CN112729267A - 用于mems陀螺仪的读取电路和用于运行这种读取电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有能够被激励进行振荡的振荡质量的MEMS陀螺仪的读取电路，包括：模拟幅度调节回路/相位调节回路，用于监测振荡质量的振荡运动并产生驱动信号以激励并保持振荡质量的定义的振荡运动；感测前端，用于提供MEMS陀螺仪的测量值；相位调节回路，用于提供用于感测前端的解调时钟信号；能量管理单元，其构造用于预给定MEMS陀螺仪的借助感测前端来检测测量值的感测运行模式和预给定MEMS陀螺仪的不检测测量值的待机运行模式，其方式是：能量管理单元在感测运行模式下激活感测前端和相位调节回路并在待机运行模式下将其禁用，模拟幅度/相位调节回路独立于MEMS陀螺仪的运行模式提供用于MEMS陀螺仪的驱动信号且用于能量管理单元的时钟信号。

Description

用于MEMS陀螺仪的读取电路和用于运行这种读取电路的方法

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS陀螺仪的读取电路和一种用于运行这种读取电路的方法，该MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量(seismische Masse)。

背景技术

已知的MEMS陀螺仪单元(以下简称为MEMS陀螺仪)经常与加速度传感器一起用于便携式终端设备的惯性测量单元中，以便例如能够实现扩展现实(增强现实)领域中的应用或用于建筑物内的导航(室内导航)的应用。在此应注意尽可能降低能量消耗。与加速度传感器的能量消耗相比，MEMS陀螺仪的能量消耗相对较高，因为出于探测目的，需要主动地激励传感器结构的振荡质量成在激励平面中振荡。然后，可以将传感器围绕平行于激励平面并垂直于激励方向定向的轴的旋转运动检测为振荡质量垂直于该激励平面的偏转，因为这类旋转运动引起科里奥利力(Corioliskraft)，该科里奥利力垂直于激励平面作用到振荡质量上。通常，将MEMS陀螺仪的振荡质量置于共振振荡中。始终保持该振荡运动，因为将振荡质量从静止状态再次带入到定义的振荡状态中持续相对较长的时间。由此保证：即使如果不要连续检测测量数据，传感器也始终准备好进行测量。一种用于降低MEMS陀螺仪的能量消耗的已知措施在于，如果不要检测任何测量数据，则关断MEMS陀螺仪的读取电路，然而使驱动电路保持激活状态，以保持振荡质量的振荡运动或振荡。已知在驱动电路中使用具有低噪声的相位调节回路(Phasenregelkreis)，因为该相位调节回路不仅用于生成驱动信号，而且用于提供用于感测前端的数字时钟信号。该相位调节回路对驱动电路的能量消耗做出决定性的贡献，并且因此也在总体上对MEMS陀螺仪的能量消耗做出决定性的贡献，因为驱动电路总是处于激活状态，以保持振荡质量的振荡运动。

从US 9,506,757 B2中已知一种陀螺仪系统，该陀螺仪系统包括MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪与驱动系统和感测系统连接。驱动系统使MEMS陀螺仪保持在振荡状态中，并且相应于MEMS陀螺仪的转速使感测系统保持在接收、放大和解调MEMS陀螺仪的输出信号的状态中。该陀螺仪系统还包括相位调节回路PLL，该相位调节回路从驱动系统接收参考时钟REFCLK并产生系统时钟CLK。此外，该陀螺仪系统包括控制装置，该控制装置基于系统时钟工作，并且该控制装置确定驱动系统和感测系统的运行状态并且还确定相位调节回路的运行状态。在此，在所谓的保护模式期间，将一个或多个系统状态变量保持在基本上不可改变的状态中，从而能够在陀螺仪系统的低能量运行模式与正常运行模式之间快速切换。

发明内容

在一种实施方式中，本发明提供一种用于MEMS陀螺仪的读取电路，该MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量，该读取电路包括：

