CN106289212B - 用于硅微音叉陀螺的集成测控单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，包括：用于测试陀螺检测轴的振动位移的跨阻式前置放大器(202)、用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号的电荷式前置放大器(203)、用于保持驱动轴的振动速度不变的自动增益控制器(207)、用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号的三阶ΣΔ型模数转换器(204、205)、用于解调驱动速度信号与检测位移信号以得到模拟解调输出信号的模拟乘法器(206)、用于将数字信号滤波、频率读出、解调、温度补偿并输出的数字模块(214)。本发明的集成测控单元，体积小、功耗低。

Description

用于硅微音叉陀螺的集成测控单元

技术领域

本发明属于角速度测量技术领域，特别是一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元。

背景技术

基于硅微机械加工工艺的音叉陀螺具有体积小，可批量加工的特点，在中低精度应用中具有广泛的市场。

现有硅微音叉陀螺的微机构结构如图1所示。质量块101与质量块102被弹性梁103，104，105，106，107，108支撑在锚点103上。质量块101，102可以在x，y两个方向进行振动。定义x方向为驱动方向，y方向为检测方向。通过在驱动梳齿电容109，104，107，108上施加驱动电压从而产生静电力。质量块101，102在静电力的作用下反相运动，当有z轴角速度输入时，由于哥氏加速度的作用，质量101，102会在y方向受到哥氏力的作用，从而在检测方向产生反相位移，通过检测电容113，114，115，116可以读出位移，从而计算出角速度的值。除去开环测量外，还可以通过检测电容产生静电力，将检测方向的位移控制在0，通过静电力的大小也可以计算出角速度的大小。

这种音叉陀螺具有双质量结构，主要工作模态有驱动模态与检测模态。驱动模态主要指陀螺的两个质量块在测控电路输出的静电力作用下，在驱动方向上以反向方式保持稳定幅度的振动。当有Z轴角速度输入时，陀螺坐标系内会受到哥氏力的作用，检测模态在哥氏力的作用下会产生与驱动模态正交的位移，通过测量检测模态的位移可以计算出输入角速度的值。

测控电路在陀螺中起重要的作用。首先驱动模态的稳幅振动是由测控电路来控制的。其次，为了保证角速度的测量精度，信号的检测，解调过程都需要高精度电路的支撑。在一个良好结构设计的基础上，陀螺输出的噪声很大程度上取决于测控电路的噪声。为了抑制陀螺在温度变化过程中性能的漂移，温度补偿电路也是必不可少的。

随着测控电路集成的功能越来越多，基于分立器件的测控电路体积与功耗也不断增加，给实验室原理样机到工程应用中的转换带来较大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，体积小、功耗低。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，包括跨阻式前置放大器、电荷式前置放大器、自动增益控制器、第一三阶ΣΔ型模数转换器、第二三阶ΣΔ型模数转换器、模拟乘法器、数字模块，所述自动增益控制器的输入端与跨阻式前置放大器的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，所述电荷式前置放大器的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，所述模拟乘法器的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，所述数字模块的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、功耗低：本发明通过驱动前置放大电路，能够同时提供反映驱动模态振动的速度信号与位移信号，在保证了驱动检测的幅值与相位的测量精度的前提下降低了功耗；

2、体积小：集成度高，体积小。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术硅微音叉陀螺的微机械结构示意图。

图2为本发明用于硅微音叉陀螺的集成测控单元的电原理框图。

图3为图2中跨阻式前置放大器的电路示意图。

图4为图2中电荷式前置放大器的电路示意图。

图5为图2中自动增益控制模块的电原理框图。

图6为图2中自动增益控制模块的电路示意图。

图7为图6中整流电路的局部放大图。

图8为图6中减法电路与比例积分电路的局部放大图。

图9为图6中斩波器的局部放大图。

图10为图5中可变增益放大器的电路示意图。

图11为图2中三阶低通型CRFF结构ΣΔ模数转换器的电原理框图。

图12为驱动频率测量、数字滤波、温度补偿、解调和输出环境原理图。

图13为SPI接口信号传输示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，用于如图1所示的硅微音叉陀螺。

其包括跨阻式前置放大器202、电荷式前置放大器203、自动增益控制器207、第一三阶ΣΔ型模数转换器204、第二三阶ΣΔ型模数转换器205、模拟乘法器206、数字模块214，

所述自动增益控制器207的输入端与跨阻式前置放大器202的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路202的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输入端相连，

