CN106323263A - 硅微陀螺机电结合带通sigma‑delta闭环检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅微陀螺机电结合带通sigma‑delta闭环检测电路，包括依次连接的SMG的电容/电压转换电路、前置运放电路、模数转换器、数字谐振器、一位量化器和一位DAC电路；本发明的闭环检测电路可以有效消除由于机械加工误差带来的检测误差，消除检测输出对陀螺加工误差的敏感度；提高整个检测环路的带宽；可以有效地对后面的一位量化环节进行噪声整形，提高整个检测环路的信噪比。

Description

硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路
技术领域
本发明涉及一种控制装置，特别是一种硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路。
背景技术
硅微陀螺仪是一类用于测量运动物体的姿态或转动角速度的传感器，无论在军事还是在民用方面，都发挥着巨大的作用。硅微角速率传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低、可批量生产、易于与电子线路集成等等优点，使其在高精度炮弹、炮弹的惯性导航系统、平衡车，日常电子设备等军民用领域均有着广泛的应用。
作为本专利基础的硅微陀螺仪的结构简图如图1所示，是一种典型的Z轴科里奥利陀螺仪。X轴方向为其驱动轴向，和驱动接口电路配合后构成振荡环路，提供产生哥氏力的速度基准信号。Y轴方向为其检测轴向，通过哥氏力引起的检测极板间电容的变化来检测Z轴方向的输入角速度，同时由于陀螺仪本身的机械误差驱动端的运动会耦合到检测端引起正交误差，也会引起检测极板间电容的变化，最终两检测极板构成差分电流is-，is+输出。
目前国内的硅微陀螺的检测电路多为开环检测，而少数的带通sigma-delta闭环检测电路都为连续时间SDM设计，连续时间SDM设计过程复杂，电路参数无法进行在线修改。
发明内容
本发明的硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路，可以在FPGA中对检测环路的参数进行在线修改，使得检测电路可以适用于不同参数的硅微陀螺。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路，包括依次连接的SMG的电容/电压转换电路、前置运放电路、模数转换器、数字谐振器、一位量化器和一位DAC电路；
所述SMG的电容/电压转换电路将接收到的电容的变化转换成两路幅值相同，相位相差180°的差分电流信号is-，is+输出，幅值随着角速度而变化；
所述前置运放电路将两路差分电流信号放大并转换成电压信号VS-，VS+，使其输出接近于模数转换器ADC的量程，从而提高ADC的采样精度与最大利用率；
所述模数转换器用于将电压信号VS-，VS+转换成数字信号输入到FPGA中，所用的ADC是一个差分输入单端输出的ADC；
所述数字谐振器用于调节整个环路的零极点以及开环增益，从而达到搬离后面的量化噪声的目的；
所述一位量化器用于将上述的数字谐振器的处理信号进行和0比较，实现1，-1的疏密相间的脉冲串输出，得到一位量化输出sgnout，其疏密程度反映了输入信号的幅值，并且反馈到一位DAC电路中-1的脉冲信号作为低电平0进行处理，而1的脉冲信号仍作为高电平1进行处理，最终得到反馈脉冲信号sgnout0；
所述一位DAC环节用于将一位量化环节的输出信号进行一位DAC转化，提供陀螺反馈极板的反馈电压。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的闭环检测电路可以有效消除由于机械加工误差带来的检测误差，消除检测输出对陀螺加工误差的敏感度；提高整个检测环路的带宽；可以有效地对后面的一位量化环节进行噪声整形，提高整个检测环路的信噪比；最后输出为包含有陀螺角速度信息的疏密相间的脉冲串；本发明在FPGA中实现环路谐振器，一位量化等数字处理功能，使得参数可以在线修改，为硅微陀螺检测回路的ASIC化、批量化生产提供方法和技术基础。