·模拟幅度/相位调节回路，其用于监测振荡质量的振荡运动并用于产生驱动信号，该驱动信号用于激励并保持振荡质量的定义的振荡运动；

·感测前端，其能够被有选择地激活并且用于提供MEMS陀螺仪的测量值；

·相位调节回路，其能够被有选择地激活并且用于提供用于感测前端的解调时钟信号；

·能量管理单元，其构造用于，

-预给定用于MEMS陀螺仪的主动感测运行模式，在该主动感测运行模式下借助感测前端来检测该测量值，或者

-预给定用于MEMS陀螺仪的待机运行模式，在该待机运行模式下不检测该测量值，

其方式是：能量管理单元在感测运行模式下激活感测前端和相位调节回路，并在待机运行模式下禁用感测前端和相位调节回路，其中，模拟幅度/相位调节回路独立于MEMS陀螺仪的运行模式地提供用于MEMS陀螺仪的驱动信号，其中，模拟幅度/相位调节回路提供用于能量管理单元的时钟信号。

在另一实施方式中，本发明提供一种用于运行用于MEMS陀螺仪的读取电路的方法，该MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量，该方法包括以下步骤：

-借助模拟幅度/相位调节回路来监测振荡质量的振荡运动并产生驱动信号，该驱动信号用于激励和保持振荡质量的定义的振荡运动；

-借助模拟幅度/相位调节回路提供用于能量管理单元的时钟信号；

-借助能量管理单元通过激活或禁用感测前端和相位调节回路来预给定用于MEMS陀螺仪的主动感测运行模式或待机运行模式，其中，在感测运行模式下，

-借助激活的感测前端提供MEMS陀螺仪的测量值，

-借助激活的相位调节回路为感测前端提供解调时钟信号并为用于测量值的数字信号处理单元提供时钟信号，其中，相比于驱动信号，该时钟信号具有更高的频率，例如至少2倍，优选地至少5倍。

换句话说，提供一种读取电路，该读取电路能够以时钟驱动的方式在交替的运行模式下运行，其中，MEMS陀螺仪的振荡质量仅借助模拟幅度/相位调节回路总是保持在运动中，而与感测前端的运行模式无关，而仅当需要MEMS陀螺仪的测量数据时，才接通或运行感测前端、相位调节回路和信号处理单元。

由此实现的优点中的一个是，通过在待机运行模式下禁用相位调节回路，可以显著降低MEMS陀螺仪的能量消耗，同时可以保持振荡质量的振荡运动不受影响。另一优点是，模拟幅度/相位调节回路独立于相位调节回路地(即在待机运行模式下也)提供用于能量管理单元的时钟信号，该时钟信号可以用作在感测运行模式与待机运行模式之间进行切换的时基。根据本发明，仅在感测运行模式下激活相位调节回路，以便为激活的感测前端提供解调时钟信号并且在必要时为信号处理单元提供时钟信号。

在下文中描述或由此公开本发明的其他特征、优点和其他实施方式。

根据一种有利的扩展方案，读取电路构造用于以随时间变化的位置信号的形式检测振荡质量的振荡运动，并且将其作为输入信号提供给相位调节回路。与此相应，在本发明的该实施方式中，从振荡质量的振荡运动的频率、尤其从其共振频率推导出用于激活的感测前端的解调时钟信号以及在必要时用于信号处理单元的时钟信号。

根据另一有利的扩展方案，模拟幅度/相位调节回路具有模拟90°移相器和连接在后面的比较器，该模拟90°移相器用于所检测的位置信号并且尤其以全通滤波器的形式，该比较器从位置信号产生用于能量管理单元的时钟信号。因此，在这种情况下，用于能量管理单元的时钟信号也从振荡质量的振荡运动的频率、尤其从其共振频率推导出。

根据另一有利的扩展方案，模拟幅度/相位调节回路包括幅度解调单元，位置信号和时钟信号被输送给该幅度解调单元，以求取关于振荡质量的振荡运动的幅度的信息，其中，在该幅度解调单元的后面连接有用于调节振荡质量的振荡运动的幅度的模拟控制单元，该模拟控制单元尤其以PD调节器或PID调节器的形式，其中，模拟幅度/相位调节回路构造为借助时钟信号来调制控制单元的输出信号，以便产生用于振荡质量的驱动信号。这样做的优点是，因此可以完全模拟地且在没有相位调节回路的贡献的情况下产生用于MEMS陀螺仪的幅度调节和相位调节的驱动信号。

根据另一有利的扩展方案，电容式地检测振荡质量的振荡运动。在这种情况下，模拟幅度/相位调节回路包括用于电容式位置信号的电容-电压转换器。将该电容-电压转换器的输出输送给相位调节回路、模拟90°移相器和幅度解调单元。在当前情况下应注意，振荡质量的振荡运动也可以以其他方式来检测，例如以压电或压阻的方式。然后，其他转换器元件将代替电容-电压转换器。

