CN104848847A - 一种陀螺仪传感器控制电路和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陀螺仪传感器控制电路和电子装置，涉及传感器技术领域。本发明的陀螺仪传感器控制电路，包括选通电路、电荷放大电路、积分器电路和模数转换电路，其中，所述选通电路的输入端与陀螺仪传感器的输出端相连，所述选通电路的输出端与所述电荷放大电路的输入端相连，所述电荷放大电路的输出端与所述积分器电路的输入端相连，所述积分器电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连。本发明的陀螺仪传感器控制电路，通过采用积分器电路代替现有技术中的混频电路、锁相环电路和低通滤波器，节省了电路面积，降低了电路功耗，并提高了系统信噪比。本发明的电子装置，使用了该陀螺仪传感器控制电路，同样具有上述优点。

Description

一种陀螺仪传感器控制电路和电子装置

技术领域

本发明涉及传感器技术，具体而言涉及一种陀螺仪传感器控制电路和电子装置。

背景技术

随着技术的进步，陀螺仪传感器已经被广泛运用于手机等移动便携设备上。陀螺仪（Gyro-scope）传感器的原理是利用科里奥力（Coriolis）检测和测量角速度。MEMS三轴陀螺仪通过在水平X方向施加振荡电压来迫使电容板水平方向振荡，水平Y方向的科里奥利运动带来电容变化，科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。通过在水平X方向和Y方向同时施加振荡电压迫使电容板与水平相垂直的方向振荡，再利用利用科里奥力检测水平方向的电容变化，得到对应的角速度。水平方向的谐振频率和垂直水平方向的谐振频率不同，当水平方向的振荡没有完全停止时，就垂直水平振荡电容板，则会在科里奥力中检测到含有垂直水平振荡的频率和残余的水平振荡的频率两个频率。只有去除这部分残余的水平振荡的频率才可以得到真正的角速度。

传统的陀螺仪传感器控制电路（主要指陀螺仪传感器模拟前端）如图1所示，包括选通电路101、电荷放大电路102、混频电路（也称混频器）103、锁相环电路1031、低通滤波器104、模数转换电路（ADC）105和数字滤波器106。其工作原理为：采用选通电路101选择陀螺仪传感器的某一个轴（X轴、Y轴或Z轴）的感应电荷，通过电荷放大电路102将电荷变化转化为电压信号，通过混频电路103把调制到高频的角速度信号搬到低频，低频的角速度信号经过低通滤波器104后输出到模数转换电路105，模数转换电路105输出的数字信号一般还需要输入到数字滤波器106进行数字滤波处理。其中，传感器的残余信号依靠混频电路103和低通滤波器105去除。混频电路103所用的本振时钟通常由锁相环电路1031提供。

在现有技术中，混频电路103是将调制到高频的角速度信号不失真的搬移到低频，与角速度混频的时钟由锁相环电路1031产生。锁相环电路1031中的低通滤波器使用的电容值较大，很难片内集成，需要外接，因而成本较高。角速度信号幅度很小，对混频电路103本身的噪声和线性要求很高，导致混频电路103的设计难度较大。低通滤波器104用于滤除低频信号中的传感器残余信号和噪声，通常使用连续的有源滤波电路。而连续的有源滤波电路需要使用放大器，不仅消耗很大电流，而且由于放大器本身的非线性，往往会导致信号失真。并且，经过滤波电路的信号直接输出到模数转换电路，由于信号本身很小，很容易被干扰，一般需要放大处理。传统的电阻比例放大电路和开关电容比例放大电路都会在放大信号的同时放大噪声信号，尤其是放大器本身的低频噪声（1/f噪声）和热噪声，所以放大的信号信噪比下降，后面在恢复信号时难度增加。

由此可见，现有的陀螺仪传感器控制电路，存在如下技术问题：当陀螺仪传感器水平方向振荡没完全停止时，会造成垂直振荡检测到的角速度含有水平方向的频率残余；而采用混频电路103去除传感器的残余信号，需要产生时钟电路的锁相环电路和外接电阻电容，导致电路整体上存在面积大、功耗大以及成本高等问题。混频电路103本身的器件噪声和热噪声会对角速度信号造成影响，导致信噪比下降。此外，低通滤波器104的带宽容易受工艺变化的影响，并随工作电压和温度的变化而变化。为解决上述问题，本发明提出一种新的陀螺仪传感器控制电路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种传感器控制电路和使用该传感器控制电路的电子装置。

