CN106052667A

CN106052667A - 振动陀螺仪中谐振器和科里奥利轴控制的系统、装置、方法

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Publication number: CN106052667A
Application number: CN201610154517.5A
Authority: CN
Inventors: R·A·卡普斯塔
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP6157026B2; GB201604932D0; US9709400B2; US20160298965A1; DE102016105527A1; CN106052667B; GB2539529A; JP2016200579A; GB2539529B

Abstract

本发明涉及振动陀螺仪中谐振器和科里奥利轴控制的系统、装置和方法。一种用于振动式陀螺仪系统的陀螺仪控制电路包括开环RSP控制电路和闭环CSP控制电路。陀螺仪控制电路可选地包括Q补偿电路以补偿由于在谐振器信号路径Q的变动的陀螺仪灵敏度的变化。谐振器信号路径和科里奥利信号路径可具有相互成比例的转导因子，使得灵敏度陀螺仪直接随着谐振器信号路径品质因数(Q)而变化。

Description

振动陀螺仪中谐振器和科里奥利轴控制的系统、装置、方法

技术领域

本发明一般涉及振动陀螺仪(例如，MEMS振动陀螺仪)，并更具体地涉及在这种振动陀螺仪中控制谐振器信号路径和科里奥利信号路径。

发明背景

振动陀螺仪系统包括用于感测一些惯性质量块相对于参考框架的转动的传感器(陀螺仪)和一些支持电路。振动陀螺仪的操作是基于科里奥利效应。因此，陀螺仪具有两个正交的轴。一般来说，惯性质量块被驱动以具有沿第一轴线的一些速度；进一步，质量块是典型的共振结构，并因此该轴将被称为谐振器轴。由于科里奥利效应，当质量块相对于观测参照帧转动时，也会有沿着第二轴施加的科里奥利力。所述第二轴被称作科里奥利轴。可以感测到对科里奥利轴的力的作用，并且可以计算出旋转。

支持电路提供至少两种功能。首先，支持电路驱动质量块沿着谐振腔轴运动。该电路与陀螺仪一起被称为谐振器信号路径(RSP)或简称为谐振器。第二，支持电路检测沿着科里奥利轴的信号。该电路与陀螺仪一起被称为科里奥利信号路径(CSP)或加速度计。

许多当前的振动型陀螺仪使用开环CSP和闭环RSP，用于健壮灵敏度。这使得该系统敏感于陀螺仪沿科里奥利轴的品质因数。然后，谐振器和科里奥利模式故意分成频率，以使即使在存在科里奥利轴Q的变化下，科里奥利轴的激励是偏共振，和响应是稳定。当模式拆分可以在工厂进行并保持足够稳定时，该方法适用于低Q的谐振器。对于高Q陀螺仪，这不是可接受的解决方案，因为由于模式分裂的Q减少将取消使用高Q结构的优势。另一个解决办法是随温度校准灵敏度。然而，这是昂贵的，例如涉及多通自动测试设备(ATE)测试，并且是较不可靠的。

具体实施方式概述

在一个示例实施例中，提供了一种包括陀螺仪控制电路和加速度计的装置，所述陀螺仪控制电路用于具有谐振器质量块的振动陀螺仪，和所述加速度计用于产生科里奥利输出率信号，其中该陀螺仪控制电路包括谐振器信号路径和科里奥利信号路径。谐振器信号路径包括开环谐振器信号路径控制电路，其被配置来基于谐振器的感测信号驱动谐振器质量块的运动，而不使用包含于谐振器感测信号中的振幅信息。科里奥利信号路径包括闭环科里奥利信号路径控制电路，其被配置以基于科里奥利感测信号产生科里奥利输出速率信号，并基于科里奥利感测信号提供反馈信号给加速度计。

在另一示例实施例，提供了一种陀螺仪系统，包括陀螺仪和陀螺仪控制电路。陀螺仪包括谐振器块和加速度计，用于产生科里奥利输出信号。陀螺仪控制电路包括：(a)包括开环谐振器信号路径控制电路的谐振器信号路径，经配置以基于谐振器感测信号驱动谐振器质量块的运动，而不使用包含于谐振器感测信号中的振幅信息，和(b)科里奥利信号路径包括闭环科里奥利信号路径控制电路，其被配置以基于科里奥利感测信号产生科里奥利输出速率信号，并基于科里奥利感测信号提供反馈信号到加速度计。