根据另一有利的扩展方案，数字能量管理单元构造用于将时钟信号用作用于在MEMS陀螺仪的感测运行模式与待机运行模式之间进行切换的时基。如已经提及的那样，在该变型方案中，用于能量管理单元的时基从振荡质量的振荡运动的频率、尤其从其共振频率推导出。

根据另一有利的扩展方案，该读取电路具有能够被有选择地激活的数字信号处理单元，该数字信号处理单元用于由感测前端提供的MEMS陀螺仪的测量值。在此，能量管理单元构造用于在感测运行模式下激活数字信号处理单元并在待机运行模式下禁用数字信号处理单元。此外，相位调节回路构造用于提供用于数字信号处理单元的时钟信号，该时钟信号具有比驱动信号更高的频率，例如至少2倍，优选地至少5倍。

本发明的其他重要特征和优点从优选的实施方式中、从附图中以及从相关的附图描述中得出。

可以理解，在不背离本发明的范畴的情况下，上述特征和下面将要阐述的特征不仅能够以分别说明的组合使用，而且能够以其他组合或单独使用。

附图说明

本发明的优选的实施方案和实施方式在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述，其中，相同的附图标记涉及相同的或相似的或功能相同的构件或元件。

在此示出：

图1示出根据本发明的实施方式的用于MEMS陀螺仪的读取电路；

图2示出用于示出根据本发明的实施方式的能量管理单元的作用方式的框图。

具体实施方式

在图1中详细示出陀螺仪系统1。陀螺仪系统1包括MEMS陀螺仪2，该MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量。MEMS陀螺仪2与模拟幅度/相位调节回路3和感测前端4连接。模拟幅度/相位调节回路3从MEMS陀螺仪2接收例如以电容变化(该电容变化描述振荡质量的振荡运动)形式的位置信号103，并且向MEMS陀螺仪2提供驱动信号100，以便激励和保持振荡质量的定义的振荡运动，即具有定义的频率和幅度。出于能量效率的原因，振荡质量通常被激励以产生共振振荡。MEMS陀螺仪2检测旋转运动的旋转速率并借助感测前端4提供相应的测量信号101。这些测量信号被输送给数字信号处理器6a，该数字信号处理器是数字电路6的组成部分。该数字电路还包括用于陀螺仪系统1的数字能量管理单元6b。

如已经实施的那样，借助模拟幅度/相位调节回路3，以恒定的幅度激励或保持MEMS陀螺仪2的振荡质量的定义的振荡运动。在这里所示出的实施例中，电容式地检测振荡运动，即MEMS陀螺仪2的振荡质量的位置。将相应的位置信号103馈送给模拟幅度/相位调节回路3的电容-电压转换器3a并转换成相应的电压信号。将电容-电压转换器3a的正弦状的输出信号传递给模拟移相器3b和幅度解调单元3d，该幅度解调单元同样是幅度调节回路/相位调节回路3的组成部分。模拟移相器3b将电压信号的相位移位90°。例如可以以全通滤波器的形式提供该模拟移相器。相移90°的电压信号然后由比较器3c转换为矩形状的时钟信号104。然后，一方面，将该时钟信号104输送给幅度解调单元3d，另一方面，也将该时钟信号104提供给数字能量管理单元6b。借助幅度解调单元3d再次提供由电容-电压转换器3a输出的电压信号的幅度信息。为此，幅度解调单元3d可以例如采样正弦状的电压信号并且尤其采样其极值和/或使用混频器。将如此求取的幅度信息提供给模拟控制单元3e，该模拟控制单元将振荡运动的幅度调节到参考值Ref。在此，大多涉及与温度无关的参考电压，该参考电压对应于预给定的期望幅度。控制单元3e可以比例地(proportional)或比例积分地(proportional-integrativ)工作。由模拟控制单元3e输出的信号是直流电压信号，该直流电压信号然后借助由比较器3c输出的时钟信号进行调制，以便获得关于通常存在的驱动电极到陀螺仪2的振荡质量上的相应的最大能量输入。