所述电荷式前置放大器203的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输入端相连，

所述模拟乘法器206的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，

所述数字模块214的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器204的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器205的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连。

所述跨阻式前置放大器202，用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号；

所述电荷式前置放大器203，用于测试陀螺检测轴的振动位移；

所述自动增益控制器207，用于通过速度信号的幅值来调节反馈信号的幅值，保持驱动轴的振动速度不变；

所述第一三阶ΣΔ型模数转换器204、第二三阶ΣΔ型模数转换器205，用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号；

所述模拟乘法器206，用于解调驱动速度信号与检测位移信号，以得到模拟解调输出信号；

所述数字模块214，用于将数字信号滤波、频率读出、解调，温度补偿并输出。

硅微音叉陀螺的微机械结构201按照模态可以分为驱动轴与检测轴。跨阻式前置放大电路202检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号217，信号幅度自动增益控制电路207通过速度信号217的幅值来调节反馈信号215的幅值，保持驱动轴的振动速度不变。陀螺检测轴的振动位移由电荷式前置放大器203来进行测试，由203输出的信号为检测轴振动位移信号。驱动速度信号与检测位移信号经过模拟乘法器206解调后得到模拟解调输出信号220，220经低通滤波后可以作为陀螺的角速度输出信号。电路除了模拟解调方式外还提供了数字解调与输出。驱动位移信号与检测信号经过三阶ΣΔ型模数转换器202,203后被转换为218与219的数字化信号。数字化后的信号在数字模块中进行滤波，频率读出，解调，温度补偿等算法的计算，最终结果由SPI接口输出，可以直接与嵌入式处理器相连接。

如图3所示，所述跨阻式前置放大器202包括第一差分运算放大器307、第一反馈电容305、第二反馈电容306、第一偏值电阻303、第二偏值电阻304、第一寄生电容301、第二寄生电容302、第二差分运算放大器314、第一前置电容308、第二前置电容309、第一反馈电阻312、第二反馈电阻313、第一补偿电容310和与第二补偿电容311；

所述第一差分运算放大器307的输入正端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第一寄生电容301接地，其输入负端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第二寄生电容302接地，

所述第一差分运算放大器307的输出负端通过第一前置电容308与第二差分运算放大器314的输入正端相连，其输出正端通过第二前置电容309与第二差分运算放大器314的输入负端相连，

所述第一反馈电容305与第一偏值电阻303并联后，一端与第一差分运算放大器307的输入正端相连，另一端与第一差分运算放大器307的输出负端相连，

所述第二反馈电容306与第二偏值电阻304并联后，一端与第一差分运算放大器307的输入负端相连，另一端与第一差分运算放大器307的输出正端相连，

所述第一反馈电阻312与第一补偿电容310并联后，一端与第二差分运算放大器314的输入正端相连，另一端与第二差分运算放大器314的输出负端相连，

所述第二反馈电阻313与第二补偿电容311并联后，一端与第二差分运算放大器314的输入负端相连，另一端与第二差分运算放大器314的输出正端相连。

直流电压加载到陀螺驱动模态的公共电极上；当驱动模态振动时，驱动检测电容发生变化，驱动检测电极上会产生检测电流Is+与Is-。第一级放大电路的幅频曲线呈低通特性，内部包括差分运算放大器307，反馈电容305，306，偏值电阻303，304，寄生电容301，302，其输出信号为与微机械驱动检测电容振动位移同相的信号。第二级放大电路的幅频曲线呈高通特性，内部包括差分运算放大器314，前置电容308，309，反馈电阻312，313，补偿电容310与311，其输出信号与微机械驱动检测电容振动速度同相，称为驱动速度信号。差分型前置放大电路整体表现出带通特性，在以驱动模特谐振频率为中心的频率范围内的具有平坦的幅度响应曲线和相位响应曲线。

如图4所示，所述电荷式前置放大器203包括差分运算放大器409、第一检测电容401、第二检测电容402、第一寄生电容403、第二寄生电容404、第一偏值电阻405、第二偏值电阻406、第一反馈电容407、第二反馈电容408；

所述差分运算放大器409的输入正端通过第一检测电容401用于与硅微音叉陀螺的检测模态公共电极相连，并通过第一寄生电容403接地，其输入负端通过第二检测电容402用于与硅微音叉陀螺的检测模态公共电极相连，并通过第二寄生电容404接地，