在各种替代实施例中，陀螺仪控制电路还可以包括Q补偿电路，其经配置以当陀螺仪工作时基于谐振器信号路径Q的变化而补偿陀螺仪灵敏度的变化。补偿电路可以包括Q测量电路，其经配置成测量谐振器信号路径Q，在这种情况下，Q补偿电路可进一步乘法器或从Q测量电路到开环谐振器信号路径控制电路的反馈回路，所述乘法器组合测量的谐振器信号路径Q和由闭环科里奥利信号路径控制电路产生的科里奥利输出速率信号，以产生经补偿的科里奥利输出速率信号，其中所述开环谐振器信号路径控制电路进一步被配置为基于所测量的谐振器信号路径Q调整谐振器驱动信号，以减少谐振器信号路径Q的偏差。当陀螺仪是操作时，Q测量电路可以被配置为响应于不同的驱动力评估谐振器块的性能参数。陀螺仪可以被模式匹配。谐振器信号路径和科里奥利信号路径可具有彼此成比例的转导因子，使得陀螺仪的灵敏度直接随着谐振器信号路径品质因数(Q)而变化。

在某些实施例中，ASIC晶片上实现的谐振控制电路可粘接到含有陀螺仪的单独MEMS晶片。在其它实施例中，谐振器控制电路和所述陀螺仪在常见的晶片上实现。

在另一个示例性实施例中，提供了一种操作振动陀螺仪的方法，所述振动陀螺仪具有包括谐振器质量块的谐振器信号路径和具有包括加速度计的科里奥利信号路径，所述加速度计用于产生科里奥利输出速率信号。该方法包括：使用开环控制操作谐振器信号路径，其中所述谐振器质量块的运动基于谐振器感测信号所驱动，而不使用包含于谐振器感测信号的振幅信息；以及采用闭环控制操作科里奥利信号路径，其中科里奥利输出速率信号是基于科里奥利感测信号，和反馈信号基于科里奥利感测信号被提供给加速度计。

在各种替代实施方式中，该方法可以进一步包括：测量谐振器信号路径品质因数(Q)，和当陀螺仪工作时，基于谐振器信号路径Q的变化，补偿陀螺仪灵敏度的变化。

附加实施例可以被公开并要求保护。

附图的简要说明

通过参考下面的详细描述，实施例的前述特征将更加容易地理解，参考附图，其中：

图1是示出具有陀螺仪和示例性开环RSP控制电路的陀螺仪系统的示意图，如本领域中已知；

图2示出具有陀螺仪和示例性闭环RSP控制电路的陀螺仪系统的示意图，如本领域中已知；

图3是表示具有陀螺仪和示例性闭环CSP控制电路的陀螺仪系统的示意图，如本领域中已知；

图4是示出根据一个具体的示例性实施例，包括陀螺仪和陀螺仪控制电路的陀螺仪系统的示意图，陀螺仪控制电路具有Q补偿电路，经配置成基于谐振器轴线Q的测量估计执行后处理校正；和

图5是示出根据一个具体的示例性实施例，包括陀螺仪和陀螺仪控制电路的陀螺仪系统的示意图，陀螺仪控制电路具有Q补偿电路，经配置成调节RSP驱动以补偿谐振器轴Q的变化。

应当指出，前述附图和其中所示的元件不必按比例一致或任何比例。除非上下文另有说明，相同的元件用相同的标号表示。

具体实施方式的详细描述

如在背景技术中讨论地，振动陀螺仪系统包括用于感测一些惯性质量块相对于参考框架的转动的传感器(陀螺仪)和一些支持电路。振动型陀螺仪的操作是基于科里奥利效应。因此，陀螺仪具有两个正交的轴。一般来说，惯性质量块被驱动以具有沿第一轴线的一些速度；进一步，质量块是典型的共振结构，因此该轴将被称为谐振器轴。由于科里奥利效应，当质量块相对于观测参照帧转动时，也会有沿着第二轴施加的科里奥利力。所述第二轴被称作科里奥利轴。感测对科里奥利轴的力的作用，并可以计算出旋转。

支持电路提供至少两种功能。首先，支持电路驱动质量块沿着谐振器轴的运动。该电路与陀螺仪一起被称为谐振器信号路径(RSP)或简称为谐振器。第二，支持电路检测沿科里奥利轴的信号。该电路与陀螺仪一起被称为科里奥利信号路径(CSP)或加速度计。

一般而言，每个信号路径可使用三种类型的控制机制操作，对于本专利申请的目的，其被称为“开放”控制，“开环”控制以及“闭环”控制。如在本说明书和所附权利要求中所用，下列词汇具有指出的含义，除非上下文另有所指：

