CN108253953B - 一种mems陀螺仪的解调系统和解调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置，由于解调生成模块直接与第一转换模块相连，以第一模拟电压为基础进行转换生成角速度解调信号和正交解调信号，故而，驱动模块由于工艺问题产生的相位误差并不会对角速度解调信号和正交解调信号造成影响，进而能够保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。以及，由于角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％，改善了角速度信号的噪声性能。

Description

一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置
技术领域
本发明涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)陀螺仪的解调技术领域，更为具体的说，涉及一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置。
背景技术
MEMS陀螺仪具有成本低、体积小、功耗低、可靠性高等优点，其不仅在航空航天、军事领域的应用中占据重要地位，而且在民用领域也取得了广泛的应用，如工业制造、医学、汽车等领域。MEMS陀螺仪可以分为两种类型，即电容式和电阻式。相比与电阻式的MEMS陀螺仪，电容式的MEMS陀螺仪具有高灵敏度、良好的温度特性、低功耗等优势。
现有的电容式MEMS陀螺仪的解调系统，其主要包括有一检测电路和一驱动电路，其中，驱动电路用于驱动MEMS陀螺仪进行振动，且同时产生一角速度解调信号和一正交解调信号。其中，检测电路会根据角速度解调信号和MEMS陀螺仪的检测端的模拟电压，生成角速度信号；而正交解调信号用于计算正交信号。但是，在MEMS陀螺仪的解调系统中，驱动电路的组成器件由于工艺问题会产生相位偏差，进而会影响由驱动电路产生的角速度解调信号和正交解调信号，会使得检测电路生成的角速度信号精确度较低，造成MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置，使生成的角速度解调信号和正交解调信号对驱动模块不敏感，保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。以及，由于角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％，改善了角速度信号的噪声性能。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种MEMS陀螺仪的解调系统，所述MEMS陀螺仪包括驱动电容、检测电容和驱动检测电容，包括：
与所述驱动检测电容相连的第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述驱动检测电容的电荷转换为第一模拟电压；
与所述检测电容相连的第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述检测电容的电荷转换为第二模拟电压；
与所述第一转换模块相连的驱动模块，所述驱动模块用于根据所述第一模拟电压生成驱动电压至所述驱动电容，以使所述第一转换模块、驱动模块和MEMS陀螺仪组成谐振环路；
与所述第一转换模块相连的解调生成模块，所述解调生成模块用于根据所述第一模拟电压生成角速度解调信号和正交解调信号，其中，所述角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％；
以及，与所述第二转换模块和解调生成模块均相连的检测模块，所述检测模块用于根据所述第二模拟电压和角速度解调信号生成角速度信号。
可选的，所述解调生成模块包括：
输入端与所述第一转换模块相连的比较器，所述比较器用于将所述第一模拟电压转换为第一时钟信号；
与所述比较器相连的锁相环子模块，所述锁相环子模块用于根据所述第一时钟信号生成第二时钟信号和第三时钟信号，其中，所述第三时钟信号与所述第一时钟信号的相位相同，所述第二时钟信号的频率为所述第三时钟信号的频率的2倍；
以及，与所述锁相环子模块相连的输出子模块，所述输出子模块用于根据所述第二时钟信号和第三时钟信号生成所述角速度解调信号和正交解调信号，其中，所述角速度解调信号的相位与所述第三时钟信号的相位成正/负90度关系，所述正交解调信号的相位与所述第三时钟信号的相位成0度或180度关系。
可选的，所述锁相环子模块包括：
第一输入端与所述比较器的输出端相连的鉴频鉴相器；
输入端与所述鉴频鉴相器的输出端相连的电荷泵；
输入端与所述电荷泵的输出端相连的环路滤波器；
输入端与所述环路滤波器的输入端相连的N倍分频器，其中，所述N倍分频器用于输出所述第二时钟信号，N为偶数；