所述第一偏值电阻405与第一反馈电容407并联后，一端与差分运算放大器409的输入正端相连，另一端与差分运算放大器409的输出负端相连，

所述第二偏值电阻406与第二反馈电容408并联后，一端与差分运算放大器409的输入负端相连，另一端与差分运算放大器409的输出正端相连。

直流电压Vp加载到陀螺检测模态的公共电极上；当检测模态振动时，检测电容401，402反向变化，检测电极上会产生检测电流Is+与Is-。放大电路的结构包括差分运算放大器409，反馈电容407，408，偏值电阻405，406，寄生电容403，404，其输出信号为与微机械检测电容振动位移同相的信号。

如图5所示，所述自动增益控制器207包括第一斩波电路501、第二斩波电路503、第三斩波电路505、整流电路502、减法电路504、比例积分滤波电路506，可变增益放大器507；

所述整流电路502的输入端通过第一斩波电路501与跨阻式前置放大器202的第一速度信号输出端相连，其输出端与减法电路504的比较输入端相连，减法电路504的基准输入端通过第二斩波电路503与基准电压相连，其输出端通过第三斩波电路505与比例积分滤波电路506的输入端相连，比例积分滤波电路506的输出端用于可变增益放大器(507)相连，可变增益放大器(507)的另一组输入端用于与第一速度信号输出端相连，可变增益放大器(507)的输出端与硅微音叉陀螺驱动电极(109,110,111,112)相连。整流电路提取陀螺驱动模态振动速度的振荡幅度，减法电路将该幅度信号与设置的基准电压进行比较，比较误差经过比例积分滤波器后产生幅度控制电压用来调节振荡电路的环路增益实现稳幅振荡。斩波器利用信号调制原理消除整流电路及减法电路中的闪频噪声对驱动幅度控制精度的影响。

如图6所示为自动增益控制模块的电路图。

电阻516及517用来提取驱动位移信号的共模电压作为斩波器的一个基准，斩波器518、519实现对输入信号的调制。整流电路由一对二选一电压跟随器520和521构成差分结构与输入斩波器相兼容。整流电路520、521输出的驱动位移幅度信号通过减法电路与预设的基准幅度进行比较。斩波器522将基准电压同样调制到高频，电压/电流转换电路523、524将减法器输入信号由电压域转化至电流域进行相减比较，斩波器525将误差电流信号解调至低频域后通过比例积分滤波电路526转化为幅度控制电压对振荡器环路增益进行调节。

如图7所示为图6中整流电路的局部放大图。

电阻542、543提取驱动速度的共模电平做为斩波器544、545的参考输入。546、547为二选一电压跟随器，其输出只跟随信号较大输入端的输入信号，因此可实现整流功能。同时546、547中的晶体管均偏置在亚阈值区，因此该整流电路具有低功耗的优点。由于采用了差分结构，该整流电路还可较好的抑制温度对其幅度提取精度的影响。

如图8所示为图6中减法电路与比例积分电路的局部放大图。

减法电路的输入级537、538将幅度及基准输入电压转化为电流输入。在电压/电流转换电路中利用电阻534、535代替了尾电流源晶体管，消除了该部分电路闪频噪声的干扰，同时在输入晶体管532、533前增加了放大器531及反馈电阻网络527-530，降低了电压/电流转换电路增益随532、533跨导变化的影响，因此该电压/电流转化电路从根源上消除了来自偏置电流闪频噪声的干扰。共模反馈电路539为减法电路提供必要的共模电平，斩波器540将误差电流信号解调至低频并经过比例积分滤波器541产生幅度控制电压。

图9所示为图6中斩波器的局部放大图。

斩波器两对互补型MOS开关构成，斩波控制信号通过控制开关阵列的导通顺序实现对输入信号的频率调制。每对MOS开关由NMOS549、551与PMOS550、552组成，互补型结构有利于降低MOS开关的导通电阻，改善其动态特性。

图10所示为图5中可变增益放大器的电路图。

该电路由一对差分结构的跟随器构成，其中位于下方的晶体管556、558、560、562偏置在线性区用作压控电阻，幅度控制信号调节其等效电阻。555、557、559、561偏置在饱和区，553与554为两个支路提供必要的偏置电流，输出的驱动电压信号幅度正比于驱动速度信号与幅度控制信号的乘积。该电路结构由于将下侧的晶体管556、558、560、562偏置在线性区，节省了较大的电压裕度，因此该电路更加适合在低电源电压情况下工作，同时有利于提供较大的初始增益，利于陀螺驱动模态的快速起振。