“开放”RSP控制机构或电路(其可以在本文简称为“开放RSP”)驱动质量块的运动，没有任何反馈环路以基于质量块的从动运动调节系统操作的一个或多个参数。RSP“开放”控制的示例是提供驱动信号(例如，固定的振幅时钟)到一组驱动电极的驱动电路，以基于感测的运动诱导沿谐振轴质量块的运动，而没有任何类型的反馈回路来调节驱动信号。RSP“开放”控制的另一个示例是K.Y.Park等人，“laterally oscillated andforce-balanced micro vibratory rate gyroscope supported by fish hook shapesprings”。IEEE微机电系统研讨会，第494-499，1997(以下称为“帕克参考”)，其中等式5描述应用于一组驱动电极的电压(称为“突出形状梳状驱动”电极)，没有提到反馈信号。应当注意，在开放RSP中，该激励的频率仅由所施加的驱动信号来确定，并且不一定涉及惯性质量块的属性。

“开环”RSP控制机构或电路(其可在本文中简单地称为“开环RSP”)包括反馈路径以维持质量块的振荡，而不调节振荡或质量块的速度的幅度。图1是示出具有陀螺仪102和示例性开环RSP控制电路120的陀螺仪系统100的概略图，如本领域中公知地。开环RSP控制电路120和陀螺仪102的组合可以形成正反馈环路，其中，极限周期行为用于维持振荡。如果围绕该环路的相移等于零度，环路将维持振荡。由此，开环RSP的操作敏感于陀螺仪中作为频率的函数的相移。与开放RSP的操作相反，该属性可用于维持振荡恰好在陀螺仪的共振频率。具体地讲，一组谐振器感电极104的信号由读出放大器121放大，并供给到锁相环(PLL)的控制器122，进而设置由驱动器放大器123向一组谐振驱动电极106提供的驱动信号的频率和相位。由于开环RSP控制电路120不规范谐振器质量块的幅度或速度，因此它被认为是开环，而不是本专利申请的上下文内中的闭环，即使它包括反馈环路。现有技术使用正反馈回路以在谐振驱动谐振器轴，例如，如在C.T.-C.Nguyen，“micromechanical resonators for oscillators and filters”，IEEE超声研讨会，第489-499，1995年。在该专利申请的环境下，Nguyen的RSP控制电路被认为是开环RSP，因为采用正反馈在这里仅仅用于维持振荡(即，替代由于阻尼和阻力的能源损失)。

“开环”CSP控制机构或电路(其可在本文中简单地称为“开环CSP”)感测质量块的运动，没有任何反馈回路以基于质量块的感测的运动来调节系统操作的一个或多个参数。CSP的“开放”控制的示例是读出电路，其处理来自加速度计的检测信号，而没有返回至加速度计的反馈环路，诸如用于使加速度计检测质量块(其可以是RSP的共振质量块，或者可以是单独质量块)沿科里奥利轴回到名义位置。开环CSP是读出科里奥利信号的常规方式，例如，如在F.Ayazi，K.NAJAFI“design and fabrication ofhigh-performance polysilicon vibrating ring gyroscope”，IEEE微机电系统研讨会，第621-626，1998(以下称为“Ayazi参考”)。在这种情况下，感测电子观察沿科里奥利轴陀螺仪的任何变化(在这种情况下，电容的变化)。该Ayazi参考也似乎描述开环RSP，其中，谐振器轴经由驱动电极由正弦静电力驱动。据推测，该激发在谐振器轴(其中描述作为主模式)的谐振频率附近。

“闭环”RSP控制机构或电路(其可被简称本文中“闭环RSP”)包括用于谐振器的速度幅度控制的负反馈电路。图2是示出的具有陀螺仪202和示例性闭环RSP控制电路220的陀螺仪系统200的概略图，如本领域公知地。闭环RSP控制电路220包括反馈回路，其感测所述谐振器块的两个谐振频率和谐振的幅度，并调节由驱动放大器223提供到一组谐振器驱动电极206的驱动信号，以便保持读出放大器221的输出的固定振幅。具体地讲，一组谐振器传感电极204的信号由读出放大器放大221。读出放大器221的输出被提供给锁相环(PLL)调节器222和幅度探测器224。锁相环222设置驱动放大器223的驱动信号频率和相位，而幅度检测器224输出组合自动增益控制电压(VAGC)，来调整驱动放大器223的输出。驱动功率放大器223的输出电压被提供给一组谐振器驱动电极206。由于闭环RSP控制电路220调节振幅或谐振器质量块的速度，因此它在本专利申请的上下文内被认为是闭环。现有技术也将振幅控制元件添加到谐振器轴，例如在T.K.Tang等的“A packaged silicon MEMS vibratory gyroscopeformicrospacecraft”，IEEE微机电系统研讨会，第500-505，1997年(下文称为“唐参考”)也增加了振幅控制元件到谐振器轴。在该专利申请的上下文中，唐的振幅控制元件被认为闭环RSP，因为负反馈回路用于伺服质量块沿着谐振器轴线的峰值位移。现有技术也使用负反馈(闭环RSP)来控制除了峰值位移的其他RSP参数。例如，闭环RSP可以用于控制谐振频率，如R.Leland“Adaptive mode tuning for vibrational gyroscopes”控制系统技术IEEE学报，11卷，2期，第242～247页，2003年3月。

