CN109945849B - 一种基于mems陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，所述电路结构包括：MEMS陀螺仪表头、电容检测电路C2V、第一解调器、PID控制电路、第二调制器、状态切换电路SW、模拟移相电路ASP、高压驱动电路HVD、逻辑可编程存储器OTP&LGC、比较器CMP、锁相环PLL；本申请结构中采用锁相环和PID控制电路，分别实现环路频率和幅度的精确控制，可有效抑制驱动环路的频率和幅度偏差，从而提高整器件性能；本申请中结构具有启动时间可调设计，可根据实际情况调整陀螺启动时间，从而提高整器件启动的可靠性，且能缩短启动时间。

Description

一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪研究领域，具体地，涉及一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构。

背景技术

微机械(MEMS)陀螺仪结构基于Coriolis力原理工作，外界角速度将驱动方向的能量耦合到检测方向上引起检测质量块运动，从而实现角速度测量。但是，驱动环路频率和幅度的不准确，将直接干扰正常的角速度信号，从而引起测量误差。因此，需要采取措施来稳定驱动环路的频率和幅度。

发明内容

本发明提出了一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，该结构中采用锁相环和PID控制电路，分别实现环路频率和幅度的精确控制，可有效抑制驱动环路的频率和幅度偏差，从而提高整器件性能。此外，该结构具有启动时间可调设计，可根据实际情况调整陀螺启动时间，从而提高整器件启动的可靠性，且能缩短启动时间。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，所述电路结构包括：

MEMS陀螺仪表头、电容检测电路C2V、第一解调器、PID控制电路、第二调制器、状态切换电路SW、模拟移相电路ASP、高压驱动电路HVD、逻辑可编程存储器OTP&LGC、比较器CMP、锁相环PLL；

其中，MEMS陀螺仪表头的驱动检测端DS+、DS-和驱动质量块DMS通过线路TOP、BOT和SCTR接电容检测电路C2V的输入；电容检测电路C2V的差分输出为CVOP和CVON，CVOP和CVON均作为模拟移相电路ASP、第一解调器、比较器CMP的输入；第一解调器的输出SOP、SON和参考电压VREF作为PID控制电路的输入；PID控制电路的输出PIOP、PION作为第二调制器的输入；比较器CMP的输出对偶时钟CKP0、CKXP0作为第一解调器的输入解调时钟，CKP0和CKXP0作为锁相环PLL的输入参考时钟；锁相环PLL的输出对偶时钟CKN90、CKXN90作为第二调制器的输入调制时钟；逻辑可编程存储器OTP&LGC的输出信号为状态切换信号START；模拟移相电路ASP的输出信号SPOP、SPON和第二调制器的输出信号MOP、MON以及状态切换信号START均作为状态切换电路SW的输入；状态切换电路SW的输出为COP、CON，作为高压驱动电路HVD的输入；高压驱动电路HVD的输出DTOP、DBOT分别接至MEMS陀螺仪表头的驱动接入端DR+、DR-。

其中，本发明中的一种MEMS陀螺仪闭环移相锁定驱动结构，该结构的特点是：1、该结构采用PID控制、PLL电路，分别实现驱动幅度、频率控制，抑制驱动信号(幅度、频率等)对角速度测量信号的影响；2、该结构包含驱动环路启动状态切换设计，切换时间可通过OTP配置，从而提高驱动结构的可靠性、缩短器件启动时间、并能满足大多MEMS陀螺仪表头启动要求。

优选的，模拟移相电路ASP的输出信号SPOP接至状态切换电路SW的AOP端，模拟移相电路ASP的输出信号SPON接至状态切换电路SW的AON端；第二调制器的输出信号MOP接至状态切换电路SW的DOP端；第二调制器的输出信号MON接至状态切换电路SW的DON端；态切换信号START接至状态切换电路SW的EN端。

优选的，状态切换电路SW包括：反相器、第一开关SWA、第二开关SWD；AOP、AON作为第一开关SWA的输入，DOP、DON作为第二开关SWD的输入，EN作为第二开关SWD和反相器的控制输入，反相器的输出作为第一开关SWA的控制输入，第一开关SWA和第二SWD的输出为COP、CON；其实现两路信号AOP、AON与DOP、DON的切换输出至COP、CON。

优选的，陀螺仪驱动环路启动时序包括A、B、C、D四个过程：

过程A中，陀螺仪驱动环路开始上电启动，电容转换电路C2V的输出信号幅度小，比较器CMP未能分辨出信号幅度，此时模拟移相电路ASP工作，将电容检测电路C2V输出信号CVOP、CVON移相放大后送至高压驱动电路HVD输入端；高压驱动电路HVD驱动MEMS陀螺仪表头形成正反馈，使得MEMS陀螺仪表头振动幅度不断增大，进而使得电容转换电路C2V输出增大，且陀螺仪驱动环路形成自激振荡，在MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率处振荡；

过程B中，当电容转换电路C2V输出增大到一定程度后，比较器CMP能够准确识别CVOP、CVON，比较器CMP输出时钟将会正常，锁相环PLL将会锁定MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率；

