CN107436144A - 自动消除陀螺仪正交误差的电路 - Google Patents

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Abstract

一种自动消除陀螺仪正交误差的电路，包括：电容‑电压转换电路(2)，其输入端和MEMS陀螺器件(1)的信号检测端连接；信号放大电路(3)，其输入端和电容‑电压转换电路(2)的输出端连接；自动增益控制电路(4)，其输入端一路为锁相环电路(5)输出的稳幅稳频信号，输入端另一路来自于信号放大电路(4)的输出；移相电路(8)，其输入端来自自动增益控制电路，输出到MEMS陀螺器件(1)的检测反馈端。本发明可以自动控制ZRO输出电平，从而消除不同批次陀螺器件由于工艺误差或者环境变化引起的正交误差，提高陀螺检测灵敏度。

Description

自动消除陀螺仪正交误差的电路
技术领域
本发明涉及MEMS(微机电系统，Microelectro Mechanical System)及相关外围驱动电路领域，具体的涉及一种自动消除陀螺仪正交误差的电路。
背景技术
陀螺仪广泛应用于工业、军事、汽车、消费电子产品领域。MEMS陀螺作为近年来兴起的角速度传感器与传统的机械陀螺，光纤陀螺相比具有体积小、功耗低，与标准CMOS工艺兼容等优点，应用前景广阔。
MEMS陀螺器件是基于微机械加工的器件，它主要依靠科氏力来检测器件的角速度信号。它有两个工作模态，驱动模态和检测模态。如附图1所示，在理想情况下，当陀螺的驱动端施加一个驱动模态本征频率电信号之后，陀螺的质量块会在驱动轴(X)以本征频率做来回振动。当外界有一个Z轴向的角速度输入时，在科氏力的作用下，质量块会同时在检测轴(Y)振动，振动幅度和角速度的大小呈线性关系。通过检测这个检测轴振动幅度就可以求得当前的角速度大小。
由于微机械加工的制造工艺缺陷可能会导致陀螺出现非理想型结构，实际工作时驱动模态的质量块并不是严格在驱动轴向振动，可能会与驱动轴有一个小的角度偏差，这个小的偏差角度会使得驱动轴的振动之间耦合到检测轴，使得陀螺即使在角速度输入为零的情况下也还有检测信号输出。这种现象称之为正交误差。
驱动轴到检测轴的耦合机制有弹性耦合，粘性耦合和静电力耦合，对于采用悬梁壁结构的陀螺来说，绝大部分耦合来自于弹性耦合，而且即使最小的弹性耦合位移也足以覆盖科氏力响应位移。一般来说等效正交误差比定义为正交耦合弹力和单位角速度引起的科氏力之比。
因为所以可以简化为：
从上式可以看出，等效正交误差比的值非常大，微小的正交耦合弹性系数都会引起很大的正交误差，也说明正交误差要比科氏力引起的检测模态位移幅值大得多，举例说明，当谐振频率为10KHz时，如果有1％的正交耦合弹力系数，那么引起的正交角度误差为18000°/sec。
从考虑正交误差的动力学方程来看，由角速度引起的科氏力和弹性耦合引起的正交驱动力相位相差90°，理论上是可以通过相干解调消除零偏输出(Zero Rate Output，ZRO)的。但是由于ZRO相对实际角速度信号特别大，所以对相干解调的相位精度要求太高，相位的微小误差都会导致正交耦合信号淹没角速度信号。此外ZRO信号和实际角速度信号混在一起会严重扩大检测通道的信号动态范围，而且大的ZRO信号对时间和温度的稳定性要求更高，如果正交信号耦合到角速度信号的量随时间和温度变化，陀螺检测性能对温度和时间的稳定性必然会恶化。
因此在陀螺仪中必须采用技术手段自动消除正交误差，现有技术的问题在于MEMS陀螺仪因为工艺制造缺陷或者环境因素导致的驱动模态振动正交耦合到检测模态产生的大幅值正交误差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自动消除MEMS陀螺仪的正交误差电路。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种自动消除陀螺仪正交误差的电路，包括：MEMS陀螺器件，电容-电压转换电路，信号放大电路，自动增益控制电路，锁相环电路和移相电路，其中，