“闭环”CSP控制机构(其可本文中简称“闭环CSP”)包括力反馈回路，其中沿着科里奥利轴线施加静电力以平衡科里奥利力。图3是示出具有一个陀螺仪302和示例性闭环控制的CSP电路310的陀螺仪系统300的概略图，如本领域已知得。闭环CSP控制电路310包括反馈回路，其感测沿轴线科里奥利质量块的位移，并调整所述反馈信号以保持质量块在其自然位置。具体地讲，一组科里奥利轴感测电极308的信号由读出放大器311放大，并通过模数转换器(ADC)转换为数字值312。该数字值表示该陀螺仪系统300的输出速率信号350，并通过数模转换器(DAC)反馈到一组科里奥利轴驱动电极310。帕克参考也提供闭环控制的CSP的示例。

“集合”包含一个或多个元件。如本专利申请的上下文中使用时，一组电极可以包括一个电极或者可以包括多个电极。

在某些情况下，术语“陀螺仪”用于指代陀螺仪系统的机械陀螺仪结构，诸如谐振器块，加速计检测质量块(其可以是谐振器块本身或单独质量块)，以及用于驱动的运动谐振器质量块的各个电极组，加速度计检测质量块的感测运动，以及通常还包括其他功能(例如，谐振器质量块的感测运动，例如用于开环RSP或闭环RSP控制和/或施加力至加速度计检测质量块，诸如用于闭环控制CSP)。在其他情况下，术语“陀螺仪”一般用于指整个陀螺仪系统，包括机械陀螺仪结构和相关联的陀螺仪控制电路。

使用开放或开环控制机制的主要优点是简单。然而，机械系统(诸如，陀螺仪)往往是内在不稳定的，并且常会随温度或环境压力变化。采用闭环控制机制的主要优势在于特定参数的变异可以控制的，诸如温度或环境压力的效果。具有典型的负反馈配置中，我们只关心环路增益比单位大得多。在这种情况下，闭环增益将取决于反馈因子。

如在背景技术讨论得，许多当前的振动型陀螺仪使用开环CSP和闭环RSP，用于健壮灵敏度。这使得该系统敏感于CSP Q。然后，谐振器和科里奥利模式被故意分频，以使科里奥利轴的激励是离峰和不敏感于科里奥利Q。当模式拆分可以在工厂进行并保持足够稳定时，这种方法适用于低Q谐振器。对于高Q陀螺仪，这不是可接受的解决方案，因为由于模式分裂的Q减少将抵消使用高Q结构的好处。另一个解决办法是随温度校准灵敏度。然而，这是昂贵的，例如涉及多通自动测试设备(ATE)测试，并且是较不可靠的。

也已知同时使用闭环RSP和CSP，例如R.Oboe.E.Lasalandra，“Controlof a z-axis MEMS vibrational gyroscope”，机电一体化IEEE/ASME学术论文，第10卷，第4期，第364-370，2005年8月。在此配置中，该系统是不敏感于Q，但敏感于反馈路径中的转导机制；例如，从反馈电压到施加到陀螺仪的机械力的转导。许多陀螺仪系统具有对环境压力很敏感的转导机制。

在本发明的实施例中，振动式陀螺仪系统的陀螺仪控制电路包括开环RSP控制电路和闭环CSP控制电路。据发明者的了解，开环RSP和闭环CSP的组合尚未在振动型陀螺仪使用，但可以是有利的，如下面所讨论。

通常(尽管不是必须的)，陀螺仪将模式匹配。模匹配可以在任意的多种方式来执行。例如，陀螺仪机械结构可经设计，使得谐振器和科里奥利轴模式匹配，或陀螺仪控制电路可包括模式匹配伺服(例如，如在美国专利号8151641和美国专利中所述号8616055描述的，其和在申请时和主题专利申请共同拥有，并以其全部并入本文作为参考)。

使用闭环CSP，如果环路增益比单位大得多，增益(从科里奥利力到CSP输出)是转导因子Y^-1(从电压强制)的函数。因此，只要Q和任何其他的CSP增益足够大，CSP的增益不依赖于传感器品质因数Q。根据一个示例性实施例，下面的等式提供用于闭环CSP灵敏度的估计。