以及，输入端与所述N倍分频器的输出端相连的2倍分频器，且所述2倍分频器的输出端与所述鉴频鉴相器的第二输入端相连，其中，所述2倍分频器用于输出所述第三时钟信号。
可选的，所述输出子模块包括：
输入端接入所述第二时钟信号和第三时钟信号的触发器模块，所述触发器模块用于根据所述第二时钟信号和第三时钟信号，生成所述角速度解调信号和正交解调信号；
以及，与所述触发器模块相连的第一选择器和第二选择器，其中，所述第一选择器用于选择所述角速度解调信号输出，所述第二选择器用于选择所述正交解调信号输出。
可选的，所述驱动模块包括：
输入端与所述第一转换模块相连的相位移电路，所述相位移电路用于将所述第一模拟电压进行90度相位移；
输入端与所述相位移电路的输出端相连的压控增益放大器，所述压控增益放大器的输出端与所述驱动电容相连；
以及，第一输入端与所述第一转换模块相连、且第二输入端与参考电压相连的幅度检测电路，所述幅度检测电路的输出端与所述压控增益放大器相连，所述幅度检测电路用于根据所述第一模拟电压和所述参考电压的比较关系控制所述压控增益放大器的增益。
可选的，所述检测模块包括：
接入所述角速度解调信号和输入端与所述第二转换模块相连的解调器；
以及，输入端与所述解调器的输出端相连的低通滤波器，其中，所述角速度解调信号和第二模拟电压经过所述解调器的解调，并经过所述低通滤波器的滤波后得到所述角速度信号。
可选的，所述解调器为混频器。
可选的，所述第一转换模块和第二转换模块均为电容电压转换电路。
相应的，本发明还提供了一种MEMS陀螺仪的解调装置，所述解调装置包括上述的MEMS陀螺仪的解调系统。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置，所述MEMS陀螺仪包括驱动电容、检测电容和驱动检测电容，包括：与所述驱动检测电容相连的第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述驱动检测电容的电荷转换为第一模拟电压；与所述检测电容相连的第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述检测电容的电荷转换为第二模拟电压；与所述第一转换模块相连的驱动模块，所述驱动模块用于根据所述第一模拟电压生成驱动电压至所述驱动电容，以使所述第一转换模块、驱动模块和MEMS陀螺仪组成谐振环路；与所述第一转换模块相连的解调生成模块，所述解调生成模块用于根据所述第一模拟电压生成角速度解调信号和正交解调信号，其中，所述角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％；以及，与所述第二转换模块和解调生成模块均相连的检测模块，所述检测模块用于根据所述第二模拟电压和角速度解调信号生成角速度信号。
由上述内容可知，本发明提供的技术方案，由于解调生成模块直接与第一转换模块相连，以第一模拟电压为基础进行转换生成角速度解调信号和正交解调信号，故而，驱动模块由于工艺问题产生的相位误差并不会对角速度解调信号和正交解调信号造成影响，进而能够保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。以及，由于角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％，改善了角速度信号的噪声性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种MEMS陀螺仪的解调系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种MEMS陀螺仪的解调系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，现有的电容式MEMS陀螺仪的解调系统，其主要包括有一检测电路和一驱动电路，其中，驱动电路用于驱动MEMS陀螺仪进行振动，且同时产生一角速度解调信号和一正交解调信号。其中，检测电路会根据角速度解调信号和MEMS陀螺仪的检测端的模拟电压，生成角速度信号；而正交解调信号用于计算正交信号。但是，在MEMS陀螺仪的解调系统中，驱动电路的组成器件由于工艺问题会产生相位偏差，进而会影响由驱动电路产生的角速度解调信号和正交解调信号，会使得检测电路生成的角速度信号精确度较低，造成MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性。
基于此，本申请实施例提供了一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置，使生成的角速度解调信号和正交解调信号对驱动模块不敏感，保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1和图2所示，对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种MEMS陀螺仪的解调系统的结构示意图，其中，所述MEMS陀螺仪100包括驱动电容C1、检测电容C2和驱动检测电容C3，解调系统包括：