所述电容-电压转换电路，其输入端和MEMS陀螺器件的信号检测端连接，用于将该检测端输出的电流转换成电压；
所述信号放大电路，其输入端和电容-电压转换电路的输出端连接，用于将微弱的检测电压信号放大，便于后续电路处理；
所述自动增益控制电路，其输入端一路为锁相环电路输出的稳幅稳频信号，输入端另一路来自于信号放大电路的输出；
所述移相电路，其输入端来自自动增益控制电路，输出到MEMS陀螺器件的检测反馈端。
优选的，所述自动增益控制电路包括信号相干检测电路、积分器电路和可变增益放大器电路，其中，
信号相干检测电路的输入端为自动增益控制电路的两路输入端，信号相干检测电路用于解调出信号放大电路中的ZRO输出分量并得到幅值信息；
积分器电路的输入端连接信号相干检测电路的输出端，积分器电路用于将零偏输出的幅值和参考电平比较，将差值积分，得到的输出信号作为可变增益放大器的增益控制；以及
可变增益放大器电路的输入端连接积分器电路的输入端，并且输出信号至移相电路所述的输入端，可变增益放大器电路用于在增益控制信号的作用下调节输出到检测反馈端的激励信号。
优选的，还包括驱动环路电路，其中，所述驱动环路电路，其连接MENS陀螺器件，用于MEMS陀螺驱动模态机械能量到电学信号的转换和放大滤波移相等。
优选的，所述锁相环电路连接在所述驱动环路电路和MEMS陀螺器件之间，在驱动环路锁定之后用于给驱动端提供稳频稳幅的激励信号和检测通道的信号解调参考信号。
优选的，还包括检测信号处理电路，检测信号处理电路输入来自信号放大电路，用于输出陀螺角速度检测信号。
优选的，电容-电压转换电路包括跨阻放大器结构，以实现MEMS检测端的微弱电流到电压的转换。
优选的，所述跨阻放大器包括运算放大器，一保证微弱信号的检测灵敏度。
优选的，移相电路的相移为90°，以保证驱动激励和检测反馈激励信号为正交。
(三)有益效果
通过上述技术方案，本发明的电路所实现的有益效果在于：
本发明电路可以自动消除不同工艺批次MEMS陀螺仪的正交误差，使得角速度检测信号不受外界干扰，降低检测通道对动态范围的要求，提高陀螺仪的角速度检测灵敏度；
(2)通过设置信号相干检测电路，可以解调出信号放大电路中的ZRO输出分量，并得到幅值信息；
(3)通过设置积分器电路，可以将ZRO的幅值和参考电平(零电平)比较，将差值积分，得到的输出信号作为可变增益放大器的增益控制；
(4)通过设置可变增益放大器，可以在增益控制信号的作用下调节输出到检测反馈端的激励信号，从而控制ZRO信号在零电平。
附图说明
图1是已有的MEMS陀螺正交耦合示意图；
图2是本发明一实施例提出的MEMS陀螺仪正交误差消除电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种自动消除陀螺仪正交误差的电路，包括MEMS陀螺器件、电容-电压转换电路、信号放大电路、自动增益控制电路、锁相环电路、和移相电路，其中，
电容-电压转换电路的输入端和MEMS陀螺器件的信号检测端连接，用于将该检测端输出的电流转换成电压；
信号放大电路的输入端和电容-电压转换电路的输出端连接，用于将微弱的检测电压信号放大，便于后续电路处理；
自动增益控制电路的输入端一路为锁相环电路输出的稳幅稳频信号，输入端另一路来自于信号放大电路的输出，；
移相电路的输入端来自自动增益控制电路，输出到MEMS陀螺器件的检测反馈端。
对于所述自动增益控制电路，其主要包括信号相干检测电路、积分器电路和可变增益放大器电路，其中，信号相干检测电路的输入端即为自动增益控制电路的输入端，信号相干检测电路用于解调出信号放大电路中的零偏输出分量并得到幅值信息；积分器电路的输入端连接信号相干检测电路的输出端，积分器电路用于用于将零偏输出的幅值和参考电平比较，将差值积分，得到的输出信号作为可变增益放大器的增益控制；以及可变增益放大器电路的输入端连接积分器电路的输入端，并且输出信号至移相电路所述的输入端，可变增益放大器电路用于在增益控制信号的作用下调节输出到检测反馈端的激励信号。