科里奥利力(F_COR)可以表示如下：

F_COR＝2mA_gΩ_z vel_RES

其中：

A_g＝角度增益；

m＝质量块；以及

vel_RES＝谐振轴速度。

反馈力(F_FB)可表示如下：

F_FB＝Dout V_dac V_b dC/dx

其中：

D_out＝输出位；

V_dac＝DAC全程；

V_b＝跨越反馈电极间隙的偏置；以及

dC/dx＝电容与位移变化。

通过科里奥利力等同反馈力，反馈工作。重新排列灵敏度导致：

S＝Dout/Ω_z＝(2m A_g dx vel_RES)/(V_dac V_b dC)。

使用开环RSP，质量块的速度是转导因子X(力的电压)和传感器品质因数Q(即，从力到速度的转导)的乘积的函数。根据一个示例性实施例，下面的等式提供用于开环RSP谐振器速度的估计值。

转导至力(FRES)的固定驱动可表示为：

F_RES＝V_rd V_b dC/dx

其中：

V_rd＝谐振驱动电压。

这种力转化为速度(velRES)如下：

vel_RES＝(Q_r F_RES)/(mω_r)

其中：

m＝谐振器质量块；

ω_r＝谐振器轴共振；和

Q_r＝谐振器轴品质因数。

结合这些方程导致：

velRES＝(Q_r/mω_r)V_rd V_b dC/dx

应当指出，上述等式假设平行板转导(即，对于给定的轴，dc/dx＝εA/g²，其中，g是电极间隙，A是电极面积)，如果所有转导用梳子边替换(即，DC/DX＝yεh/g的，其中“y”表示电场的边缘部)，其结果是非常相似的。

科里奥利效应描述成比例于旋转速度和RSP速度的乘积的力。该科里奥利力然后由CSP处理以生成输出信号。通常(尽管不是必须的)，转导因子X和Y是互相成比例，假设CSP和RSP使用用于静电致动(例如，两者都使用类似梳状电极或两者都使用类似的平行平板电极)的方法。因此，如上所述，使用开环RSP和闭环的CSP，整个系统的灵敏度(从输入旋转的CSP输出)涉及X、Y^-1和谐振器轴Q的乘积，具体如下：

S = 2 A_{g} (\frac{A_{r d}}{A_{c d}}) (\frac{V_{r d}}{V_{d a c}}) {(\frac{g_{c d}}{g_{r d}})}^{2} \frac{Q_{r}}{ω_{r}}

其中：

g_cd＝科里奥利轴力反馈电极间隙；

A_cd＝科里奥利轴力反馈电极面积；

g_rd＝谐振器轴驱动电极间隙；和

A_rd＝谐振器轴驱动电极面积。

因此，系统的灵敏度取决于谐振器轴线Q(例如，在上面的方程中，灵敏度将随着Q_r变化)。假设转导因子X和Y互相成比例，使得X和Y^-1的乘积基本上是恒定的，该系统的灵敏度基本上仅取决于谐振器轴线Q(例如，在上述方程中，灵敏度将直接随着Q_r变化)。

因此，为了使系统的灵敏度相对于环境变化鲁棒，某些替换实施例另外包括补偿电路以调整变化谐振轴品质因数(Q)。在谐振器轴线Q的变化可以通过多种方式由补偿电路来调节。

在某些实施例中，补偿电路被配置为测量谐振器轴线Q的估计，并基于谐振器轴线Q所测量的估算执行后处理校正。谐振器轴线Q可以例如使用线性调频、清扫或曲线拟合技术测量，如本领域已知的。在锁相环系统中，Q可以例如从45度相移引起的频率偏移测量，45度相移切换到二进制分频器链的谐振反馈抽头。可替代地，Q可以从通过从谐振已知的频率偏移引起的振幅变化来测量(例如，测量在谐振频率和也在共振频率+/-5％的谐振质量块的幅度)或由相对-3dB带宽的倒数。美国专利号8701459也描述了一种用于测量谐振器轴线Q的技术；该专利被在申请主题时专利申请共同拥有，并通过引用将其全部特此并入本文。