本发明实施例一提供一种陀螺仪传感器控制电路，包括选通电路、电荷放大电路、积分器电路和模数转换电路，其中，所述选通电路的输入端与陀螺仪传感器的输出端相连，所述选通电路的输出端与所述电荷放大电路的输入端相连，所述电荷放大电路的输出端与所述积分器电路的输入端相连，所述积分器电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连。

可选地，所述积分器电路为可控增益的开关电容型积分器电路。

可选地，所述开关电容型积分器电路包括主放大器，还包括连接于所述主放大器的输入端与输出端之间的用于减小低频噪声以及所述主放大器的输入失调电压的斩波电路。

可选地，所述斩波电路的时钟与所述陀螺仪传感器的检测信号同频同相。

其中，所述积分器电路的放大倍数由所述积分器电路的时钟周期决定。

可选地，所述陀螺仪传感器控制电路还包括用于给所述陀螺仪传感器提供驱动信号的直接数字式频率合成器。

其中，所述直接数字式频率合成器包括频率控制寄存器、相位累加器和正弦计算器。

可选地，所述直接数字式频率合成器提供的所述驱动信号为正弦波。

可选地，所述陀螺仪传感器的驱动信号为正弦波，所述陀螺仪传感器输出的角速度信号为与所述驱动信号同频同相的正弦波，连接到所述积分器电路的正负端的控制信号为与所述角速度信号同步的方波，所述陀螺仪传感器控制电路通过所述控制信号对输入所述积分器电路的信号进行如下控制：当所述角速度信号的正弦相位大于零度而小于180度时，将所述角速度信号正向连接到所述积分器电路的输入端；当所述角速度信号的正弦相位大于180度而小于360度时，将所述角速度信号反转后反向连接到所述积分器电路的输入端。

本发明实施例二提供一种电子装置，包括如上所述的陀螺仪传感器控制电路。

本发明的陀螺仪传感器控制电路，通过采用积分器电路代替现有技术中的混频电路、锁相环电路和低通滤波器，节省了电路面积，降低了电路功耗，并提高了系统信噪比。本发明的电子装置，使用了该陀螺仪传感器控制电路，同样具有上述优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术中的一种陀螺仪传感器控制电路的原理图；

图2为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路的原理图；

图3为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路对角速度信号进行整形的原理图；

图4为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路对残余信号进行整形的原理图；

图5为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路的传感器残余信号去除的原理图；

图6为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路中的积分器电路的一种电路图；

图7为图6所示的电路中的斩波电路的一种电路图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

下面，参照图2至图7来描述本发明实施例的传感器控制电路。其中，图2为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路的原理图；图3为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路对角速度信号进行整形的原理图；图4为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路对残余信号进行整形的原理图；图5为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路的传感器残余信号去除的原理图；图6为本发明实施例一的陀螺仪传感器控制电路中的积分器电路的一种电路图；图7为图6所示的电路中的斩波电路的一种电路图。

如图2所示，本实施例的陀螺仪传感器控制电路包括选通电路201、电荷放大电路202、积分器电路203、模数转换电路（ADC）204和数字滤波器205。其中，选通电路201的输入端连接陀螺仪传感器（图2未示出）的输出，选通电路201的输出端与电荷放大电路202的输入端相连，电荷放大电路202的输出端与积分器电路203的输入端相连，积分器电路203的输出端与模数转换电路204的输入端相连，模数转换电路204的输出端与数字滤波器205的输入端相连。在图2中，K表示积分器电路203的放大倍数。