过程C中，经过延迟时间Td后，状态切换信号START会被拉高，PID控制电路会被接至陀螺仪驱动环路中，模拟移相电路ASP会被关闭，陀螺仪驱动环路经过一段时间后完成幅度控制，此时锁相环PLL一直处于频率锁定状态中，陀螺仪驱动环路最终实现频率和幅度稳定控制；

状态D中，陀螺仪驱动环路的频率和幅度一直稳定工作，陀螺仪驱动环路的频率固定在MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率，驱动信号幅度稳定不变。

优选的，模拟移相电路ASP工作，将电容检测电路C2V输出信号CVOP、CVON移相90度、且放大10倍以上后送至高压驱动电路HVD输入端。

优选的，状态切换延时Td，可通过逻辑可编程存储器OTP&LGC配置，实现其延时可调。

优选的，当状态切换信号START拉高后，模拟移相电路ASP可被关闭。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请结构中采用锁相环和PID控制电路，分别实现环路频率和幅度的精确控制，可有效抑制驱动环路的频率和幅度偏差，从而提高整器件性能。

本申请中结构具有启动时间可调设计，可根据实际情况调整陀螺启动时间，从而提高整器件启动的可靠性，且能缩短启动时间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明MEMS陀螺仪闭环移相锁定结构的结构示意图；

图2是状态切换电路SW电路图示意图；

图3是闭环移相锁定驱动结构工作状态示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了如图1所示，本发明MEMS陀螺仪闭环锁相驱动电路结构由MEMS陀螺仪表头1；电容检测电路C2V2；解调器3；PID控制电路4；调制器5；状态切换电路SW6；模拟移相电路ASP7；高压驱动电路HVD8；逻辑可编程存储器OTP&LGC9；比较器CMP10；锁相环PLL11构成。其中，状态切换电路SW6详细电路如图2所示，由反相器14、开关SWA12、开关SWD13构成。

其中，MEMS陀螺仪表头1的驱动检测端DS+、DS-和驱动质量块DMS通过线路TOP、BOT和SCTR接C2V的输入；C2V的差分输出为CVOP、CVON，分别作为模拟移相器ASP7的输入、解调器3的输入、比较器CMP10的输入；解调器3的输出SOP、SON和参考电压VREF作为PID控制4的输入；PID的输出PIOP、PION作为调制器5的输入；比较器CMP10的输出对偶时钟(无相位延迟)CKP0、CKXP0作为解调器3的输入解调时钟，CKP0和CKXP0作为锁相环11的输入参考时钟；PLL的输出对偶时钟(移相90度)CKN90、CKXN90作为调制器5的输入调制时钟；逻辑可编程存储器OTP&LGC9的输出信号为状态切换信号START；模拟移相器7的输出信号SPOP、SPON，调制器5的输出信号MOP、MON，状态切换信号START作为状态切换电路SW6的输入，分别接其AOP、AON、DOP、DON、EN；状态切换电路6的输出为COP、CON，作为高压驱动电路HVD8的输入；高压驱动电路8的输出DTOP、DBOT分别接至MEMS陀螺仪表头1的驱动接入端DR+、DR-。

其中，状态切换电路SW6，AOP、AON作为开关SWA12的输入，DOP、DON作为开关SWD13的输入，EN作为开关SWD13和反相器14的控制输入，反相器14的输出作为开关SWA12的控制输入，开关SWA12和SWD13的输出为COP、CON；其实现两路信号(AOP、AON和DOP、DON)的切换输出至COP、CON。

陀螺仪驱动环路启动时序示意图如图3所示，分为A、B、C、D四个过程，过程A中，系统开始上电启动，电容转换电路C2V2的输出信号幅度小，比较器CMP10未能分辨出信号幅度，此时模拟移相器ASP7工作，将C2V2输出信号CVOP、CVON移相约90度、且放大10倍以上后送至高压驱动电路HVD8输入端。HVD8驱动表头形成正反馈，使得表头振动幅度不断增大，进而使得C2V2输出增大，且环路形成自激振荡，在MEMS表头驱动部分谐振频率处振荡；过程B中，当C2V2输出增大到一定程度后，比较器CMP10能够准确识别CVOP、CVON，比较器CMP10输出时钟将会正常，锁相环PLL11将会快速锁定MEMS表头驱动部分谐振频率；过程C中，经过延迟时间Td后，状态切换信号START会被拉高，PID控制电路4会被接至环路中，模拟移相器会被关闭，闭环系统经过一段时间后完成幅度控制，此时PLL一直处于频率锁定状态中，环路最终实现频率和幅度稳定控制；状态D中，驱动环路的频率和幅度一直稳定工作，驱动环路的频率固定在MEMS表头驱动部分谐振频率，驱动信号幅度也稳定不变，从而实现角速度的准确测量，使得驱动环路对角速度测量影响降到很低的程度。