如已经提及的那样，也将时钟信号104输送给能量管理单元6b，该能量管理单元使用该时钟信号104作为用于用户定义的自动开启和关断陀螺仪系统1的测量功能的时基，这也称为“占空比”。在这里所描述的实施例中，陀螺仪系统1要么能够在主动感测运行模式下运行(在该主动感测运行模式下对测量信号进行检测和处理)，要么能够在待机运行模式下运行(在该待机运行模式下不检测任何测量信号)。能量管理单元6b预给定相应的运行模式，其方式是：该能量管理单元对于感测运行模式激活感测前端4、相位调节回路5和数字信号处理器6a，并对于待机运行模式禁用这些。激活和禁用借助控制信号106来进行，这也通过图2示出。不受此影响地总是向幅度调节回路/相位调节回路3供应能量。该幅度调节回路/相位调节回路总是激活的，以便独立于运行模式地保持MEMS陀螺仪2的振荡质量的振荡运动，并且独立于运行模式地生成时钟信号104作为用于能量管理单元6b的时基。

将电容-电压转换器3a的输出信号输送给相位调节回路5，该相位调节回路由此推导，一方面生成用于感测前端4的具有低噪声的解调时钟信号102，另一方面生成用于信号处理器6a的高频时钟信号105，通常大于1MHz。这与相对较高的电流消耗相关，但是仅在感测运行模式下进行，因为相位调节回路5在待机运行模式下禁用。

感测前端4在使用解调时钟信号102的情况下将MEMS陀螺仪2的测量信号转换成用于数字信号处理器6a的数字信号101。然后，数字信号处理器6a可以例如对数字传感器信号101进行滤波、在数据的偏移或增益方面进行温度补偿和/或校正。

下面阐述结合图1和2所描述的用于MEMS陀螺仪2的读取电路的工作方式或运行。

连续监测MEMS陀螺仪2的振荡质量的振荡运动，以便通过产生相应的驱动信号100来激励或保持定义的振荡运动，也就是说，不取决于陀螺仪系统1的相应的运行模式。借助模拟幅度/相位调节回路3来生成驱动信号100。

同样独立于陀螺仪系统1的相应的运行模式，幅度调节回路/相位调节回路3生成时钟信号104作为能量管理单元6b的时基。该能量管理单元预给定陀螺仪系统1的运行模式，即通过激活或禁用感测前端4、相位调节回路5以及数字信号处理器6a预给定主动感测运行模式或待机运行模式。

在感测运行模式中，激活的感测前端4从由MEMS陀螺仪2检测到的传感器信号生成数字化的传感器信号101。为此，激活的相位调节回路5生成解调时钟信号102并且将该解调时钟信号提供给感测前端4。此外，相位调节回路5生成用于数字信号处理单元6a的高频时钟信号105，将数字传感器信号101馈送给该数字信号处理单元以进行进一步的信号处理。

根据本发明的上述措施使得即使在不关断用于振荡质量的促动电路或驱动电路的情况下也能够显著降低“占空比”模式下的MEMS陀螺仪的电流消耗。根据本发明，驱动电路以纯粹的模拟幅度/相位调节回路的形式实现。除了用于MEMS陀螺仪的驱动信号之外，该幅度调节回路/相位调节回路还提供时钟信号作为能量管理单元的时基，该时钟信号从振荡质量的振荡频率推导出。在此通常涉及共振频率，该共振频率通常在20kHz至50kHz的范围内。对用于感测前端的解调时钟信号的噪声要求相对较高，也就是说，仅允许具有非常低的噪声。因此，提供该解调时钟信号的相位调节回路的能量消耗相对较高。因此，根据本发明，仅在感测运行模式下激活该相位调节回路，即当实际上应检测和调用测量值时。

尽管已经基于优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以多种方式进行修改。

Claims (8)

1.一种读取电路(1)，所述读取电路(1)用于MEMS陀螺仪(2)，所述MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量，所述读取电路至少包括：

模拟幅度/相位调节回路(3)，所述模拟幅度/相位调节回路用于监测所述振荡质量的振荡运动并且用于产生驱动信号(100)，所述驱动信号用于激励和保持所述振荡质量的定义的振荡运动；