与所述驱动检测电容C3相连的第一转换模块210，所述第一转换模块210用于将所述驱动检测电容C3的电荷转换为第一模拟电压V1；
与所述检测电容C2相连的第二转换模块220，所述第二转换模块220用于将所述检测电容C2的电荷转换为第二模拟电压V2；
与所述第一转换模块210相连的驱动模块300，所述驱动模块300用于根据所述第一模拟电压V1生成驱动电压V驱动至所述驱动电容C1，以使所述第一转换模块210、驱动模块300和MEMS陀螺仪100组成谐振环路；
与所述第一转换模块210相连的解调生成模块400，所述解调生成模块400用于根据所述第一模拟电压V1生成角速度解调信号IDEMO和正交解调信号QDEMO，其中，所述角速度解调信号IDEMO和正交解调信号QDEMO的占空比均为50％；
以及，与所述第二转换模块220和解调生成模块400均相连的检测模块500，所述检测模块500用于根据所述第二模拟电压V2和角速度解调信号IDEMO生成角速度信号Vr。
现有技术中，驱动模块产生的驱动电压相当于静电力，会使MEMS陀螺仪的可动质量块发生震动，此时如果MEMS陀螺仪发生角速度转动，此时由于科氏力的作用，可动质量块就会偏移原来的震动方向，在垂直的方向形成一个震动量。MEMS陀螺仪的检测质量块也在这个方向发生震动，引起检测电容的变化，再通过检测模块检测和解调得到角速度信号。理想情况下，只有MEMS陀螺仪发生角速度转动，存在科氏力的情况下，检测质量块才会震动。但是因为MEMS工艺存在的不完美性，在检测质量块和可动质量块之间会存在耦合，从而使MEMS陀螺仪在静止情况下也会引起检测质量块的震动，因此而形成的输出信号为正交信号Vp。该正交信号Vp与科氏力信号(即角速度解调信号)存在90度正交关系。当驱动模块的组成器件不存在相位偏差的情况下，角速度解调信号与正交信号存在90度关系，不会影响最终的角速度信号Vr；但是，当驱动模块的组成器件存在相位偏差的情况下，角速度解调信号与正交信号偏离90度的关系，从而使得角速度信号携带有正交信号的部分，使得角速度信号准确度变低。
故而，由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，由于解调生成模块直接与第一转换模块相连，以第一模拟电压为基础进行转换生成角速度解调信号和正交解调信号，故而，驱动模块由于工艺问题产生的相位误差并不会对角速度解调信号和正交解调信号造成影响，进而能够保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。以及，由于角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％，改善了角速度信号的噪声性能。
参考图2所示，为本申请实施例提供的另一种MEMS陀螺仪的解调系统的结构示意图，其中，所述解调生成模块400包括：
输入端与所述第一转换模块210相连的比较器CMP2，所述比较器CMP2用于将所述第一模拟电压V1转换为第一时钟信号ckref；
与所述比较器CMP2相连的锁相环子模块，所述锁相环子模块用于根据所述第一时钟信号ckref生成第二时钟信号ckn和第三时钟信号ckpf，其中，所述第三时钟信号ckpf与所述第一时钟信号ckref的相位相同，所述第二时钟信号ckn的频率为所述第三时钟信号ckpf的频率的2倍；
以及，与所述锁相环子模块相连的输出子模块，所述输出子模块用于根据所述第二时钟信号ckn和第三时钟信号ckpf生成所述角速度解调信号IDEMO和正交解调信号QDEMO，其中，所述角速度解调信号IDEMO的相位与所述第三时钟信号ckpf的相位成正/负90度关系，所述正交解调信号QDEMO的相位与所述第三时钟信号ckpf的相位成0度或180度关系。
其中，如图2所示，本申请实施例提供的所述锁相环子模块包括：
第一输入端与所述比较器CMP2的输出端相连的鉴频鉴相器PFD；
输入端与所述鉴频鉴相器PFD的输出端相连的电荷泵CP；
输入端与所述电荷泵CP的输出端相连的环路滤波器LF；
输入端与所述环路滤波器LF的输入端相连的N倍分频器/N，其中，所述N倍分频器/N用于输出所述第二时钟信号ckn，N为偶数；
以及，输入端与所述N倍分频器/N的输出端相连的2倍分频器/2，且所述2倍分频器/2的输出端与所述鉴频鉴相器PFD的第二输入端相连，其中，所述2倍分频器/2用于输出所述第三时钟信号ckpf。