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
附图说明
图1是硅微陀螺结构示意图。
图2是sigma-delta调制器原理图。
图3是四阶积分器的SDM结构。
图4是具有反馈结构的敏感模态结构功能示意图。
图5是两级前置运放电路图。
图6是模数转换器模块电路图。
图7是一位DAC电路图。
图8是本发明的硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路图。
具体实施方式
结合图8，本发明的硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路包括依次连接的SMG的电容/电压转换电路2、前置运放电路3、模数转换器4、数字谐振器5、一位量化器6和一位DAC电路7；
所述SMG的电容/电压转换电路2将接收到的电容的变化转换成两路幅值相同，相位相差180°的差分电流信号is-，is+输出，幅值随着角速度而变化；
所述前置运放电路3将两路差分电流信号放大并转换成电压信号VS-，VS+，使其输出接近于模数转换器ADC4的量程，从而提高ADC的采样精度与最大利用率；
所述模数转换器4用于将电压信号VS-，VS+转换成数字信号输入到FPGA中，所用的ADC是一个差分输入单端输出的ADC；
所述数字谐振器5用于调节整个环路的零极点以及开环增益，从而达到搬离后面的量化噪声的目的；
所述一位量化器6用于将上述的数字谐振器5的处理信号进行和0比较，实现1，-1的疏密相间的脉冲串输出，得到一位量化输出sgnout，其疏密程度反映了输入信号的幅值，并且反馈到一位DAC电路7中-1的脉冲信号作为低电平0进行处理，而1的脉冲信号仍作为高电平1进行处理，最终得到反馈脉冲信号sgnout0；
所述一位DAC环节7用于将一位量化环节6的输出信号进行一位DAC转化，提供陀螺反馈极板的反馈电压。
结合图7，所述的一位DAC电路7由四通道开关芯片U15来完成功能，该四通道开关芯片U15使用的芯片型号是ADG713，使用到的引脚如下：控制电平一IN1、控制电平二IN2、控制电平三IN3、控制电平四IN4、基准输入一S1、基准输入二S2、基准输入三S3、基准输入四S4、控制输出一D1、控制输出二D2、控制输出三D3、控制输出四D4、U15供电VDD和U15地基准GND1；
其中控制电平一IN1和控制电平二IN2和控制电平三IN3和控制电平四IN4一起连接到反馈脉冲信号sgnout0，作为四个通道开关的控制输入，控制输出一D1和控制输出二D2一起连接到输出负反馈端vsa-，作为输出到负反馈极板A2的反馈电压，控制输出三D3和控制输出四D4一起连接到输出正反馈端vsa+，作为输出到正反馈极板A1的反馈电压，基准输入一S1和基准输入三S3一起连接到输入基准电压1vsaREF，为控制输出一D1和控制输出三D3提供基准电压，输入基准电压1vsaREF由外部模块的基准芯片提供，基准输入二S2和基准输入三S3一起连接到U15地基准GND1并一起接到地层；
当反馈脉冲信号sgnout0为高电平+1的时候，基准输入一S1和控制输出一D1导通，基准输入三S3和控制输出三D3断开，基准输入四S4和控制输出四D4导通，基准输入二S2和控制输出二D2断开，从而使得控制输出一D1有效连接到输入基准电压1vsaREF，而控制输出四D4有效连接到U15地基准GND1，从而使得输出负反馈端vsa-与输入基准电压1vsaREF相连，输出正反馈端vsa+与U15地基准GND1相连，从而对质量块M产生一个由正反馈极板A1向负反馈极板A2运动的反馈力，同样的，当反馈脉冲信号sgnout0为低电平0的时候，会对质量块M产生一个由负反馈极板A2向正反馈极板A1运动的反馈力,并且反馈力的维持时间都为一个采样周期的时间，从而实现对陀螺反馈极板的脉冲密度反馈。