谐振器轴线Q也可以使用在申请同日提交、相关美国临时专利申请号62/144126，题为Quality Factor Estimation For Resonators中描述的技术来测量，该申请在本文中以全文引入作为参考。这里，测量振荡MEMS谐振器的品质因数包括：当陀螺仪操作时，响应于不同的驱动力评估谐振器的性能参数。例如，该补偿电路可以在第一阶段和第二阶段之间交替，在第一阶段中，谐振器通过施加具有第一振幅和具有第一持续时间的驱动信号，然后在第一振幅施加驱动信号的第一时间测量谐振器的运动的参数，驱动谐振器到振荡，在第二阶段中，其中所述谐振器是通过在小于第一振幅的第二幅度施加驱动信号，然后在第二振幅施加驱动信号的第二施加重新测量谐振器的运动的参数，驱动谐振器。以举例的方式，在一些实施例中，谐振器的运动参数是谐振器的运动幅度。在其它实施例中，谐振器的运动参数是谐振器的速度，和在其它实施例中，谐振器的运动参数是正比于谐振器的速度的电流。

图4是示出根据一个具体的示例性实施例，包括陀螺仪402和具有Q补偿电路的陀螺仪控制电路的陀螺仪系统400的示意图，所述Q补偿电路经配置成基于谐振器轴线Q的测量估算执行后处理校正。在此，陀螺仪控制电路包括闭环CSP控制电路410(例如，具有图3所示类型)，开环RSP控制电路420(例如，具有图1所示类型)，和具有在现有基础上测量谐振器轴线Q的测量电路430的Q补偿电路。Q补偿电路还包括乘法器440，它结合从Q测量电路430所测量的谐振器轴线Q与由闭环CSP控制电路410产生的科里奥利输出信号以产生输出速率信号450。

在某些替代实施例中，补偿电路被配置为另外地调整RSP驱动器以补偿Q变异，即在一定范围的操作参数(例如，温度)尽量保持恒定的谐振器轴速度。注意，这仍然是开环RSP，因为驱动电压的变化不会影响陀螺仪的Q；因此不存在反馈回路。

图5是示出根据一个具体示例性实施例的陀螺仪系统500的示意图，所述陀螺仪系统500包括陀螺仪502和具有Q补偿电路的陀螺仪控制电路，所述Q补偿电路经配置成调节RSP驱动以补偿谐振器轴Q的变化。在此，陀螺仪控制电路包括闭环CSP控制电路510(例如，具有图3所示的类型)，开环RSP控制电路520(例如，具有图1所示的类型)，和在现有基础上测量谐振器轴线的Q测量电路530的Q补偿电路。Q补偿电路还包括乘法器540，结合来自Q测量电路530所测量的谐振器轴线Q与由闭环CSP控制电路510所产生的科里奥利输出信号以产生输出速率信号550。Q补偿电路另外还包括反馈环路560以调节由驱动放大器523产生，并基于Q测量电路530测量的谐振器轴线Q提供给该组谐振器驱动电极506的驱动信号。

应当指出，开环CSP和闭环RSP(如在上面讨论的唐参考)是类似的，不同之处在于，系统的灵敏度将正比于科里奥利轴Q。然而，校正科里奥利轴Q更为困难，因为，不同于谐振器轴，科里奥利轴在陀螺仪的正常操作期间不连续地激励，因为它的激励依赖于设备的旋转。

应当指出，上述类型的陀螺仪控制电路可在独立于机械陀螺仪组件的设备中实现(例如，陀螺仪控制电路可在ASIC晶片上形成，其稍后粘结到包含机械陀螺仪结构的单独MEMS晶片)，或者可以在和机械陀螺仪组件的相同设备中实现(例如，陀螺仪控制电路和机械陀螺仪的结构可以形成在共同的晶片上，诸如集成MEMS处理)。因此，本发明的实施例可以包括陀螺仪控制单独电路和陀螺仪系统，其包括该陀螺仪控制电路结合机械陀螺仪结构。

应当注意，箭头可用于附图以表示通信、传输或涉及两个或多个实体的其他活动。双端箭头一般表示活动可发生在两个方向上(例如，一个方向上的命令/请求，相应的答复在其他方向，或者通过任一实体发起的对等通信)，但在某些情况下，活动不一定发生在两个方向上。单端箭头通常表示活动完全或主要在一个方向上，但是应该指出，在某些情况下，该定向活动实际上可涉及两个方向上的活动。因此，在特定附图中使用的箭头类型以表示特定活动是示例性的，不应被看作是限制性的。

上述陀螺仪的控制电路可体现为许多不同的形式，并且可以包括处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机)与相关联的计算机程序逻辑、具有相关联的可编程逻辑的可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或其他PLD)、离散组件、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC))，或包括它们的任意组合的任何其他方式。实现一些或全部所描述的功能的计算机程序逻辑通常被实现为一组计算机程序指令，其被转换为计算机可执行的形式、因此存储在计算机可读介质中，并且在操作系统的控制下由微处理器执行。实施一些或全部的所描述功能的基于硬件的逻辑可以利用一个或多个适当配置的FPGA实现。