其中，N倍分频器可以根据谐振频率不同而配置，保证解调生成模块输出频率在预设频率。如，谐振环路的谐振频率范围为15KHz至30KHz时，包括端点值，对N倍分频器进行配置，保证解调生成模块输出频率在8MHz～9MHz，包括端点值；具体如一典型20KHz谐振频率的谐振环路，N倍分频器可以配置为200，2倍分频器分频比为2，输出频率为8MHz。
如图2所示，本申请实施例提供的所述输出子模块包括：
输入端接入所述第二时钟信号ckn和第三时钟信号ckpf的触发器模块DFFS，所述触发器模块DFFS用于根据所述第二时钟信号ckn和第三时钟信号ckpf，生成所述角速度解调信号IDEMO和正交解调信号QDEMO；
以及，与所述触发器模块DFFS相连的第一选择器MUX1和第二选择器MUX2，其中，所述第一选择器MUX1用于选择所述角速度解调信号IDEMO输出，所述第二选择器MUX2用于选择所述正交解调信号QDEMO输出。
其中，触发器模块DFFS作为采集模块，采集第二时钟信号ckn和第三时钟信号ckpf，而后分别产生与第三时钟信号ckpf的相位成严格0度、90度、180度和270度的信号ck0、ck90、ck180和ck270。其中，ck90和ck270可以作为角速度解调信号IDEMO，与第三时钟信号ckpf相位成严格正/负90度关系，即和理想的角速度解调信号同相位，被第一选择器MUX1选择输出，以作为检测模块500的输入信号；以及，ck0和ck180可以作为正交解调信号QDEMO，与第三时钟信号ckpf相位成0度和180度关系，即和理想的正交解调信号同相位，被第二选择器MUX2选择输出，以用作计算正交信号以及自动消除正交信号。其中，由于解调生成模块中由于2倍分频器和偶数N倍分频器的存在，提供了严格的50％占空比的解调信号(即角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％)，大大提高了解调输出信号(即角速度信号)的信噪比。
以及，如图2所示，本申请实施例提供的所述驱动模块300包括：
输入端与所述第一转换模块210相连的相位移电路PHS，所述相位移电路PHS用于将所述第一模拟电压V1进行90度相位移；
输入端与所述相位移电路PHS的输出端相连的压控增益放大器VGA，所述压控增益放大器VGA的输出端与所述驱动电容C1相连；
以及，第一输入端与所述第一转换模块210相连、且第二输入端与参考电压Vref相连的幅度检测电路PDT，所述幅度检测电路PDT的输出端与所述压控增益放大器VGA相连，所述幅度检测电路PDT用于根据所述第一模拟电压V1和所述参考电压Vref的比较关系控制所述压控增益放大器VGA的增益。其中，驱动模块300保证了MEMS陀螺仪的位移恒定，使得MEMS陀螺仪得到恒定的灵敏度。
如图2所示，本申请实施例提供的所述检测模块500包括：
接入所述角速度解调信号IDEMO和输入端与所述第二转换模块220相连的解调器；
以及，输入端与所述解调器的输出端相连的低通滤波器LPF，其中，所述角速度解调信号IDEMO和第二模拟电压V2经过所述解调器的解调，并经过所述低通滤波器LPF的滤波后得到所述角速度信号Vr。
其中，本申请实施例提供的所述解调器为混频器MIXER。
在上述任意一实施例中，本申请提供的所述第一转换模块210和第二转换模块220均为电容电压转换电路。以及，需要说明的是，本申请实施例提供的检测模块和驱动模块只是一种实施方式而已，在本申请其他实施例中，还可以在检测模块中变换为模数转换器和数字滤波处理等结构，以及，在驱动模块的增益实现上，把相位移电路PHS和增益控制做在数字电路中，对此本申请不做具体限制。
相应的，本申请实施例还提供了一种MEMS陀螺仪的解调装置，所述解调装置包括上述任意一实施例提供的MEMS陀螺仪的解调系统。
本申请实施例提供了一种MEMS陀螺仪的解调系统和解调装置，所述MEMS陀螺仪包括驱动电容、检测电容和驱动检测电容，包括：与所述驱动检测电容相连的第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述驱动检测电容的电荷转换为第一模拟电压；与所述检测电容相连的第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述检测电容的电荷转换为第二模拟电压；与所述第一转换模块相连的驱动模块，所述驱动模块用于根据所述第一模拟电压生成驱动电压至所述驱动电容，以使所述第一转换模块、驱动模块和MEMS陀螺仪组成谐振环路；与所述第一转换模块相连的解调生成模块，所述解调生成模块用于根据所述第一模拟电压生成角速度解调信号和正交解调信号；以及，与所述第二转换模块和解调生成模块均相连的检测模块，所述检测模块用于根据所述第二模拟电压和角速度解调信号生成角速度信号。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，由于解调生成模块直接与第一转换模块相连，以第一模拟电压为基础进行转换生成角速度解调信号和正交解调信号，故而，驱动模块由于工艺问题产生的相位误差并不会对角速度解调信号和正交解调信号造成影响，进而能够保证MEMS陀螺仪的解调系统生成的角速度信号的准确度高，且改善MEMS陀螺仪静止状况下零偏不稳定性的情况。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种MEMS陀螺仪的解调系统，所述MEMS陀螺仪包括驱动电容、检测电容和驱动检测电容，其特征在于，包括：