本发明以硅微陀螺高阶带通Sigma-Delta调制器SDM为研究对象，重点研究Sigma-Delta调制器在陀螺闭环检测中的应用，在FPGA中实现环路谐振器，一位量化等数字处理功能，使得参数可以在线修改，为硅微陀螺检测回路的ASIC化、批量化生产提供方法和技术基础。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例
结合图1，本发明利用了Sigma-Delta调制器的结构原理来设计以上的闭环检测电路，如图2所示，Sigma-Delta调制器由环路内的积分器Hf，量化器组成，量化器的输入模型由图中的e[n]来代替，表示其引起的量化噪声；SDM的阶数由积分器的个数决定，积分器个数越多，噪声抑制性能越好，但相反会导致系统的稳定性变差。其中Hf代表了多个积分器结构；SDM相对于采样器的优点就是可以通过环路结构来实现量化噪声和输入信号通过不同的传递函数，从而使得噪声得到整形，而原有的有用信号得到保留。
本发明采用的是一个四阶积分器的SDM结构，如图3所示，其中前两阶积分器由陀螺敏感机械结构1代替，后两阶的结构在FPGA中实现，中间利用模数转换器(ADC)4实现由模拟信号到数字信号的转换。
本发明陀螺敏感机械结构的功能示意图如图4所示，中间极板为运动质量块，A1，A2，S1，S2分别是固定极板；左边的S1和S2为检测输出，由叠加力引起质量块的位移y，这里是一个二阶的二阶质量-弹簧-阻尼系统，其敏感模态的传递函数可以表示为:my是质量块的质量；wd是敏感模态的谐振频率，每个陀螺都不一样，本发明中陀螺谐振频率大致为6.3K，所以后面输出差分电流is-，is+的频率和wd一样，也都为6.3K左右；Qy是品质因数，三个参数都是陀螺的机械参数有；位移y引起电容的变化，然后最终在上下极板S1和S2产生差分电流输出is-，is+，转换关系为其中VS为极板之间的预置电压，由后面的放大电路提供，这边给的预置电压为REF10V，是常数，即为位移对时间的求导，所以这边会有一个+90°的相移；然后经过跨电容前置运放电路3将其信号进行放大以及转化为电压信号，送入到模数转换器(ADC)4进行采样；右边的极板A1，A2为反馈极板，送入由后面的一位量化6后，经过一位DAC环节7的反馈脉冲电压信号。
上述跨电容前置运放电路3在实施过程中，考虑到由于是闭环反馈检测，导致陀螺检测输出变得很小，所以采用两级放大电路，如图5所示；考虑到失调电压，共模抑制比等因素，这边选用的放大器型号是AD8642；第一级放大电路采用跨电容放大，使得相位改变-90°，正好弥补上一条中的+90°的相移，其中跨电容阻值大小为1pf，如图中的C10，C13所示；由于运算放大器工作需要一个直流偏置点，所以需要并联一个电阻，即为图中的R7，R14，而且要使得第一级放大工作特性与积分器(相位改变-90°)等效，所以需要调整电阻值使得放大电路的截止频率足够小，这边采用的参数是两个500M的电阻值R7，R14，截止频率为318HZ，远小于信号的频率6.3KHZ；REF10V即为上一条中提到的预置电压，可以通过R10&R11来调节实际的预置电压值；第一级放大之后会有一定的直流偏置误差，所以后面加了两对RC电路(C11&R12，C12&R13)进行高通滤波，滤除直流的低频成分，保留高频的6.3K信号；而第二级采用同相放大电路，不改变相位，通过调节R8&R9，R15&R16两对电阻大小可以改变放大倍数；为满足后面的ADC的采样要求，对输出的电压信号加了2.5V的偏置,即为图中的REF2V5，由基准芯片ADR4525提供；而电路中的+12V，-12V都为对运放的供电，由电源层提供供电；最终得到两路带2.5V偏置的差分信号VS-,VS+。
