CN107830851A - 角速度传感器的数字化驱动控制集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，所述数字化驱动控制集成电路包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref。该驱动控制电路采用数字方波起振、数字正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围、噪声性能、建立时间、失真度和集成化水平都有了明显的提升。而且在驱动电路各方面性能都有所提高的情况下，将其面积大幅度缩小，解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题，适用于高精度高稳定性极小型化的角速度传感器的驱动电路。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种全新结构的角速度传感器数字化驱动控制集成电路。
背景技术
角速度传感器是航天、国防和工业领域中重要的传感器之一，其在飞行器和武器系统中的应用已经日渐广泛。我国近些年对角速度传感器的研究也日趋成熟，随着飞行器和武器系统性能的不断提高，对角速度传感器的各方面性能的要求也不断提高，其驱动控制电路的低噪声、高稳定性、低失真度和高度集成化是保证角速度传感器高性能及其大范围应用的前提条件。
角速度传感器驱动电路的设计普遍采用具有幅值控制功能的模拟自激驱动电路。由于角速度传感器驱动模态具有极高的品质因子Q，所以多数采用模拟方波信号激励的驱动方式。然而，方波激励的驱动方式虽然在石英角速度敏感元件的起振和驱动电压幅值的调整范围方面具有明显的优势，但是方波激励的驱动电路会在响应信号中引入相位噪声，同时也会产生驱动频率的奇次谐波分量，使驱动环路中产生较高的噪声，大大降低了驱动环路的信噪比。而正弦波激励的驱动电路建立时间较长，电压幅值调整范围较小，但其在角速度传感器驱动环路建立起稳定的振荡后具有良好的噪声性能。
模拟信号驱动方式容易引入噪声问题和失真问题，容易被外界耦合信号干扰，不方便补偿。为了降低温度敏感性，还有大量的外围电容电阻器件，造成了集成化程度不够高的问题。
数字信号驱动方式由于模数转换器精度有限，且数字电路的群延迟问题的存在，可能会造成上电不起振的情况。
发明内容
鉴于角速度传感器驱动电路单独采用模拟方波激励、模拟正弦波激励的驱动方式都存在各自缺陷的问题，本发明提供了一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路。该驱动控制电路采用数字方波起振、数字正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围、噪声性能、建立时间、失真度和集成化水平都有了明显的提升。而且在驱动电路各方面性能都有所提高的情况下，将其面积大幅度缩小，解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题，适用于高精度高稳定性极小型化的角速度传感器的驱动电路。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref，其中：
陀螺等效电路模型的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器的输入端和模数转换器的驱动信号输入端；
模数转换器的一个输出端连接数字检波器输入端，另一个输出端连接数字非线性乘法器的一个输入端；
数字检波器的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器的输入端连接，数字PI控制器的输出端连接数字非线性乘法器的另一个输入端；
数字非线性乘法器的输出端连接数模转换器的输入端；
数模转换器的输出端连接二选一多路选择器的一个输入端，比较器的输出端连接二选一多路选择器的另一个输入端；
二选一多路选择器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。
本发明具有如下的优点：
1、本发明角速度传感器模型输出信号经过跨阻放大器放大后，直接进入模数转换器转换为数字信号，之后的信号处理部分全部为数字信号处理部分，正弦驱动信号经过数模转换器转换为高低电平的高频密度信号通过二选一多路选择器直接返回减速度传感器机械结构中，在保证高精度的前提下大幅度降低了角速度传感器数字驱动控制集成化电路的芯片面积，拥有高度集成化的优点。
2、本发明通过内部时钟信号控制二选一多路选择器控制信号切换，使驱动电路在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号，兼顾了正弦驱动和方波驱动方法的优点，使角速度传感器数字驱动控制集成化电路拥有起振速度快的优点，并且解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题。
附图说明
图1为角速度传感器的数字化驱动控制集成电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述角速度传感器驱动控制电路包括跨阻放大器(101)、模数转换器(102)、数字检波器(103)、数字PI控制器(104)、数字非线性乘法器(105)、数模转换器(106)、二选一多路选择器(107)、比较器(108)和数字控制参考电源Vref，其中：
陀螺等效电路模型(100)的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型(100)的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器(101)的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器(101)的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器(108)的输入端和模数转换器(102)的驱动信号输入端；