实现所有或部分先前在此描述功能的计算机程序逻辑可以体现为各种形式，包括(但绝不限于)源代码形式、计算机可执行形式和各种中间形式(例如，由汇编器、编译器、连接器或定位器产生的表格)。源代码可以包括在任何不同的编程语言实现的一系列计算机程序指令(例如，对象代码、汇编语言或高级语言，诸如Fortran、C、C++、JAVA或HTML)，使用各种操作系统或操作环境。源代码可以定义和使用各种数据结构和通信消息。源代码可以是在计算机可执行形式(例如，经由解释器)，或者源代码可以被转换(例如，经由翻译器、汇编器或编译器)成计算机可执行形式。

实现所有或部分先前在此描述功能的计算机程序逻辑可以在不同时间上在单一处理器执行(例如，同时)或者可以在多个处理器上的相同或不同的时间来执行，并且可以在单一的操作系统进程/线程或不同的操作系统进程/线程下运行。因此，术语“计算机过程”通常是指一组计算机程序指令的执行，而不管不同计算机进程是否在相同或不同的处理器执行，并且不管不同计算机程序是否在相同的操作系统进程/线程或不同的操作系统进程/线程下运行。

该计算机程序可以被固定在永久地或短暂地在有形存储介质中的任何形式(例如，源代码形式、计算机可执行形式或中间形式)，诸如半导体存储器器件(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或闪存可编程RAM)，磁存储装置(例如，软盘或固定盘)，光存储器设备(例如，CD-ROM)，PC卡(例如，PCMCIA卡)或其他存储器设备。该计算机程序可以任何方式固定于信号，使用各种通信技术透射到计算机，包括(但不限于)模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(如，蓝牙)，其、网络技术和互联网络技术。该计算机程序可以分布在任何形式的可移动存储介质与随附的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)、预加载计算机系统(例如，在系统ROM或固定盘)，或者从服务器或电子公告板通过通信系统(例如，因特网或万维网)分布。

实现这里先前描述的所有或部分功能的硬件逻辑(包括与可编程逻辑设备一起使用的可编程逻辑)可以使用传统的手动方法来设计，或者可被设计、捕获、模拟或记录电子地使用各种工具，诸如计算机辅助设计(CAD)，硬件描述语言(例如，VHDL或AHDL)，或PLD编程语言(例如，PALASM、ABEL或CUPL)。

可编程逻辑可被永久或短暂地固定在有形存储介质中，诸如半导体存储器器件(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或闪存可编程RAM)，磁存储装置(例如，软盘或固定盘)，光存储器设备(例如，CD-ROM)，或其他存储器设备。可编程逻辑可使用任何各种通信技术固定到可透射到计算机的信号，包括(但决不限于)模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(如，蓝牙)、网络技术和互联技术。可编程逻辑可以分布作为可移动的存储介质与随附的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)，预加载有计算机系统(例如，在系统ROM或固定盘)，或从服务器或电子公告板分发通过通信系统(例如，因特网或万维网)。当然，本发明的一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。仍然本发明的其它实施例被实现为完全的硬件或完全的软件。

重要的是，应当注意，本发明的实施例可以采用常规的组件，例如常规计算机(例如，离架现成的计算机、大型机、微处理器)，常规的可编程逻辑器件(例如，现成的FPGA或PLD)或常规的硬件部件(例如，离架现成的ASIC或离散硬件组件)，其中，当编程或配置成执行本文所描述的非传统方法时，产生非传统装置或系统。因此，关于本文中所描述没有什么常规，因为实施例使用常规组件实施，所得的设备和系统(例如，本文所描述的陀螺仪控制电路)不一定是非传统，因为不存在特殊的编程或配置，所述常规组件本身不执行所描述的非传统方法。

在不脱离本发明的真正范围的情况下，本发明可以体现在其它特定形式，以及许多变化和修改将基于本文的教导对于本领域技术人员是显而易见的。“发明”的任何引用意在指本发明的示例性实施例，并且不应当被解释为指本发明的所有实施例，除非上下文另有要求。所述实施例在所有方面都仅是示例性的而不是限制性加以考虑。

Claims

1.一种包括陀螺仪控制电路和加速度计的装置，所述陀螺仪控制电路用于具有谐振器质量块的振动陀螺仪，和所述加速度计用于产生科里奥利输出率信号，其中所述陀螺仪控制电路包括：

包括开环谐振器信号路径控制电路的谐振器信号路径，所述开环谐振器信号路径控制电路被配置来基于谐振器的感测信号驱动谐振器质量块的运动，而不使用包含于谐振器感测信号中的振幅信息；

