CN112833921A - 一种单轴陀螺仪电路 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种单轴陀螺仪电路，该电路包括电压供电单元、温度补偿单元、陀螺仪单元、模数转换单元以及串口总线隔离单元，其中，电压供电单元用于输出基准电压至温度补偿单元；温度补偿单元与电压供电单元相连接，用于根据温度调整基准电压为调整电压；陀螺仪单元与温度补偿单元相连接，用于接收调整电压进行供电，并生成传感器输出电压；模数转换单元与温度补偿单元和陀螺仪单元两者相连接，用于根据调整电压和传感器输出电压进行模数转换，得到数字信号；串口总线隔离单元与模数转换单元相连接，用于输出数字信号。可见，实施这种实施方式，能够通过电路规避温度对陀螺仪造成较大干扰，从而增强陀螺仪的抗干扰能力，保证陀螺仪的测试精度。
Description
技术领域
本申请涉及传感器电路技术领域，具体而言，涉及一种单轴陀螺仪电路。
背景技术
随着传感器的快速发展，越来越多的陀螺仪出现在了各类电子设备当中，使得各类电子设备具有多方面运动监测的功能。然而，在实践中发现，目前陀螺仪的测试精度通常受到温度的干扰，从而导致测量数据精度不高，进而影响电子设备的部分功能使用。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种单轴陀螺仪电路，用于通过电路规避温度对陀螺仪造成较大干扰，从而增强陀螺仪的抗干扰能力，保证陀螺仪的测试精度。
本申请实施例提供了一种单轴陀螺仪电路，所述单轴陀螺仪电路包括电压供电单元、温度补偿单元、陀螺仪单元、模数转换单元以及串口总线隔离单元，其中，
所述电压供电单元用于输出基准电压至所述温度补偿单元；
所述温度补偿单元与所述所述电压供电单元相连接，用于根据温度调整所述基准电压为调整电压；
所述陀螺仪单元与所述温度补偿单元相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压；
所述模数转换单元与所述所述温度补偿单元和所述陀螺仪单元两者相连接，用于根据调整电压和传感器输出电压进行模数转换，得到数字信号；
所述串口总线隔离单元与所述模数转换单元相连接，用于输出所述数字信号。
在上述实现过程中，该单轴陀螺仪电路可以通过电压供电单元提供供电电压，通过温度补偿单元自动完成根据温度进行电压补偿的过程，以使输出电压保持稳定，陀螺仪单元则能够根据稳定的电压输入进行准确的数据检测与输出，然后再通过模数转换单元和串口总线隔离单元对陀螺仪单元获取到的检测数据进行数据隔离与传输，从而避免了数据被干扰的哦空间，进而保证传输数据的精度。
进一步地，所述电压供电单元包括电压基准芯片、磁珠、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第三电阻以及第四电阻，其中，
所述电压基准芯片的vin接口与所述磁珠的一端和所述第四电容的一端两者相连接；
所述电压基准芯片的trim接口与所述第二电容的一端、所述第五电容的一端、所述第六电容的一端、所述第四电阻的一端四者相连接；
所述电压基准芯片的comp接口与所述第三电阻的一端相连接；
所述第三电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连接；
所述第四电阻的另一端与所述第七电容的一端和所述温度补偿单元两者相连接；
所述磁珠的另一端与电压端输入端相连接；
所述第三电容的一端与所述电压端输入端相连接；
所述电压基准芯片的gnd接口、所述第三电容的另一端、所述第四电容的另一端、所述第五电容的另一端、所述第六电容的另一端、所述第七电容的另一端共同与接地端相连接。
在上述实现过程中，该电压供电单元可以通过多个元件进行联合工作以使电压供电更加稳定。
进一步地，所述电压基准芯片为XFET系列基准电压源。
在上述实现过程中，该电压基准芯片的使用能够将该电路进行特异化构建，从而能够将该电压基准芯片的优势转换为电路优势，进而能够提高该电路的整体适用性。
进一步地，所述温度补偿单元包括低温漂运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一电容、第八电容、第九电容、n沟道场效应管，其中，
所述低温漂运算放大器的正向输入端与所述电压供电单元相连接，用于接收所述基准电压并根据所述n沟道场效应管的源极输出的电压调整所述低温漂运算放大器的输出电流；
所述低温漂运算放大器的反向输入端与所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端相连接；
所述n沟道场效应管的源极与所述第二电阻的另一端、所述第八电容的一端、所述第九电容的一端三者相连接；
所述n沟道场效应管的栅极与所述低温漂运算放大器的输出端相连接；
所述n沟道场效应管的漏极与所述第一电容的一端和视在功率端两者相连接；
所述第一电容的另一端、所述第一电阻的另一端、所述第八电容的另一端以及所述第九电容的另一端共同与接地端相连接。