可选地，状态切换延时Td，可通过OTP&LGC电路配置，实现其延时可调，从而使其满足大多MEMS陀螺仪表头启动要求，也可尽量提高陀螺仪启动速度。

可选地，当状态切换信号START拉高后，模拟移相电路可被关闭，实现低功耗设计。

可选地，状态切换电路SW6不但满足驱动环路需要，且电路简单、性能可靠，成本较低。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，所述电路结构包括：

MEMS陀螺仪表头(1)、电容检测电路C2V(2)、第一解调器(3)、PID控制电路(4)、第二调制器(5)、状态切换电路SW(6)、模拟移相电路ASP(7)、高压驱动电路HVD(8)、逻辑可编程存储器OTP&LGC(9)、比较器CMP(10)、锁相环PLL(11)；

其中，MEMS陀螺仪表头(1)的驱动检测端DS+、DS-和驱动质量块DMS通过线路TOP、BOT和SCTR接电容检测电路C2V(2)的输入；电容检测电路C2V(2)的差分输出为CVOP和CVON，CVOP和CVON均作为模拟移相电路ASP(7)、第一解调器(3)、比较器CMP(10)的输入；第一解调器(3)的输出SOP、SON和参考电压VREF作为PID控制电路(4)的输入；PID控制电路(4)的输出PIOP、PION作为第二调制器(5)的输入；比较器CMP(10)的输出对偶时钟CKP0、CKXP0作为第一解调器(3)的输入解调时钟，CKP0和CKXP0作为锁相环PLL(11)的输入参考时钟；锁相环PLL(11)的输出对偶时钟CKN90、CKXN90作为第二调制器(5)的输入调制时钟；逻辑可编程存储器OTP&LGC(9)的输出信号为状态切换信号START；模拟移相电路ASP(7)的输出信号SPOP、SPON和第二调制器(5)的输出信号MOP、MON以及状态切换信号START均作为状态切换电路SW(6)的输入；状态切换电路SW(6)的输出为COP、CON，作为高压驱动电路HVD(8)的输入；高压驱动电路HVD(8)的输出DTOP、DBOT分别接至MEMS陀螺仪表头(1)的驱动接入端DR+、DR-；

陀螺仪驱动环路启动时序包括A、B、C、D四个过程：

过程A中，陀螺仪驱动环路开始上电启动，电容转换电路C2V(2)的输出信号幅度小，比较器CMP(10)未能分辨出信号幅度，此时模拟移相电路ASP(7)工作，将电容检测电路C2V(2)输出信号CVOP、CVON移相放大后送至高压驱动电路HVD(8)输入端；高压驱动电路HVD(8)驱动MEMS陀螺仪表头形成正反馈，使得MEMS陀螺仪表头振动幅度不断增大，进而使得电容转换电路C2V(2)输出增大，且陀螺仪驱动环路形成自激振荡，在MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率处振荡；

过程B中，当电容转换电路C2V(2)输出增大到一定程度后，比较器CMP(10)能够准确识别CVOP、CVON，比较器CMP(10)输出时钟将会正常，锁相环PLL(11)将会锁定MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率；

过程C中，经过延迟时间Td后，状态切换信号START会被拉高，PID控制电路(4)会被接至陀螺仪驱动环路中，模拟移相电路ASP(7)会被关闭，陀螺仪驱动环路经过一段时间后完成幅度控制，此时锁相环PLL(11)一直处于频率锁定状态中，陀螺仪驱动环路最终实现频率和幅度稳定控制；

状态D中，陀螺仪驱动环路的频率和幅度一直稳定工作，陀螺仪驱动环路的频率固定在MEMS陀螺仪表头驱动部分谐振频率，驱动信号幅度稳定不变。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，模拟移相电路ASP(7)的输出信号SPOP接至状态切换电路SW(6)的AOP端，模拟移相电路ASP(7)的输出信号SPON接至状态切换电路SW(6)的AON端；第二调制器(5)的输出信号MOP接至状态切换电路SW(6)的DOP端；第二调制器(5)的输出信号MON接至状态切换电路SW(6)的DON端；态切换信号START接至状态切换电路SW(6)的EN端。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，状态切换电路SW(6)包括：反相器(14)、第一开关SWA(12)、第二开关SWD(13)；AOP、AON作为第一开关SWA(12)的输入，DOP、DON作为第二开关SWD(13)的输入，EN作为第二开关SWD(13)和反相器(14)的控制输入，反相器(14)的输出作为第一开关SWA(12)的控制输入，第一开关SWA(12)和第二开关SWD(13)的输出为COP、CON；其实现两路信号AOP、AON与DOP、DON的切换输出至COP、CON。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，模拟移相电路ASP(7)工作，将电容检测电路C2V(2)输出信号CVOP、CVON移相90度、且放大10倍以上后送至高压驱动电路HVD(8)输入端。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，状态切换延时Td，可通过逻辑可编程存储器OTP&LGC(9)配置，实现其延时可调。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的闭环锁相驱动电路结构，其特征在于，当状态切换信号START拉高后，模拟移相电路ASP(7)可被关闭。