优选的，还包括驱动环路电路，其中，驱动环路电路连接MENS陀螺器件，用于MEMS陀螺驱动模态机械能量到电学信号的转换和放大滤波移相等。
本发明中，所述锁相环电路连接在所述驱动环路电路和MEMS陀螺器件之间，在驱动环路锁定之后用于给驱动端提供稳频稳幅的激励信号和检测通道的信号解调参考信号。
优选的，还包括检测信号处理电路，检测信号处理电路输入来自信号放大电路，用于输出陀螺角速度检测信号。
其中，电容-电压转换电路(3)包括跨阻放大器结构，以实现MEMS检测端的微弱电流到电压的转换。
其中，所述跨阻放大器包括运算放大器，一保证微弱信号的检测灵敏度。
其中，移相电路的相移为90°，以保证驱动激励和检测反馈激励信号为正交。
根据本发明，MEMS陀螺仪的正交误差消除可以通过ZRO电平控制检测反馈端的激励信号水平来实现，其详细原理如下：
正交误差是由于工艺制造缺陷引起驱动轴振动耦合到检测轴造成的。驱动轴到检测轴的耦合机制有弹性耦合，粘性耦合和静电力耦合，对于采用悬梁壁结构的陀螺来说，绝大部分耦合来自于弹性耦合，而且即使最小的弹性耦合位移也足以覆盖科氏力响应位移。假定一个Z轴陀螺的驱动模态是在X轴方向，检测模态在Y轴方向，动力学矩阵可以表示为：
几乎所有的振动陀螺都存在弹力耦合，即X轴向的弹力会耦合到Y轴向上，这种情况称之为各向异性弹力特性。如果将该特性考虑进来，那么系统动力学方程变成：
由于检测模态的振动幅度远小于驱动模态振动幅度，所以从Y轴耦合过去的驱动模态分量可以忽略不计。所以驱动模态动力学方程不受影响，主要的影响在于检测模态动力学方程。
总的正交耦合弹性系数kyx等于所有悬梁壁的耦合弹性系数之和。在理想的陀螺仪中，所有的弹簧都是对称的，即使每个弹簧的耦合系数不是0，但是由于对称性，归一化的总的耦合都会被消除，所以总的耦合弹簧系数是0，弹簧系数矩阵是成对角线的。
但是，在实际制造过程中，工艺制造缺陷和误差是不可避免的，从而造成弹簧系数矩阵是非对角线形式的。也就是说kyx不为0。
现在有两种力在驱动检测模态，一种是角速度引起的科氏力，一种是正交耦合弹力。
所以为了消除正交耦合弹力的影响，可以直接在检测反馈端端施加补偿信号，这是因为检测模态在直接给静电激励时候也会起振，并满足二阶弹簧阻尼运动方程。这样一来检测模态的运动方程为：
从上面的公式推导可以看出，只要，就可以消除掉正交项引起的正交耦合误差。弹簧系数可以看出无系数，所以要求施加的AC信号相位应该和驱动模态位移的相位一致。
图2显示了本发明一具体实施例的自动消除MEMS陀螺仪正交误差的电路原理图。电容-电压转换电路2的输入端和MEMS陀螺器件1的信号检测端连接，用于将该检测端输出的电流转换成电压。
信号放大电路3，其输入端和电容-电压转换电路2的输出端连接，用于将微弱的检测电压信号放大，便于后续电路处理。
自动增益控制电路4，其输入端为锁相环电路5输出的稳幅稳频信号，还有一个控制信号来自于信号放大电路4的输出。该自动增益控制电路的输出信号施加在MEMS陀螺的另一个检测端，形成一个闭环系统将ZRO输出控制在零电平。
锁相环电路5，其属于驱动闭环系统的一部分，在驱动环路锁定之后用于给驱动端提供稳频稳幅的激励信号和检测通道的信号解调参考信号。
驱动环路电路6，其属于驱动闭环系统的一部分，用于MEMS陀螺驱动模态机械能量到电学信号的转换和放大滤波移相等。
检测信号处理电路7，它的输入来自信号放大电路，用于输出正常的陀螺角速度检测信号。
移相电路8，它的输入来自自动增益控制电路，输出到MEMS陀螺器件1的检测反馈端。
电容-电压转换电路3采用跨阻放大器结构实现MEMS检测端的微弱电流到电压的转换。跨阻放大器必须采用低噪声低OFFSET运算放大器来保证微弱信号的检测灵敏度。