模数转换器(102)的一个输出端连接数字检波器(102)输入端，模数转换器(102)的另一输出端连接数字非线性乘法器(105)的一个输入端；
数字检波器(102)的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器(104)的输入端连接，数字PI控制器(104)的输出端连接数字非线性乘法器(105)的另一个输入端；
数字非线性乘法器(105)的输出端连接数模转换器(106)的输入端；
数模转换器(106)的输出端连接二选一多路选择器(107)的一个输入端，比较器(108)的输出端连接二选一多路选择器(107)的另一个输入端；
二选一多路选择器(107)的输出端连接陀螺等效电路模型(100)的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器(107)通过内部时钟控制比较器(108)输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器(107)选择数模转换器(106)输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号。
数字控制参考电压源Vref由外部数字信号控制内部数字参考电压产生。
本发明中，采用的模数转换器(102)的精度为16位，通过信噪比计算公式可以计算出可分辨最小信号幅度为22nV，由于角速度传感器表头起振阶段输出信号幅值很小，而数字电路本身存在群延迟，会造成反馈回传感器表头的驱动信号并不能及时到达，所以表头在此期间振动幅度会有较大衰减，当驱动信号到达的时候可能会造成表头输出信号幅度过小，调制器不能正确分辨信号幅值，从而引起驱动环路进入未知状态，不能稳定振荡。为了解决此问题，本发明采用起振阶段用比较器(108)直接将传感器表头输出信号转化为方波信号对表头进行最大幅值驱动，此方法没有延迟且驱动信号足够强，可以使角速度传感器表头快速起振，达到较大的振动幅度，避免了因数字信号处理电路的群延迟导致的信号衰减造成的调制器不能正确分辨信号的问题。
信噪比计算公式：
其中：Vs为信号幅值，Vnoise为噪声幅值，BW为调制器带宽。
通过大量模拟仿真发现，方波激励的角速度传感器驱动电路能满足驱动幅值的条件和快速起振的条件，而正弦激励的角速度传感器驱动电路又拥有低相位噪声的优点。针对这种特点，本发明设计了一种全新的角速度传感器的驱动控制电路，它主要依靠数字非线性乘法器(105)和比较器(108)共同实现了起振阶段通过比较器(108)将微弱驱动信号转换为方波信号、通过二选一多路选择器(107)直接返回驱动角速度传感器表头，使表头快速起振；方波激励建立起稳定振荡后在不引入其他多余电路部分的情况下切换为正弦激励方式的功能，并且通过运用数字非线性乘法器(105)使驱动电路的线性度、信噪比和建立时间有了很大的改善。
方波激励的角速度传感器驱动电路建立时间快，因此选择在振荡建立阶段用方波激励方式建立振荡。若角速度传感器驱动控制电路引入相位噪声的驱动频率处的余弦激励信号近似为：
式(2)中，Vd0表示驱动模态等效电容能达到的最大电压值，ωd表示驱动端谐振频率，φ(t)表示相位噪声，T表示时间。
方波激励的角速度传感器驱动电路的冲击灵敏度函数表示为：
式(3)中，ω0表示傅立叶级数展开项的频率，τ表示时间常数，n表示傅立叶级数展开项的系数，c0表示频率为零处的电流噪声灵敏度函数的系数，cn表示角速度传感器驱动环路中驱动频率及倍频处的电流噪声灵敏度函数的系数。方波激励的角速度传感器驱动电路中包含奇数次高频谐波，比正弦波激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声电流分量。由公式(2)、(3)分析可知，正弦激励的角速度传感器驱动电路具有更复杂的噪声电流分量，方波激励的角速度传感器的驱动电路中因相位噪声在驱动信号的偶数次谐波频率处会产生电压噪声的分量。
因此，正弦激励方式与方波激励方式相比在相位噪声方面的表现更加优异，对驱动信号的影响也更小。在振荡建立之后，选择相位噪声更小、失真度更低的正弦激励方式维持对电路的驱动。
陀螺等效电路模型(100)的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型(100)输出微弱正弦激励信号，跨阻放大器(101)将输入的微弱正弦激励信号放大转换为交流电压驱动信号后输出，该交流电压驱动信号分为两路，一路交流电压驱动信号以差分形式作为模数转换器(102)的输入信号，另一路交流电压驱动信号作为比较器(108)输入端的驱动信号。
比较器(108)直接将跨阻放大器(101)的输出信号无延迟的处理为相同周期的方波信号，将此方波信号作为二选一多路选择器(107)的一个输入端，在起振初期直接反馈回角速度传感器表头对其进行驱动，使表头快速起振，使驱动信号幅度迅速增加，避免了因数字信号处理电路的群延迟导致的信号衰减造成的调制器不能正确分辨信号的问题。
本发明中，模数转换器(102)中所用调制器设计为差分输入、差分输出，此种设计可以降低其谐波失真。驱动信号经过模数转换器(102)被处理成16位数字信号，此信号一路作为数字检波器(103)的输入信号，另一路作为数字非线性乘法器(105)的一个输入信号。
数字检波器(103)对输入的驱动信号进行检波处理，数字检波器(103)能够对输入的信号峰值幅值大小进行检测，并以电压形式输出。它可以将输出正弦激励信号整形为新波形信号，新信号以原正弦波半周期波形为一个周期，其每个周期的信号波形与整形前信号的负半周期信号波形相同，输出电压值时刻为负。此时数字检波器(103)输出电压值保持为负电压，但由于角速度传感器模型部分还未形成稳定振荡，输出电压的幅值依然很小，该信号幅值随驱动时间增加而增加。