与所述驱动检测电容相连的第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述驱动检测电容的电荷转换为第一模拟电压；
与所述检测电容相连的第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述检测电容的电荷转换为第二模拟电压；
与所述第一转换模块相连的驱动模块，所述驱动模块用于根据所述第一模拟电压生成驱动电压至所述驱动电容，以使所述第一转换模块、驱动模块和MEMS陀螺仪组成谐振环路；
与所述第一转换模块相连的解调生成模块，所述解调生成模块用于根据所述第一模拟电压生成角速度解调信号和正交解调信号，其中，所述角速度解调信号和正交解调信号的占空比均为50％；
以及，与所述第二转换模块和解调生成模块均相连的检测模块，所述检测模块用于根据所述第二模拟电压和角速度解调信号生成角速度信号；
所述解调生成模块包括：
输入端与所述第一转换模块相连的比较器，所述比较器用于将所述第一模拟电压转换为第一时钟信号；
与所述比较器相连的锁相环子模块，所述锁相环子模块用于根据所述第一时钟信号生成第二时钟信号和第三时钟信号，其中，所述第三时钟信号与所述第一时钟信号的相位相同，所述第二时钟信号的频率为所述第三时钟信号的频率的2倍；
以及，与所述锁相环子模块相连的输出子模块，所述输出子模块用于根据所述第二时钟信号和第三时钟信号生成所述角速度解调信号和正交解调信号，其中，所述角速度解调信号的相位与所述第三时钟信号的相位成正/负90度关系，所述正交解调信号的相位与所述第三时钟信号的相位成0度或180度关系。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述锁相环子模块包括：
第一输入端与所述比较器的输出端相连的鉴频鉴相器；
输入端与所述鉴频鉴相器的输出端相连的电荷泵；
输入端与所述电荷泵的输出端相连的环路滤波器；
输入端与所述环路滤波器的输入端相连的N倍分频器，其中，所述N倍分频器用于输出所述第二时钟信号，N为偶数；
以及，输入端与所述N倍分频器的输出端相连的2倍分频器，且所述2倍分频器的输出端与所述鉴频鉴相器的第二输入端相连，其中，所述2倍分频器用于输出所述第三时钟信号。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述输出子模块包括：
输入端接入所述第二时钟信号和第三时钟信号的触发器模块，所述触发器模块用于根据所述第二时钟信号和第三时钟信号，生成所述角速度解调信号和正交解调信号；
以及，与所述触发器模块相连的第一选择器和第二选择器，其中，所述第一选择器用于选择所述角速度解调信号输出，所述第二选择器用于选择所述正交解调信号输出。
4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述驱动模块包括：
输入端与所述第一转换模块相连的相位移电路，所述相位移电路用于将所述第一模拟电压进行90度相位移；
输入端与所述相位移电路的输出端相连的压控增益放大器，所述压控增益放大器的输出端与所述驱动电容相连；
以及，第一输入端与所述第一转换模块相连、且第二输入端与参考电压相连的幅度检测电路，所述幅度检测电路的输出端与所述压控增益放大器相连，所述幅度检测电路用于根据所述第一模拟电压和所述参考电压的比较关系控制所述压控增益放大器的增益。
5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述检测模块包括：
接入所述角速度解调信号和输入端与所述第二转换模块相连的解调器；
以及，输入端与所述解调器的输出端相连的低通滤波器，其中，所述角速度解调信号和第二模拟电压经过所述解调器的解调，并经过所述低通滤波器的滤波后得到所述角速度信号。
6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述解调器为混频器。
7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的解调系统，其特征在于，所述第一转换模块和第二转换模块均为电容电压转换电路。
8.一种MEMS陀螺仪的解调装置，其特征在于，所述解调装置包括权利要求1～7任意一项所述的MEMS陀螺仪的解调系统。
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