感测前端(4)，所述感测前端能够被有选择地激活并且用于提供所述MEMS陀螺仪(2)的测量值(101)；

相位调节回路(5)，所述相位调节回路能够被有选择地激活并且用于提供用于所述感测前端(4)的解调时钟信号(102)；

能量管理单元(6b)，所述能量管理单元构造用于，

预给定用于所述MEMS陀螺仪(2)的主动感测运行模式，在所述主动感测运行模式中检测所述测量值(101)，

预给定用于所述MEMS陀螺仪(2)的待机运行模式，在所述待机运行模式中不检测所述测量值(101)，

其方式是：所述能量管理单元(6b)在所述感测运行模式下激活所述感测前端(4)和所述相位调节回路(5)并在所述待机运行模式下禁用所述感测前端和所述相位调节回路，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)独立于所述MEMS陀螺仪(2)的运行模式地提供用于所述MEMS陀螺仪(2)的驱动信号(100)，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)提供用于所述能量管理单元(6b)的时钟信号(104)。

2.根据权利要求1所述的读取电路，其中，所述读取电路(1)构造用于对所述振荡质量的振荡运动作为随时间变化的位置信号(103)进行检测并且将所述位置信号作为输入信号提供给所述相位调节回路(5)。

3.根据权利要求2所述的读取电路，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)具有用于所检测的位置信号(103)的模拟90°移相器(3b)，所述模拟90°移相器尤其以全通滤波器的形式，并且所述模拟幅度/相位调节回路(3)具有连接在后面的比较器(3c)，所述比较器由所述位置信号(103)产生所述时钟信号(104)。

4.根据权利要求3所述的读取电路，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)包括幅度解调单元(3d)，所述位置信号(103)和所述时钟信号(104)被输送给所述幅度解调单元，以便求取关于所述振荡质量的振荡运动的幅度的信息，其中，在所述幅度解调单元(3d)的后面连接有模拟控制单元(3e)，所述模拟控制单元用于调节所述振荡质量的振荡运动的幅度并且尤其以PD调节器或PID调节器的形式，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)构造用于借助所述时钟信号(104)来调制所述控制单元(3e)的输出信号，以便产生所述驱动信号(100)。

5.根据权利要求4所述的读取电路，其中，对所述振荡质量的振荡运动进行电容式地检测，其中，所述模拟幅度/相位调节回路(3)包括用于电容式的位置信号(103)的电容-电压转换器(3a)，其中，将所述电容-电压转换器(3a)的输出输送给所述相位调节回路(5)、所述模拟90°移相器(3b)和所述幅度解调单元(3d)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的读取电路，其中，所述数字能量管理单元(6b)构造用于，将所述时钟信号(104)用作用于在所述MEMS陀螺仪(2)的感测运行模式与待机运行模式之间进行切换的时基。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的读取电路，所述读取电路具有数字信号处理单元(6a)，所述数字信号处理单元能够被有选择地激活并且用于所述MEMS陀螺仪(2)的由所述感测前端(4)提供的测量值(101)，其中，所述能量管理单元(6b)构造用于在所述感测运行模式下激活所述数字信号处理单元(6a)并在所述待机运行模式下禁用所述数字信号处理单元(6a)，其中，所述相位调节回路(5)构造用于提供用于所述数字信号处理单元(6a)的时钟信号(105)，相比于所述驱动信号(100)，所述时钟信号具有更高的频率，尤其至少2倍，优选地至少5倍。

8.一种用于运行用于MEMS陀螺仪(2)的读取电路(1)的方法，所述MEMS陀螺仪具有能够被激励进行振荡的振荡质量，所述方法包括以下步骤：

借助模拟幅度/相位调节回路(3)监测所述振荡质量的振荡运动并产生驱动信号(100)，所述驱动信号用于激励并保持所述振荡质量的定义的振荡运动；

借助所述模拟幅度/相位调节回路(3)提供用于能量管理单元(6b)的时钟信号(104)；

借助所述能量管理单元(6b)通过激活或禁用感测前端(4)和相位调节回路(5)来预给定用于所述MEMS陀螺仪(2)的主动感测运行模式或待机运行模式；

并且在所述感测运行模式下：

借助所述激活的感测前端(4)提供所述MEMS陀螺仪(2)的测量值(101)；

借助所述激活的相位调节回路(5)为所述感测前端(4)提供解调时钟信号(102)并且为用于所述测量值(101)的数字信号处理单元(6a)提供时钟信号(105)，其中，相比于所述驱动信号(100)，所述时钟信号(105)具有更高的频率。

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