在本实施例中，陀螺仪传感器控制电路的信号处理流程（即传感器前端信号处理流程）为：选通电路201选择陀螺仪传感器（简称传感器）的三轴中的某一轴（X轴、Y轴或Z轴）的信号（感应电荷），由电荷放大电路202将电荷变化转化成电压，再经过积分器电路（也称积分电路）203实现信号的放大，放大的信号被模数转换电路204转化成数字信号后送到数字滤波器205。其中，积分器电路203主要用于实现传感器残余信号的去除。在本实施例中，陀螺仪传感器可以采用压电薄膜（PZT）型陀螺仪传感器或其他任何陀螺仪传感器；选通电路201可以采用现有的各种可行的开关电路，例如多路器等。关于陀螺仪传感器与选通电路201的连接关系，可以采用现有的各种方式，此处并不进行限定。

本实施例的陀螺仪传感器控制电路，主要用于对传感器采集的信号进行前端处理，在数字滤波器205之后可以连接其他电路进行后续处理；并且，在模数转换后的数字信号的信噪比满足要求的情况下，数字滤波器205可以省略。本实施例的陀螺仪传感器控制电路，使用积分器电路203替代现有技术中的混频电路和锁相环电路来实现传感器残余信号的去除，简化了系统设计。

下面，对本发明实施例对陀螺仪传感器的输出信号进行整形的原理进行阐述。示例性地，如图3所示，传感器的驱动信号选用正弦波，传感器输出的角速度信号（即图3中的检测信号）是与驱动信号同频同相的正弦波，角速度越大对应的正弦幅度越大。通过连接到积分器电路203正负端的控制信号（图3中的控制时钟）对输入积分器电路203的角速度信号进行控制，当传感器输出的角速度信号的正弦相位大于零度又小于180度时，将角速度信号正向连接到积分器电路203输入端；当传感器输出的角速度信号的正弦相位大于180度又小于360度时，反转角速度信号后反向接到积分器电路203的输入端。也就是说，输入积分器电路203的角速度信号是经过整形处理的信号，该信号的波形如图3所示。如图3所示，控制信号是一个与传感器输出的角速度信号同步的方波，通过控制信号连接到输入的正向或反向，达到整形传感器输出的角速度信号的目的。经过整形的信号才能被积分器电路203放大后输出，正弦信号的幅度越大，积分器电路203输出值越大。积分器电路203的输出与正弦波幅度成正比，即与角速度成正比。

在陀螺仪传感器工作时，通常先施加差分的振荡电压驱动X轴，频率是fx，检测Y方向的电荷变化。再同时在X轴和Y轴上施加振荡电压驱动Z轴，频率是fz，检测X方向和Y方向的电荷变化。由于X轴被连续驱动两次且频率不同，所以在第二次驱动时，第一次驱动造成的振动并没有完全停止，检测到的角速度信号（即检测信号）既含有频率为fz的角速度信号又含有fx的X轴驱动残余信号。

整形控制时钟与角速度信号同频且同相时，角速度信号在积分器电路203中被没有损失的积分，得到放大的电平信号，送到后级的模数转换电路204。传感器的残余是fz的频率中有fx的调制成分，当整形控制时钟与fz同频同相时，X轴和Y轴的角速度被积分放大，而残余信号的频率fx与fz不同频率不同相位，积分后应该为零。如图4所示，当积分时间是驱动信号和残余信号的整周期时，角速度信号积分放大，残余信号积分结果为零，既实现了真正的角速度信号的放大又去除了传感器的残余信号。

示例性地，在本实施例中，陀螺仪传感器的驱动信号为由直接数字式频率合成器（DDS）产生的特定频率的正弦波。而现有技术中的驱动信号一般为模拟信号。本实施例的DDS主要包括频率控制寄存器、相位累加器和正弦计算器。当需要频率为fx的正弦波时，可以通过设置频率控制寄存器Mx，使得K位的相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期累加，得到相对应的fx相位值；由正弦计算器根据fx相位值通过查表得到fx的正弦的幅度，将数字化的值经过数模转换电路和低通滤波输出频率为fx的模拟正弦波。采用类似的方法，可以获得频率为fz的正弦波作为驱动信号，此处不再赘述。在本实施例中，积分时间必须同时是两个周期（指频率为fx的正弦波与频率为fz的正弦波）的整倍数，如图5所示。由下面的公式1可以获得积分时间，而公式2是与之对应得积分周期数。因此，通过DDS可以精确控制积分周期，去除传感器的残余。