数字PI控制器(104)被设计成带有低通滤波功能的PI控制器。数字检波器(103)的输出信号与数字控制参考电压源Vref叠加作为PI控制器(104)的输入信号，此信号经过数字PI控制器(104)后，被处理为含有驱动信号幅值信息的直流信号作为数字非线性乘法器(105)的另一输入路径。
数字非线性乘法器(105)将数字PI控制器(104)输出的直流电压信号与模数转换器(102)输出的交流驱动信号做乘积运算，数字非线性乘法器(105)输出的激励信号进入数模转换器(106)，经过数模转换器(106)后该信号被处理成用密度表示信号幅度的高频密度信号，该信号进入二选一多路选择器(107)的另一个输入端。
二选一多路选择器(107)通过内部时钟控制在起振初期选择通过比较器(108)输出的信号，在表头振动幅度增大后切换为通过数模转换器(106)输出的信号。在起振阶段，比较器(108)输出方波激励信号作为驱动信号；在持续振荡阶段，数字非线性乘法器(105)输出正弦波激励信号作为驱动信号。
本实施方式所述数字非线性乘法器(105)具有饱和方波输出和非饱和正弦波输出两种输出方式。从模数转换器(102)输出的信号连接数字非线性乘法器(105)的一个输入端，从数字PI控制器(104)输出的信号连接非线性乘法器(105)的另一个输入端。数字PI控制器(104)输出直流信号电压越高，数字非线性乘法器(105)增益系数为越大，数字PI控制器(104)输出直流信号电压约低，数字非线性乘法器(105)的增益系数越小于1接近于0。通过这种控制方法达到非线性控制的目的，加强环路对驱动信号的控制能力，使环路快速稳定。
随着方波激励信号对角速度传感器的驱动，角速度传感器等效电路模型(100)的输出信号幅度不断增加，跨阻放大器(101)和数字检波器(103)输出信号幅度也逐渐增大，而数字PI控制器(104)输出直流信号的电压值逐渐减小。数字PI控制器(104)输出最后会稳定在一个数值附近，该值大小与Vref值有关。此时数字非线性乘法器输出交流信号频率与跨阻放大器(101)输出信号波形相似，幅度略有不同，通过二选一多路选择器(107)返回表头驱动表头振动。
驱动电路达到稳定状态，此后数字非线性乘法器(105)输出的正弦激励信号持续驱动角速度传感器，使其达到稳定的振荡状态。驱动电路通过比较器(108)和数字非线性乘法器(105)共同实现了起振阶段方波激励，持续振荡阶段变为正弦波激励的目的，减小了振荡建立时间，同时避免了因数字信号处理电路的群延迟导致的信号衰减造成的调制器不能正确分辨信号的问题。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一作进一步说明。跨阻放大器(101)由运算放大器A1、电容CF和电阻RF组成，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端、电容CF的一端和电阻RF的一端的公共节点作为跨阻放大器(101)的输入端，电容CF的另一端和电阻RF的另一端的公共节点连接低失真乘法器的一个输入端；运算放大器A1的输出端连接模数转换器(102)的输入端。
当输入为电流信号时，输出为交流正弦电压信号，分别连接比较器(108)和模数转换器(102)。
Claims (6)
1.一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述数字化驱动控制集成电路包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref，其中：
陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器的输入端和模数转换器的驱动信号输入端；
模数转换器的一个输出端连接数字检波器输入端，另一个输出端连接数字非线性乘法器的一个输入端；
数字检波器的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器的输入端连接，数字PI控制器的输出端连接数字非线性乘法器的另一个输入端；
数字非线性乘法器的输出端连接数模转换器的输入端；
数模转换器的输出端连接二选一多路选择器的一个输入端，比较器的输出端连接二选一多路选择器的另一个输入端；
二选一多路选择器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述模数转换器的精度为16位。
3.根据权利要求1所述的角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述模数转换器中所用调制器设计为差分输入、差分输出。
4.根据权利要求1所述的角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述数字PI控制器为带有低通滤波功能的PI控制器。
5.根据权利要求1所述的角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述数字非线性乘法器具有饱和方波输出和非饱和正弦波输出两种输出方式。
6.根据权利要求1所述的角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述跨阻放大器由运算放大器A1、电容CF和电阻RF组成，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端、电容CF的一端和电阻RF的一端的公共节点作为跨阻放大器的输入端，电容CF的另一端和电阻RF的另一端的公共节点连接低失真乘法器的一个输入端；运算放大器A1的输出端连接模数转换器的输入端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180323 |