本发明中用到了模数转换器(ADC)(4)环节，采用模数转换芯片是AD7690，为差分输入单端输出的ADC，具体实现原理如图6所示；R17，R18，C30，C31起可以滤掉高频噪声，减少ADC的数字信号对前面模拟信号的干扰，提高输入信号质量；两路差分信号VS-,VS+经过R17，R18，C30，C31之后输入到ADC的输入端IN-，IN+；通过数据手册，ADC的供电置为+5V，由电源层电压提供；参考电压REF考虑到输入电压值的大小，这里设置的值为REF5V，由基准芯片ADR02提供参考；VIO,SDI为提供数字电路电平电压的输入，这里设置成3.3V，后期与FPGA的匹配中，FPGA的IO口也为3.3V；与FPGA的通信方式为SPI通信，通信引脚有SCK，SDO，CNV，最后由插针J2和FPGA的IO口进行连接；C25，C27，C28，C29皆为对输入电压的滤波功能。
由模数转换器(ADC)(4)采集到检测输出信号，然后经过SPI通信协议送入到FPGA中进行数据处理；本发明采用的FPGA芯片型号是EP4CE6F17C8N，然后在FPGA中实现后面两级积分器模块(包括两个积分器模块)以及前馈系数a1,a2,a3,a4和反馈系数g2，如附图3所示。
所述前馈系数a1,a2,a3,a4和反馈系数g2，由DSToolbox来获取，DSToolbox是一种专门用于设计SDM的matlab工具箱，可以先在DSToolbox中获得这些系数之后，然后再写入到FPGA里面运行。
经过对信号的处理之后，需要进行一位量化处理，如图3所示，一位量化处理之后得到角速度输出信息(10)，为1，-1的疏密相间的脉冲串，代表了环路中输入的叠加力的信息，通过解调和标定即可得到角速度。
上述得到的1，-1的疏密相间的脉冲串，将其用于反馈，反馈的极板如图4所示；当输出为1的时候，由于是负反馈，即为反馈一个脉冲电压到下极板A2，当输出为-1的时候，同理反馈一个脉冲电压到上极板A1，动态的反馈电压在极板上产生反馈力f3，最终达到和输入的叠加力f12的平衡；从而得到的环路输出包含了叠加力f12的信息，即为包含有角速度的信息。
脉冲密度反馈是本发明中一个重要的环节，在电路实现中采用ADG713开关芯片来提供其反馈的基准电压，如图7所示；ADG713是一个四路开关电路，由芯片中的IN1的电平的高低来控制D1与S1是否相连，高电平的时候，则相连，低电平，则断开，IN4控制的功能与IN1相同，而IN2，IN3控制的功能正好相反，FPGA输入为高电平的时候，D2与S2，D3与S3断开，低电平的时候则闭合；根据芯片手册，供电是+5V，由电路板中的电源层来提供；1,16,9,8引脚连接在一起接到FPGA一位量化之后的输出端；14,6,5连接到地层；2，15连接在一起，为输出负反馈端vsa-，连接到陀螺的负反馈极板A2；10,7连接在一起，为输出正反馈端，连接到陀螺的正反馈极板A1；3,11连接在一起，对正负反馈端提供参考电压vsaREF，由外部基准芯片提供基准电压，这边给的基准是+3.3V；经过这样的连接之后，当FPGA出来的是高电平+1的时候，vsaREF与vsa-相连，送入到下极板，GND与vsa-相连，送到上极板；当FPGA出来的是低电平的时候，vsaREF与vsa+相连，送入到上极板，GND与vsa-相连，送到下极板；并且电压维持的时间为一个采样周期，然后等待当下一个周期一位量化值的输出，这样就实现了对陀螺反馈极板的脉冲密度反馈。
上述反馈力f3由陀螺的反馈极板产生，即为由图4中反馈极板A1，A2和中间极板组成的反馈结构来实现；在某一个周期内，由于vsaREF不变，上下反馈极板的反馈电压也不变，所以会产生不变的一个反馈力，其值大小与反馈系数成正比，方向与vsaREF作用的极板位置相关，作用在下极板的时候，则方向向下，作用在上极板的时候，方向向上；所以最终一位量化的不同输出产生疏密相间的反馈电压作用到反馈极板上，并产生脉冲密度反馈形式的反馈力，达到和检测极板的叠加力f12的力平衡；
经过脉冲密度反馈，达到整个系统的力平衡，最终达到力反馈闭环检测的目的，得到一位量化出来1，-1疏密相间的角速度信息。
本发明的闭环检测电路可以有效消除由于机械加工误差带来的检测误差，消除检测输出对陀螺加工误差的敏感度；提高整个检测环路的带宽；可以有效地对后面的一位量化环节进行噪声整形，提高整个检测环路的信噪比；最后输出为包含有陀螺角速度信息的疏密相间的脉冲串。