$T_{\mathrm{INT}}=\frac{i}{f_X-f_Z},i=\mathrm{1,2},...\left(1\right)$ $N_{\mathrm{INT}}=\frac{2^k}{M_X-M_Z}---\left(2\right)$

其中，在图5中，i代表同时是两个周期（指频率为fx的正弦波与频率为fz的正弦波）的整倍数的数值，例如图5中i=1,2,3分别代表1倍、2倍和3倍。TINT代表积分时间，NINT代表积分周期数。Mx为与频率fx对应的频率控制寄存器的数值，Mz为与频率fz对应的频率控制寄存器的数值，k代表相位累加器的位数。

显然，由直接式数字频率合成器产生传感器驱动信号，可以根据角速度信号频率和传感器残余信号的频率调节积分器电路203的积分周期，达到放大角速度信号同时去除传感器残余信号的目的。并且，采用数字电路比现有技术中的采用模拟电路的方式，实现起来更加容易和可靠。

当然，陀螺仪传感器的驱动信号也可以采用现有技术中各种其他可行的方式实现，在此并不进行限定。

下面，对本发明实施例的陀螺仪传感器控制电路中的积分器电路203进行介绍。本实施例中，积分器电路203可以采用现有技术中的各种积分电路，只需保证能够去除传感器本身的残余信号并对真正希望检测的信号进行放大即可。示例性地，积分器电路203如图6所示，采用可控增益的开关电容型积分器电路。该可控增益的开关电容型积分器电路采用全差分的结构，如图6所示，其包括1个放大器A3、4个开关P1、4个开关P2、4个电容（即，C1、C2、C3和C4）以及3个斩波电路（即，CHP1和CHP2），其中，斩波电路的具体电路结构如图7所示，本实施例的可控增益的开关电容型积分器电路所包含的元件以及元件间的连接关系如图6所示。其中，Vin为输入端，Vout为输出端。

传统的连续型放大器通过电阻比实现信号放大，对放大器带宽和噪声要求很高。同时放大器本身的offset（失调）电压也很难去除，最终影响系统的信噪比。而在本发明实施例中，积分电路203为可控增益的开关电容型积分器电路，信号增益由电容比例和积分周期决定。由于工艺中电容比精度一般可以达到1‰，高于电阻比精度以及电阻和电容的绝对精度，而且对电压和温度的变化不敏感，因此可以获得更精确的信号增益。而且，在积分器电路固定（此时电容比例不变）的情况下，由于积分周期具有可控性（可以调节），因此易于去除传感器本身的残余信号。也就是说，本实施例可以通过控制积分器电路203的时钟周期来改变信号的放大倍数，当周期一定时，放大倍数一定，不受工艺变化的影响也不随工作电压和温度的变化而变化。

本实施例的可控增益的开关电容型积分器电路，主放大器A3采用了斩波（chopping）技术（即，在积分器电路中包括斩波电路CHP1和CHP2，如图6所示），可以减小低频噪声（主要是1/f噪声）和输入端的直流offset（失调）电压。其中，斩波（Chopping）技术是一种调制技术，用于将低频的信号调制到高频；由于积分器本身相当于低通网路，因此被调制到高频的噪声信号在经过积分器（低通网络）时可以最终被衰减。在本实施例中，积分电容C4未使用Chopping（斩波）技术，以提高Chopping时钟的频率，避免放大器在每次Chopping时对电容C4反复充放电。根据Nyquist（奈奎斯特）采样定理，高的Chopping时钟频率则可以将较高的噪声信号进行调制，最终滤除掉。由于使用了斩波技术，使得对放大器本身噪声的要求降低，进而放大器的设计难度降低。由于在该积分器电路中，噪声被衰减，信号被放大，提高了信号的信噪比，因而使得信号的恢复更加容易。显然，在本实施例中，采用积分器电路203替代现有技术中的混频电路、锁相环电路和低通滤波器，可以既放大角速度信号又同时去除传感器的残余信号，不需要其它的时钟电路和外接器件，并且，由于积分器电路203整体上比现有技术中的混频电路、锁相环电路和低通滤波器的整体所占用的电路面积小、成本低而且功耗也低，因此，可以降低成本、节省电路面积并降低电路的功耗。