图11所示为图2中三阶低通型CRFF结构ΣΔ模数转换器的电原理框图。

所述第一三阶ΣΔ型模数转换器204包括第一积分器601、第二积分器602、第三积分器604、第一前馈器605、第二前馈器606、反馈器603、加法器607和比较器608；

所述第一积分器601的输入端与跨阻式前置放大器202的输出端相连，其输出端与第二积分器602的信号输入端相连，所述第三积分器604的输入端与第二积分器602的输出端相连，其输出端通过反馈器603与第二积分器602的比较输入端相连，所述第三积分器604的输出端还通过第二前馈器606与加法器607的第一输入端相连，所述加法器607的第二输入端与第二积分器602的输出端相连，其第三输入端通过第一前馈器605与第一积分器601的输出端相连，其第四输入端与跨阻式前置放大器202的输出端相连，所述加法器607的输出端通过比较器608与第一积分器601的输入端相连。

ΣΔ模数转换器采用三阶低通型CRFF结构，由三级具有双相关采样功能的积分器601、602、604组成。三级积分器的输出及输入信号经过前馈环节605、606后输入至加法器607进行加权，加法器的输出经过一位比较器608后实现1bit数字化，该数字量反馈至第一级积分器601输入端与输入信号相抵消。第三级积分器604的输出经过反馈环节603反馈至第二级积分器的输入端。该模数转换器的过采样比为64，采样频率为1MHz，带宽为8kHz，在带宽内具有三阶量化噪声整形功能。该模数转换器针对陀螺工作频率附近(6kHz)的量化噪声进行了零极点优化处理，对6kHz附近的量化噪声具有陷波效果，进一步提高了其信噪比。利用该ΣΔ模数转换器可对陀螺的驱动及检测前放输出交流信号进行数字化。

图12为驱动频率测量、数字滤波、温度补偿、解调和输出环境原理图。

图13为SPI接口信号传输示意图。

由于硅材料杨氏模量所固有的温度系数，硅微陀螺仪的驱动频率可精确的表征陀螺敏感结构的内部温度，利用该频率信号进行温度补偿可解决在温变环境下陀螺仪存在的温度滞回问题。如图12所示，陀螺驱动检测信号经过锁相环倍频及滤波后输入至频率测量电路609，频率测量电路通过外部基准时钟对锁相环的输出信号进行计数，计数器的计数结果在每个输入信号周期结束时更新一次，将两次连续计数的差值作为待测信号频率的表征，该原理的频率测量电路具有一阶噪声整形功能，可有效的提高计数精度，降低所需要的计数时钟频率。CIC滤波器610对频率测量电路的4bit输出进行降采样处理，滤波后频率输出信号为12bit。陀螺驱动及检测信号经过ΣΔ模数转换器后的输出经过611、612的4阶CIC滤波器以实现对3阶噪声整形特性ADC输出的降采样滤波，防止发生噪声混叠，滤波后输出数据为18bit。驱动及检测轴的数字信号经过降采样滤波后经过乘法器613后实现角速度解调，解调后输出数据为24bit。SPI接口614的时钟频率为4MHz，SPI接口信号如图13所示。其中SPI_MO1输出解调后的角速度信号(24bit)[0：23]及驱动频率信号所表征的温度信号(12bit)[24：35]；SPI_MO2输出驱动[0：17]及检测[18：35]轴解调前的ADC输出信号，各18bit。通过该SPI接口可实现陀螺与上位机的通讯。

Claims (5)

1.一种用于硅微音叉陀螺的集成测控单元，其特征在于：

包括跨阻式前置放大器、电荷式前置放大器、自动增益控制器、第一三阶ΣΔ型模数转换器、第二三阶ΣΔ型模数转换器、模拟乘法器、数字模块，

所述自动增益控制器的输入端与跨阻式前置放大器的第一速度信号输出端相连，其输出端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构相连，跨阻式前置放大电路的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，其第二速度信号输出端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，

所述电荷式前置放大器的输入端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的检测轴电连接，其位移信号输出端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，

所述模拟乘法器的速度信号输入端与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其移信号输入端与第二三阶ΣΔ型模数转换器的输入端相连，其输出端为模拟解调信号输出端，

