路全差分信号V_i(t)和V_i'(t)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；V_i(t)和V_i'(t)经过高通滤波器（6）将驱动模态耦合信号V_d'(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器（6）的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x,其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率也即模态耦合信号V_d'(t)的频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管（7）和第一低通滤波器（8）组成的解调电路进行解调和滤波，第一低通滤波器（8）的截止频率f_c2满足：f_y＜f_c2＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路（9）对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路（10）对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动

使得整个闭环控制回路的相移不等于2n　；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路（11），谐振电路（11）包括串联的完全相同的谐振器a（17）和谐振器b（18），谐振器a（17）和谐振器b（18）的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a（17）和谐振器b（18）在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路（11）之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路（12），其包括比较器（19）和D触发器（20），比较器（19）对V_i5(t)和V′_i5(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器（20）对b'(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；一路用于控制模拟开关（13）将反馈电压V_fb加载到陀螺检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器（14）将[f_y-BW,f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器（15），与驱动信号V_d(t)进行解调，再通过第二低通滤波器（16）处理得到角速度信号Ω(t),第二低通滤波器（16）的截止频率f_c3满足：f_c3＞BW。

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