CN107449414B - Mems陀螺仪的闭环锁相驱动电路 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，包括：MEMS陀螺敏感器件(101)、跨阻放大器(102)、反相放大器(103)、低通滤波器(104)和电阻分压器，其中，所述MEMS陀螺敏感器件(101)包括检测端和静电驱动端，所述检测端输出连接反相放大器(103)，反相放大器(103)后端接低通滤波器(104)，低通滤波器(103)后端连接至电阻分压器，所述电阻分压器输出接所述静电驱动端。该驱动电路为MEMS陀螺仪驱动系统提供一种简单、实用、高性能的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于控制装置领域，进一步涉及一种MEMS(微机电系统，MicroelectroMechanical System)陀螺仪的闭环锁相驱动电路。
背景技术
MEMS技术作为21世纪的前沿技术，与传统陀螺仪技术结合，可以实现微型陀螺仪，具有成本低、尺寸小、重量轻、功耗低、可靠性高、稳定性高等优点，在工业控制、航空航天、汽车电子、消费类电子中有着广泛的应用。MEMS陀螺仪稳定可靠工作的基础是其驱动环路能稳频稳幅的振荡起来，当敏感轴有角速度输入时，基于科氏效应，检测支路就会有成比例的输出，通过标定，就可以通过测得输出电压信号来推算角速度大小。
由于开环驱动技术不能自适应跟踪MEMS谐振子频点的漂移，所以目前流行闭环驱动技术。而在闭环驱动技术中，又分为数字闭环技术和模拟闭环技术。虽然基于数字处理技术的闭环驱动可以实现复杂的控制方法、易于调试，但是模块ADC(模数转换器，AnalogDigital Convertor)和DAC(数模转换器，Digital Analog Convertor)不可避免会引入比较大的量化误差，从而恶化驱动电路的整体性能。
发明内容
为解决传统模拟闭环驱动建立时间长、噪声大、频率和相位不够稳定等问题，本发明提供了一个基于锁相技术的模拟闭环驱动电路。该电路系统能使MEMS陀螺仪的驱动环路迅速建立起来，并且保持实现稳频稳幅振荡，为后续MEMS陀螺仪高性能工作奠定基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，包括：MEMS陀螺敏感器件、跨阻放大器、反相放大器、低通滤波器和电阻分压器，其中，
所述MEMS陀螺敏感器件包括检测端和静电驱动端，所述检测端输出连接反相放大器，反相放大器后端接低通滤波器，低通滤波器后端连接至电阻分压器，所述电阻分压器输出接所述静电驱动端。
优选的，还包括移相器和锁相环，所述低通滤波器后端经所述移相器连接锁相环，经锁相环后端连接到电阻分压器。
优选的，所述移相器包括一可变电阻，用于使移相器输出滞后激励电信号90度。
优选的，所述锁相环包括锁相环芯片，锁相环芯片用于找到并锁定MEMS器件输出的信号频率和相位，并输出与谐振频率一致的电压信号，用以驱动MEMS器件。
优选的，所述电阻分压器包括与所述闭环串联的电阻以及与闭环并联的电阻。
优选的，所述跨阻放大器包括一跨接电容，所述跨接电容跨接于跨阻放大器的反馈通路上。
优选的，所述反相放大器包括一跨接电容，所述跨接电容跨接于反向放大器的反馈通路上。
通过上述技术方案，可以看出本发明的有益效果在于
(1)MEMS陀螺仪驱动环路可以在极短时间内建立，并且稳频稳幅振荡，能自适应跟踪外界因素引起的器件谐振频率的变化；
(2)本发明采用模拟闭环方法，相对于AGC(自动增益控制环路，Automatic GainControl)加上PI(比例积分，Proportional Intergral)模拟闭环方法，基于锁相技术的模拟闭环能实现更快的启动、更快的自适应调节、更低的噪声、更高的频率稳定度和相位稳定度；
(3)利用跨阻放大器和反相比例放大器级联的方式，实现输出正的电压相位和更灵活的增益配置，而且两个放大器均带低通特性，可避免放大器振荡和更低的输出噪声；
(4)通过本发明的闭环锁相环PLL，克服了传统放大器加可变增益放大器的闭环驱动建立时间慢、噪声大等弊端，实现了一种闭环锁相驱动电路，为MEMS陀螺仪驱动系统提供了一种解决方案，可广泛应用于低频率的MEMS传感器系统中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明具体实施例的电路系统原理图。
图2是本发明具体实施例的MEMS陀螺器件的运动学等效图。
图3是本发明具体实施例的MEMS陀螺器件的驱动叉指电容结构示意图。
图4是本发明具体实施例的MEMS陀螺器件的检测叉指电容结构示意图。
附图标记说明：
101-MEMS陀螺敏感器件
102-跨阻放大器
103-反相放大器
104-低通滤波器
105-移相器
106-锁相环
107，108-电阻分压器。
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。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。图1是本发明具体实施例的电路系统原理图。在图1中，基于静电驱动、电容检测原理，MEMS陀螺敏感器件101检测端输出微弱的电流信号，经过跨阻放大器102转变为电压信号，后面接一个反相放大器103，使得输出电压信号与静电驱动信号同相，并且实现额外的电压增益。
反相放大器103后接一个低通滤波器104，滤除带外噪声与干扰，提高信号的信噪比。低通滤波器104后接移相器105(Phase Shifter)，利用可调电阻实现可调的滞后相位。移相器105后接锁相环106，当相位锁定时，锁相环的输出超前输入90度，通过调节移相器的可调电阻阻值，可以实现静电驱动电压信号和锁相环的输出电压信号同相，再经过电阻分压器107和108施加到MEMS器件的静电驱动端，实现闭环正反馈。MEMS器件输出极其微弱的电流信号，该信号经过跨阻放大器102和反相放大器103，被转换、放大、滤波，输出具有一定幅度的高信噪比电压信号。锁相环106锁定并跟踪该信号，并输出具有一定幅值正弦电压信号，用以驱动MEMS器件。