包括闭环科里奥利信号路径控制电路的科里奥利信号路径，所述闭环科里奥利信号路径控制电路被配置以基于科里奥利感测信号产生科里奥利输出速率信号，并基于科里奥利感测信号提供反馈信号给加速度计。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括Q补偿电路，其经配置以当陀螺仪工作时基于谐振器信号路径Q的变化而补偿陀螺仪灵敏度的变化。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述Q补偿电路包括：

Q测量电路，其经配置成测量谐振器信号路径Q。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述Q补偿电路进一步包括：

乘法器，组合测量的谐振器信号路径Q和由闭环科里奥利信号路径控制电路产生的科里奥利输出速率信号，以产生经补偿的科里奥利输出速率信号。

5.如权利要求3所述的装置，其中，所述Q补偿电路进一步包括从Q测量电路到开环谐振器信号路径控制电路的反馈回路，其中，所述开环谐振器信号路径控制电路进一步被配置为基于所测量的谐振器信号路径Q调整谐振器驱动信号，以减少谐振器信号路径Q的偏差。

6.如权利要求3所述的装置，其中，所述Q测量电路被配置为当陀螺仪操作时，响应于不同的驱动力评估谐振器质量块的性能参数。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述陀螺仪是模式匹配。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述谐振器信号路径和科里奥利信号路径具有彼此成比例的转导因子，使得陀螺仪的灵敏度直接随着谐振器信号路径品质因数(Q)而变化。

9.如权利要求1所述的装置，进一步包括ASIC晶片，其中，谐振器控制电路形成在ASIC晶片上。

10.一种陀螺仪系统，包括：

陀螺仪包括谐振器块和加速度计，用于产生科里奥利输出信号；

陀螺仪控制电路包括：(a)包括开环谐振器信号路径控制电路的谐振器信号路径，经配置以基于谐振器感测信号驱动谐振器质量块的运动，而不使用包含于谐振器感测信号中的振幅信息，和(b)科里奥利信号路径包括闭环科里奥利信号路径控制电路，其被配置以基于科里奥利感测信号产生科里奥利输出速率信号，并基于科里奥利感测信号提供反馈信号到加速度计。

11.如权利要求10所述的陀螺仪系统，其中，所述陀螺仪控制电路进一步包括Q补偿电路，当陀螺仪运行时，所述Q补偿电路经配置来基于谐振器信号路径Q的变化而补偿陀螺仪的灵敏度的变化。

12.如权利要求11所述的陀螺仪系统，其中Q补偿电路包括：Q测量电路，经配置成测量所述谐振器信号路径Q。

13.如权利要求12所述的陀螺仪系统，其中，Q补偿电路进一步包括：

14.如权利要求12所述的陀螺仪系统，其中，所述Q补偿电路进一步包括从Q测量电路到开环谐振器信号路径控制电路的反馈回路，其中，所述开环谐振器信号路径控制电路进一步被配置为基于所测量的谐振器信号路径Q调整谐振器驱动信号，以减少谐振器信号路径Q的偏差。

15.如权利要求12所述的陀螺仪系统，其中，所述Q测量电路被配置为当陀螺仪操作时，响应于不同的驱动力评估谐振器质量块的性能参数。

16.如权利要求10所述的陀螺仪系统，其中，所述陀螺仪是模式匹配的。

17.如权利要求10所述的陀螺仪系统，其中，谐振器信号通路和科里奥利信号路径具有彼此成比例的转导因子，使得陀螺仪的灵敏度直接随谐振器信号路径品质因数(Q)变化。

18.如权利要求10所述的陀螺仪系统，其中，所述谐振控制电路实现在ASIC晶片上，其中所述陀螺仪实施在结合到ASIC晶片的单独MEMS晶片上。

19.如权利要求10所述的陀螺仪系统，其中，谐振器控制电路和所述陀螺仪在常见的晶片上实施。

20.一种操作振动陀螺仪的方法，所述振动陀螺仪具有包括谐振器质量块的谐振器信号路径和具有包括加速度计的科里奥利信号路径，所述加速度计用于产生科里奥利输出速率信号，所述方法包括：

使用开环控制操作谐振器信号路径，其中所述谐振器质量块的运动基于谐振器感测信号所驱动，而不使用包含于谐振器感测信号的振幅信息；以及

采用闭环控制操作科里奥利信号路径，其中科里奥利输出速率信号是基于科里奥利感测信号，和反馈信号基于科里奥利感测信号被提供给加速度计。

21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：

测量谐振器信号路径品质因数(Q)；和

当陀螺仪工作时，基于谐振器信号路径Q的变化，补偿陀螺仪灵敏度的变化。