自动增益控制电路是本发明的核心电路模块，包括一个信号相干检测电路，一个积分器电路，一个可变增益放大器电路。其中信号相干检测电路用于解调出信号放大电路4中的ZRO输出分量，并得到幅值信息。积分器电路用于将ZRO的幅值和参考电平(零电平)比较，将差值积分，得到的输出信号作为可变增益放大器的增益控制。可变增益放大器的输入来自锁相环的锁频稳幅信号，在增益控制信号的作用下调节输出到检测反馈端的激励信号，从而控制ZRO信号在零电平。
移相电路的相移为90°，这是因为驱动模态的位移相位x与驱动激励信号的相位相差90°，为了是检测反馈激励的相位和驱动位移的相位相同，自动增益放大器模块的输出信号应该经过90°的相移，以保证检测反馈激励能够抵消掉正交耦合力的作用，实现ZRO的消除。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于包括：MEMS陀螺器件(1)、电容-电压转换电路(2)、信号放大电路(3)、自动增益控制电路(4)、锁相环电路(5)和移相电路(8)，其中，
所述电容-电压转换电路(2)，其输入端和MEMS陀螺器件(1)的信号检测端连接，用于将该检测端输出的电流转换成电压；
所述信号放大电路(3)，其输入端和电容-电压转换电路(2)的输出端连接，用于将微弱的检测电压信号放大，便于后续电路处理；
所述自动增益控制电路(4)，其输入端一路为锁相环电路(5)输出的稳幅稳频信号，输入端另一路来自于信号放大电路(4)的输出；
所述移相电路(8)，其输入端来自自动增益控制电路，输出到MEMS陀螺器件(1)的检测反馈端。
2.根据权利要求1所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于，所述自动增益控制电路(4)包括信号相干检测电路、积分器电路和可变增益放大器电路，其中，
信号相干检测电路的输入端为自动增益控制电路的两路输入端，信号相干检测电路用于解调出信号放大电路(4)中的ZRO输出分量并得到幅值信息；
积分器电路的输入端连接信号相干检测电路的输出端，积分器电路用于将零偏输出的幅值和参考电平比较，将差值积分，得到的输出信号作为可变增益放大器的增益控制；以及
可变增益放大器电路的输入端连接积分器电路的输入端，并且输出信号至移相电路(8)所述的输入端，可变增益放大器电路用于在增益控制信号的作用下调节输出到检测反馈端的激励信号。
3.根据权利要求1所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于还包括驱动环路电路(6)，其中，
所述驱动环路电路(6)，其连接MENS陀螺器件，用于MEMS陀螺驱动模态机械能量到电学信号的转换和放大滤波移相等。
4.根据权利要求3所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于，所述锁相环电路(5)连接在所述驱动环路电路(6)和MEMS陀螺器件(1)之间，在驱动环路锁定之后用于给驱动端提供稳频稳幅的激励信号和检测通道的信号解调参考信号。
5.根据权利要求1所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于还包括检测信号处理电路(7)，检测信号处理电路(7)输入来自信号放大电路(3)，用于输出陀螺角速度检测信号。
6.如权利要求1所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于电容-电压转换电路(3)包括跨阻放大器结构，以实现MEMS检测端的微弱电流到电压的转换。
7.根据权利要求6所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于，所述跨阻放大器包括运算放大器，一保证微弱信号的检测灵敏度。
8.如权利要求1所述的自动消除陀螺仪正交误差的电路，其特征在于，移相电路的相移为90°，以保证驱动激励和检测反馈激励信号为正交。
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