Claims (2)

1.一种硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路，其特征在于，包括依次连接的SMG的电容/电压转换电路(2)、前置运放电路(3)、模数转换器(4)、数字谐振器(5)、一位量化器(6)和一位DAC电路(7)；
所述SMG的电容/电压转换电路(2)将接收到的电容的变化转换成两路幅值相同，相位相差180°的差分电流信号i(t)1，i(t)2输出，幅值随着角速度而变化；
所述前置运放电路(3)将两路差分电流信号放大并转换成电压信号VS-，VS+，使其输出接近于模数转换器ADC(4)的量程，从而提高ADC的采样精度与最大利用率；
所述模数转换器(4)用于将电压信号VS-，VS+转换成数字信号输入到FPGA中，所用的ADC是一个差分输入单端输出的ADC；
所述数字谐振器(5)用于调节整个环路的零极点以及开环增益，从而达到搬离后面的量化噪声的目的；
所述一位量化器(6)用于将上述的数字谐振器(5)的处理信号进行和0比较，实现1，-1的疏密相间的脉冲串输出，得到一位量化输出sgnout，其疏密程度反映了输入信号的幅值，并且反馈到一位DAC电路(7)中-1的脉冲信号作为低电平0进行处理，而1的脉冲信号仍作为高电平1进行处理，最终得到反馈脉冲信号sgnout0；
所述一位DAC环节(7)用于将一位量化环节(6)的输出信号进行一位DAC转化，提供陀螺反馈极板的反馈电压。
2.根据权利要求1所述的硅微陀螺机电结合带通sigma-delta闭环检测电路，其特征在于，所述的一位DAC电路(7)由四通道开关芯片(U15)来完成功能，该四通道开关芯片(U15)使用的芯片型号是ADG713，使用到的引脚如下：控制电平一(IN1)、控制电平二(IN2)、控制电平三(IN3)、控制电平四(IN4)、基准输入一(S1)、基准输入二(S2)、基准输入三(S3)、基准输入四(S4)、控制输出一(D1)、控制输出二(D2)、控制输出三(D3)、控制输出四(D4)、U15供电(VDD)和U15地基准(GND1)；
其中控制电平一(IN1)和控制电平二(IN2)和控制电平三(IN3)和控制电平四(IN4)一起连接到反馈脉冲信号(sgnout0)，作为四个通道开关的控制输入，控制输出一(D1)和控制输出二(D2)一起连接到输出负反馈端(vsa-)，作为输出到负反馈极板(A2)的反馈电压，控制输出三(D3)和控制输出四(D4)一起连接到输出正反馈端(vsa+)，作为输出到正反馈极板(A1)的反馈电压，基准输入一(S1)和基准输入三(S3)一起连接到输入基准电压1(vsaREF)，为控制输出一(D1)和控制输出三(D3)提供基准电压，输入基准电压1(vsaREF)由外部模块的基准芯片提供，基准输入二(S2)和基准输入三(S3)一起连接到U15地基准(GND1)并一起接到地层；
当反馈脉冲信号(sgnout0)为高电平+1的时候，基准输入一(S1)和控制输出一(D1)导通，基准输入三(S3)和控制输出三(D3)断开，基准输入四(S4)和控制输出四(D4)导通，基准输入二(S2)和控制输出二(D2)断开，从而使得控制输出一(D1)有效连接到输入基准电压1(vsaREF)，而控制输出四(D4)有效连接到U15地基准(GND1)，从而使得输出负反馈端(vsa-)与输入基准电压1(vsaREF)相连，输出正反馈端(vsa+)与U15地基准(GND1)相连，从而对质量块(M)产生一个由正反馈极板(A1)向负反馈极板(A2)运动的反馈力，同样的，当反馈脉冲信号(sgnout0)为低电平0的时候，会对质量块(M)产生一个由负反馈极板(A2)向正反馈极板(A1)运动的反馈力,并且反馈力的维持时间都为一个采样周期的时间，从而实现对陀螺反馈极板的脉冲密度反馈。
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