在上述实现过程中，该温度补偿单元可以通过温漂运算放大器、n沟道场效应管、第一电阻、和第二电阻来组成一个负反馈电路，以使该负反馈电阻在温度补偿单元中，检测到n沟道场效应管的源极出现电压波动的时候，实时进行温度补偿调整。其中，若电压波动是电压降低的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)增加，并在此时增加低温漂运算放大器的输出电流，以使n沟道场效应管的压降Vds(漏极-源极)减少，从而使得被降低的电压得以升高；相反，若电压波动是电压增加的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)减小，并在此时降低温漂运算放大器的输出电流，以使n沟道场效应管的压降Vds(漏极-源极)增加，从而使得被降低的电压得以降低。
进一步地，所述低温漂运算放大器为单通道的单电源放大器。
在上述实现过程中，该低温漂运算放大器和n沟道场效应管的使用能够将该电路进行特异化构建，从而能够将该电路可以根据低温漂运算放大器和n沟道场效应管进行温度自动化控制，从而提高该电路的温度自控的能力。
进一步地，所述陀螺仪单元包括陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与所述温度补偿单元相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压。
在上述实现过程中，该陀螺仪单元可以设置有陀螺仪传感器，以使陀螺仪传感器可以根据输入电压进行正常工作，从而能够输出相应的准确的工作数据。
进一步地，所述模数转换单元包括精密放大器、第五电阻、第十八电容以及模数转换器，其中，
所述精密放大器的正向输入端与所述陀螺仪单元相连接；
所述精密放大器的反向输入端与所述精密放大器的输出端和所述第五电阻的一端两者相连接；
所述第五电阻的另一端与所述第十八电容的一端和所述模数转换器两者相连接；
所述第十八电容的另一端与接地端相连接。
在上述实现过程中，该模数转换单元可以通过多个元件进行协同工作，从而完成对传感器单元输出信号的模数转换工作，进而提高输出结果的精度。
进一步地，所述精密放大器为单通道的单电源放大器；所述模数转换器为四通道电荷再分配逐次逼近寄存器型模数转换器。
在上述实现过程中，使用该种型号的精密放大器和模数转换器可以提高整体单轴陀螺仪电路的工作效果。
进一步地，所述串口总线隔离单元包括SPI总线隔离芯片，所述SPI总线隔离芯片与所述模数转换单元通过四个接口相连接。
在上述实现过程中，SPI总线隔离芯片与模数转换单元通过四个接口能够使得数据更稳定、更准确的进行隔离传输，从而有利于实现SPI总线隔离的功能。
进一步地，所述SPI总线隔离芯片为七通道数字隔离器。
在上述实现过程中，该种型号的SPI纵向隔离芯片能够提高整体单轴陀螺仪电路的工作效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的单轴陀螺仪电路的电路结构示意图；
图2为本申请实施例提供的电压供电单元和温度补偿单元的电路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的陀螺仪单元、数模转换单元和串口总线隔离温单元的电路结构示意图。
图标：100-电压供电单元；U2-电压基准芯片；L1-磁珠；C2-第二电容；C3-第三电容；C4-第四电容；C5-第五电容；C6-第六电容；C7-第七电容；R3-第三电阻；R4-第四电阻；200-温度补偿单元；U1-低温漂运算放大器；R1-第一电阻；R2-第二电阻；C1-第一电容；C8-第八电容；C9-第九电容；Q1-n沟道场效应管；300-陀螺仪单元；400-模数转换单元；U4-精密放大器；R5-第五电阻；C18-第十八电容；U5-模数转换器；500-串口总线隔离单元；U3-SPI总线隔离芯片。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
实施例1
请参看图1，图1为本申请实施例提供的一种单轴陀螺仪电路的结构示意图。如图1所示，单轴陀螺仪电路包括电压供电单元100、温度补偿单元200、陀螺仪单元300、模数转换单元400以及串口总线隔离单元500，其中，
所述电压供电单元100用于输出基准电压至所述温度补偿单元200；
所述温度补偿单元200与所述所述电压供电单元100相连接，用于根据温度调整所述基准电压为调整电压；
所述陀螺仪单元300与所述温度补偿单元200相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压；
所述模数转换单元400与所述所述温度补偿单元200和所述陀螺仪单元300两者相连接，用于根据调整电压和传感器输出电压进行模数转换，得到数字信号；
所述串口总线隔离单元500与所述模数转换单元400相连接，用于输出所述数字信号。
实施这种实施方式，能够通过温度补偿单元200对全工作温度区间(-40℃～85℃)保温电压的稳定输出；同时还能够通过模数转换单元400和串口总线隔离单元500对模拟电压部分(ADC模数转换器U5、电压基准、低温漂运算放大器U1、陀螺仪传感器)与数字信号部分隔离，提高抗干扰能力，提高测量精度。
可见，实施本实施例所描述的单轴陀螺仪电路，能够通过电压供电单元100提供供电电压，通过温度补偿单元200自动完成根据温度进行电压补偿的过程，以使输出电压保持稳定，陀螺仪单元300则能够根据稳定的电压输入进行准确的数据检测与输出，然后再通过模数转换单元400和串口总线隔离单元500对陀螺仪单元300获取到的检测数据进行数据隔离与传输，从而避免了数据被干扰的哦空间，进而保证传输数据的精度。