由于MEMS陀螺器件采用静电驱动，而驱动电压信号与检测电压信号反相，所以TIA后再接一个反相放大器103，也作额外增益级使用。由于MEMS陀螺器件的机械噪声比较大，所以反相放大器103后接一个低通滤波器，整形信号，提高电容检测信号的信噪比。由于所优选的锁相环106芯片在锁定时，输出超前输入90度，所以低通滤波器后接一个移相器。由于过大的静电信号会损坏MEMS陀螺器件，所以锁相环芯片的输出接一个电阻分压器，将信号衰减到合理范围，再去驱动器件。
下面结合图2-图4，具体说明本发明实施例提供的闭环锁相驱动电路的工作原理。
在图2中，在驱动方向，若施加一正弦静电驱动力Fd sin(ωt)，则根据驱动模态运动学方程
可求得当驱动力频率ω等于驱动模态固有频率ωd时的驱动位移稳态解
其中
在图3中，在固定极板施加变化电压，则叉指电容两极板间产生静电力Fcomb。令叉指电容finger数为N，则叉指电容Ccomb可表示为
我们知道，叉指电容共能是电压的函数
而静电力等于电容共能的梯度，若陀螺敏感轴为Z轴，则静电力为
若采用差分驱动，V1，2＝VDC±VAC，则质量块受到的净静电力为
可见，质量块受到的净静电力与施加的电压信号同频反相。
在图4中，若质量块在x轴做线振动，检测叉指电容容值也随之改变。因此容值的变化代表着驱动轴的位移信息。考虑电容变化量
在两电极间加直流电压VDC，则检测端输出的信号电流为：
下面讨论MEMS陀螺器件的激励输入和响应电流输出之间的相位关系，为外围电路实现正反馈提供理论基础。若器件的驱动端施加一个交变单音信号，同时令初始相位为0，有VAC＝vacsin(ωdt)，净静电力为
其中
根据2阶mass-spring-damper系统运动学方程，当激励信号的频率等于谐振固有频率时，可得x轴驱动位移的稳态解为
在检测端的信号电流为
如果定义流入MEMS器件电流为正，则上述推得的电流方向是从MEMS器件(101)流向跨阻放大器102的输入端。
基于上述讨论，在图1中，跨阻放大器102的输出电压为：
在低频下，该电压与激励电信号反相。为避免放大器振荡，跨阻放大器的反馈通路上跨接电容C1，同时该C1与反馈电阻RF形成一个低通滤波效果，可以提高输出信号的信噪比。跨阻放大器后接一个反相放大器103，其输出电压为：
为避免放大器振荡以及更低噪声，反相放大器的反馈通路上也跨接一个电容C2。若移相器105负反馈支路的两个电阻相等，则其传输函数为：
通过调节可变电阻RPS的值，使移相器输出滞后激励电信号90度。由于锁相环106输出超前其输入90度，所以锁相环输出与激励电信号同相，这样保证了驱动环路闭环之后是正反馈。由于过大的静电信号会损坏MEMS陀螺器件，所以锁相环芯片的输出需接一个电阻分压器，将信号衰减到合理范围，再驱动MEMS器件。
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 (5)
1.一种MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，其特征在于包括：MEMS陀螺敏感器件(101)、跨阻放大器(102)、反相放大器(103)、移相器(105)、锁相环(106)和电阻分压器，其中，
所述MEMS陀螺敏感器件(101)基于静电驱动和电容检测原理，所述MEMS陀螺敏感器件(101)包括检测端和静电驱动端，所述检测端输出连接所述跨阻放大器(102)，所述跨阻放大器(102)后端连接反相放大器(103)，反相放大器(103)后端接所述移相器(105)，所述移相器(105)后端连接所述锁相环(106)，所述锁相环(106)后端连接到电阻分压器，所述电阻分压器输出接所述静电驱动端；
其中，所述跨阻放大器(102)的反馈通路上跨接电阻，所述电阻用于将所述检测端输出的电流信号转变为电压信号，所述电压信号与所述MEMS陀螺敏感器件(101)的激励输入电压信号反相；
所述锁相环(106)在锁定时，输出电压信号超前输入电压信号90度；所述移相器(105)用于补偿所述锁相环(106)的超前相位，以使所述锁相环(106)的输出电压信号与所述MEMS陀螺敏感器件(101)的激励输入电压信号同相，实现驱动环路的正反馈；
所述电阻分压器用于将所述锁相环(106)的输出电压信号的幅值衰减至MEMS陀螺敏感器件(101)的功率承受范围内。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，其特征在于，还包括低通滤波器(104)，所述反相放大器(103)的后端经所述低通滤波器(104)连接至所述移相器(105)，所述低通滤波器(104)用于滤除所述反相放大器(103)的输出电压中的噪声。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，其特征在于，所述跨阻放大器(102)包括一跨接电容，所述跨接电容跨接于跨阻放大器(102)的反馈通路上，所述跨接电容用于避免所述跨阻放大器(102)振荡。
4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，其特征在于，所述反相放大器(103)包括一跨接电容，所述跨接电容跨接于反向放大器(103)的反馈通路上，所述跨接电容用于避免所述反相放大器(103)振荡。
5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路，其特征在于，所述锁相环(106)使用NJM567芯片。
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