在本实施例中，可以使斩波（Chopping）技术的时钟与检测信号（传感器输出的信号）同频同相，这样既可以考虑到噪声和offset（失调）电压的去除，又能够较好地实现正弦的全波整形。经过整形后的正弦波通过积分器电路203积分得到角速度，并可以在积分过程中去除传感器本身的残余信号。

本发明实施例的陀螺仪传感器控制电路，通过采用积分器电路（例如开关电容型积分器）代替现有技术中的混频电路、锁相环电路和低通滤波器，减少了整个控制电路的子电路数量，节省了电路面积，并降低了功耗。而且，包括积分器电路在内的所有子电路（器件）均可以片内集成，与现有技术中需要外接电阻和电容的锁相环相比，大大节省了成本。此外，本实施例通过数字电路（DDS）控制积分周期，准确易行，去除传感器残余完全彻底；且受工艺和环境的影响小。并且，开关电容型积分电路易于控制放大倍数，同时由于采用了chopping技术去除放大器offset（失调）电压和减小噪声，降低了积分器电路203中的放大器的设计难度，提高了系统信噪比。

还有一点不容忽视的是，本实施例的陀螺仪传感器控制电路，由于不再存在混频电路和置于混频电路之后的低通滤波器，可以避免混频电路本身的器件噪声和热噪声对角速度信号的影响（导致信噪比下降），以及低通滤波器带宽受工艺变化的影响和随工作电压和温度的变化而变化的问题。

可见，本实施例的陀螺仪传感器控制电路，解决了传统电路中设计难度大，外接器件多，面积和功耗大，且噪声抑制能力弱等问题。在节省面积和降低功耗的同时，实现了对陀螺仪传感器残余信号的去除和对角速度信号（指真正的待检测信号）的放大，提高了信噪比。

实施例二

本发明实施例提供一种电子装置，其使用了根据实施例一所述的陀螺仪传感器控制电路。由于使用的传感器控制电路相对于现有技术具有电路面积小、功耗小以及信噪比高等优点，因此该电子装置同样具有上述优点，可以具有更好的性能。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，包括选通电路、电荷放大电路、积分器电路和模数转换电路，其中，所述选通电路的输入端与陀螺仪传感器的输出端相连，所述选通电路的输出端与所述电荷放大电路的输入端相连，所述电荷放大电路的输出端与所述积分器电路的输入端相连，所述积分器电路的输出端与所述模数转换电路的输入端相连。

2.如权利要求1所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述积分器电路为可控增益的开关电容型积分器电路。

3.如权利要求2所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述开关电容型积分器电路包括主放大器，还包括连接于所述主放大器的输入端与输出端之间的用于减小低频噪声以及所述主放大器的输入失调电压的斩波电路。

4.如权利要求3所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述斩波电路的时钟与所述陀螺仪传感器的检测信号同频同相。

5.如权利要求1所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述积分器电路的放大倍数由所述积分器电路的时钟周期决定。

6.如权利要求1所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述陀螺仪传感器控制电路还包括用于给所述陀螺仪传感器提供驱动信号的直接数字式频率合成器。

7.如权利要求6所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述直接数字式频率合成器包括频率控制寄存器、相位累加器和正弦计算器。

8.如权利要求6所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述直接数字式频率合成器提供的所述驱动信号为正弦波。

9.如权利要求1至8任一项所述的陀螺仪传感器控制电路，其特征在于，所述陀螺仪传感器的驱动信号为正弦波，所述陀螺仪传感器输出的角速度信号为与所述驱动信号同频同相的正弦波，连接到所述积分器电路的正负端的控制信号为与所述角速度信号同步的方波，所述陀螺仪传感器控制电路通过所述控制信号对输入所述积分器电路的信号进行如下控制：

当所述角速度信号的正弦相位大于零度而小于180度时，将所述角速度信号正向连接到所述积分器电路的输入端；

当所述角速度信号的正弦相位大于180度而小于360度时，将所述角速度信号反转后反向连接到所述积分器电路的输入端。

10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的陀螺仪传感器控制电路。