实施例2
请一并参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种单轴陀螺仪电路的结构示意图。其中，图2所示的单轴陀螺仪电路是由图1所示的单轴陀螺仪电路进行优化得到的。如图2所示，所述电压供电单元100包括电压基准芯片U2、磁珠L1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第三电阻R3以及第四电阻R4，其中，
所述电压基准芯片U2的vin接口与所述磁珠L1的一端和所述第四电容C4的一端两者相连接；
所述电压基准芯片U2的trim接口与所述第二电容C2的一端、所述第五电容C5的一端、所述第六电容C6的一端、所述第四电阻R4的一端四者相连接；
所述电压基准芯片U2的comp接口与所述第三电阻R3的一端相连接；
所述第三电阻R3的另一端与所述第二电容C2的另一端相连接；
所述第四电阻R4的另一端与所述第七电容C7的一端和所述温度补偿单元200两者相连接；
所述磁珠L1的另一端与电压端输入端相连接；
所述第三电容C3的一端与所述电压端输入端相连接；
所述电压基准芯片U2的gnd接口、所述第三电容C3的另一端、所述第四电容C4的另一端、所述第五电容C5的另一端、所述第六电容C6的另一端、所述第七电容C7的另一端共同与接地端相连接。
作为一种可选的实施方式，所述电压基准芯片U2为XFET系列基准电压源。
作为一种可选的实施方式，所述温度补偿单元200包括低温漂运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第八电容C8、第九电容C9、n沟道场效应管Q1，其中，
所述低温漂运算放大器U1的正向输入端与所述电压供电单元100相连接，用于接收所述基准电压并根据所述n沟道场效应管Q1的源极输出的电压调整所述低温漂运算放大器U1的输出电流；
所述低温漂运算放大器U1的反向输入端与所述第一电阻R1的一端和所述第二电阻R2的一端相连接；
所述n沟道场效应管Q1的源极与所述第二电阻R2的另一端、所述第八电容C8的一端、所述第九电容C9的一端三者相连接；
所述n沟道场效应管Q1的栅极与所述低温漂运算放大器U1的输出端相连接；
所述n沟道场效应管Q1的漏极与所述第一电容C1的一端和视在功率端两者相连接；
所述第一电容C1的另一端、所述第一电阻R1的另一端、所述第八电容C8的另一端以及所述第九电容C9的另一端共同与接地端相连接。
本实施例中，若电压波动是电压降低的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)增加，并在此时增加低温漂运算放大器U1的输出电流，以使n沟道场效应管Q1的压降Vds(漏极-源极)减少，从而使得被降低的电压得以升高；相反，若电压波动是电压增加的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)减小，并在此时降低温漂运算放大器U1的输出电流，以使n沟道场效应管Q1的压降Vds(漏极-源极)增加，从而使得被降低的电压得以降低。
作为一种可选的实施方式，所述低温漂运算放大器U1为单通道的单电源放大器。
作为一种可选的实施方式，所述陀螺仪单元300包括陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与所述温度补偿单元200相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压。
作为一种可选的实施方式，所述模数转换单元400包括精密放大器U4、第五电阻R5、第十八电容C18以及模数转换器U5，其中，
所述精密放大器U4的正向输入端与所述陀螺仪单元300相连接；
所述精密放大器U4的反向输入端与所述精密放大器U4的输出端和所述第五电阻R5的一端两者相连接；
所述第五电阻R5的另一端与所述第十八电容C18的一端和所述模数转换器U5两者相连接；
所述第十八电容C18的另一端与接地端相连接。
作为一种可选的实施方式，所述精密放大器U4为单通道的单电源放大器；所述模数转换器U5为四通道电荷再分配逐次逼近寄存器型模数转换器。
作为一种可选的实施方式，所述串口总线隔离单元500包括SPI总线隔离芯片U3，所述SPI总线隔离芯片U3与所述模数转换单元400通过四个接口相连接。
作为一种可选的实施方式，所述SPI总线隔离芯片U3为七通道数字隔离器。
可见，实施本实施例所描述的单轴陀螺仪电路，能够通过温漂运算放大器、n沟道场效应管Q1、第一电阻R1、和第二电阻R2来组成一个负反馈电路，以使该负反馈电阻在温度补偿单元200中，检测到n沟道场效应管Q1的源极出现电压波动的时候，实时进行温度补偿调整。其中，若电压波动是电压降低的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)增加，并在此时增加低温漂运算放大器U1的输出电流，以使n沟道场效应管Q1的压降Vds(漏极-源极)减少，从而使得被降低的电压得以升高；相反，若电压波动是电压增加的情况，则温漂运算放大器的反向输入端获取到的取样电压值Vsa和基准电压值Vref的差值绝对值Vdif(Vdif＝|Vref-Vsa|)减小，并在此时降低温漂运算放大器U1的输出电流，以使n沟道场效应管Q1的压降Vds(漏极-源极)增加，从而使得被降低的电压得以降低。