所述数字模块的输入端分别与第一三阶ΣΔ型模数转换器的输出端和第二三阶ΣΔ型模数转换器的输出端相连，其输出端用于与嵌入式处理器相连；

所述跨阻式前置放大器，用于检测驱动轴振动幅值并输出运动速度信号；

所述电荷式前置放大器，用于测试陀螺检测轴的振动位移；

所述自动增益控制器，用于通过速度信号的幅值来调节反馈信号的幅值，保持驱动轴的振动速度不变；

所述第一三阶ΣΔ型模数转换器、第二三阶ΣΔ型模数转换器，用于将驱动位移信号或检测信号转换为数字信号；

所述模拟乘法器，用于解调驱动速度信号与检测位移信号，以得到模拟解调输出信号；

所述数字模块，用于将数字信号滤波、频率读出、解调，温度补偿并输出。

2.根据权利要求1所述的集成测控单元，其特征在于：

所述跨阻式前置放大器包括第一差分运算放大器、第一反馈电容、第二反馈电容、第一偏值电阻、第二偏值电阻、第一寄生电容、第二寄生电容、第二差分运算放大器、第一前置电容、第二前置电容、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一补偿电容和与第二补偿电容；

所述第一差分运算放大器的输入正端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第一寄生电容接地，其输入负端用于与硅微音叉陀螺的微机械结构的驱动轴电连接，并通过第二寄生电容接地，

所述第一差分运算放大器的输出负端通过第一前置电容与第二差分运算放大器的输入正端相连，其输出正端通过第二前置电容与第二差分运算放大器的输入负端相连，

所述第一反馈电容与第一偏值电阻并联后，一端与第一差分运算放大器的输入正端相连，另一端与第一差分运算放大器的输出负端相连，

所述第二反馈电容与第二偏值电阻并联后，一端与第一差分运算放大器的输入负端相连，另一端与第一差分运算放大器的输出正端相连，

所述第一反馈电阻与第一补偿电容并联后，一端与第二差分运算放大器的输入正端相连，另一端与第二差分运算放大器的输出负端相连，

所述第二反馈电阻与第二补偿电容并联后，一端与第二差分运算放大器的输入负端相连，另一端与第二差分运算放大器的输出正端相连。

3.根据权利要求1所述的集成测控单元，其特征在于：

所述电荷式前置放大器包括差分运算放大器、第一检测电容、第二检测电容、第一寄生电容、第二寄生电容、第一偏值电阻、第二偏值电阻、第一反馈电容、第二反馈电容；

所述差分运算放大器的输入正端通过第一检测电容用于与硅微音叉陀螺的检测模态公共电极相连，并通过第一寄生电容接地，其输入负端通过第二检测电容用于与硅微音叉陀螺的检测模态公共电极相连，并通过第二寄生电容接地，

所述第一偏值电阻与第一反馈电容并联后，一端与差分运算放大器的输入正端相连，另一端与差分运算放大器的输出负端相连，

所述第二偏值电阻与第二反馈电容并联后，一端与差分运算放大器的输入负端相连，另一端与差分运算放大器的输出正端相连。

4.根据权利要求1所述的集成测控单元，其特征在于：

所述自动增益控制器包括第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路、整流电路、减法电路、比例积分滤波电路、可变增益放大器；

所述整流电路的输入端通过第一斩波电路与跨阻式前置放大器的第一速度信号输出端相连，其输出端与减法电路的比较输入端相连，减法电路的基准输入端通过第二斩波电路与基准电压相连，其输出端通过第三斩波电路与比例积分滤波电路的输入端相连，比例积分滤波电路的输出端用于与可变增益放大器相连，可变增益放大器的另一组输入端用于与第一速度信号输出端相连，可变增益放大器的输出端与硅微音叉陀螺驱动电极相连。

5.根据权利要求1所述的集成测控单元，其特征在于：

所述第一三阶ΣΔ型模数转换器包括第一积分器、第二积分器、第三积分器、第一前馈器、第二前馈器、反馈器、加法器和比较器；

所述第一积分器的输入端与跨阻式前置放大器的输出端相连，其输出端与第二积分器的信号输入端相连，所述第三积分器的输入端与第二积分器的输出端相连，其输出端通过反馈器与第二积分器的比较输入端相连，所述第三积分器的输出端还通过第二前馈器与加法器的第一输入端相连，所述加法器的第二输入端与第二积分器的输出端相连，其第三输入端通过第一前馈器与第一积分器的输出端相连，其第四输入端与跨阻式前置放大器的输出端相连，所述加法器的输出端通过比较器与第一积分器的输入端相连。

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