在上述所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。
应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述单轴陀螺仪电路包括电压供电单元、温度补偿单元、陀螺仪单元、模数转换单元以及串口总线隔离单元，其中，
所述电压供电单元用于输出基准电压至所述温度补偿单元；
所述温度补偿单元与所述所述电压供电单元相连接，用于根据温度调整所述基准电压为调整电压；
所述陀螺仪单元与所述温度补偿单元相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压；
所述模数转换单元与所述所述温度补偿单元和所述陀螺仪单元两者相连接，用于根据调整电压和传感器输出电压进行模数转换，得到数字信号；
所述串口总线隔离单元与所述模数转换单元相连接，用于输出所述数字信号。
2.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述电压供电单元包括电压基准芯片、磁珠、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第三电阻以及第四电阻，其中，
所述电压基准芯片的vin接口与所述磁珠的一端和所述第四电容的一端两者相连接；
所述电压基准芯片的trim接口与所述第二电容的一端、所述第五电容的一端、所述第六电容的一端、所述第四电阻的一端四者相连接；
所述电压基准芯片的comp接口与所述第三电阻的一端相连接；
所述第三电阻的另一端与所述第二电容的另一端相连接；
所述第四电阻的另一端与所述第七电容的一端和所述温度补偿单元两者相连接；
所述磁珠的另一端与电压端输入端相连接；
所述第三电容的一端与所述电压端输入端相连接；
所述电压基准芯片的gnd接口、所述第三电容的另一端、所述第四电容的另一端、所述第五电容的另一端、所述第六电容的另一端、所述第七电容的另一端共同与接地端相连接。
3.根据权利要求2所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述电压基准芯片为XFET系列基准电压源。
4.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述温度补偿单元包括低温漂运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一电容、第八电容、第九电容、n沟道场效应管，其中，
所述低温漂运算放大器的正向输入端与所述电压供电单元相连接，用于接收所述基准电压并根据所述n沟道场效应管的源极输出的电压调整所述低温漂运算放大器的输出电流；
所述低温漂运算放大器的反向输入端与所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端相连接；
所述n沟道场效应管的源极与所述第二电阻的另一端、所述第八电容的一端、所述第九电容的一端三者相连接；
所述n沟道场效应管的栅极与所述低温漂运算放大器的输出端相连接；
所述n沟道场效应管的漏极与所述第一电容的一端和视在功率端两者相连接；
所述第一电容的另一端、所述第一电阻的另一端、所述第八电容的另一端以及所述第九电容的另一端共同与接地端相连接。
5.根据权利要求4所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述低温漂运算放大器为单通道的单电源放大器。
6.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述陀螺仪单元包括陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与所述温度补偿单元相连接，用于接收所述调整电压进行供电，并生成传感器输出电压。
7.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述模数转换单元包括精密放大器、第五电阻、第十八电容以及模数转换器，其中，
所述精密放大器的正向输入端与所述陀螺仪单元相连接；
所述精密放大器的反向输入端与所述精密放大器的输出端和所述第五电阻的一端两者相连接；
所述第五电阻的另一端与所述第十八电容的一端和所述模数转换器两者相连接；
所述第十八电容的另一端与接地端相连接。
8.根据权利要求7所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述精密放大器为单通道的单电源放大器；所述模数转换器为四通道电荷再分配逐次逼近寄存器型模数转换器。
9.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述串口总线隔离单元包括SPI总线隔离芯片，所述SPI总线隔离芯片与所述模数转换单元通过四个接口相连接。
10.根据权利要求9所述的单轴陀螺仪电路，其特征在于，所述SPI总线隔离芯片为七通道数字隔离器。
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