CN113614490A - 陀螺仪装置的ftr回路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种陀螺仪装置的信号处理电路。信号处理电路包括第一电极和与第一电极配对的第二电极。信号处理电路为负反馈回路电路，被配置为与第一电极和第二电极连接，并且包括：解调器，被配置为将来自第一电极的电流转换成电压并对转换后的电压进行解调以输出解调后的信号；模数转换器，被配置为将来自解调器的解调信号转换成数字信号；比例积分微分控制器，连接到模数转换器；数模转换器，被配置为将来自比例积分微分控制器的输出信号转换为模拟信号；以及调制器，被配置为与第二电极电连接并与数模转换器电连接。

Description

陀螺仪装置的FTR回路
技术领域
至少一个示例实施例涉及一种陀螺仪装置的信号处理电路，并且更具体地，涉及一种用于实现陀螺仪装置的带宽扩展和大回路增益的信号处理电路。
背景技术
BAW(体声波)MEMS(微机电系统)陀螺仪装置由于其在模式匹配条件下的高品质因子(Q)操作而具有优于常规的MEMS陀螺仪的巨大优势。然而，高品质因子陀螺仪使其在开环配置中运行变得困难。
因此，现在迫切需要一种具有负反馈回路的陀螺仪信号处理电路，其可以扩展速率检测带宽，并且使得陀螺仪装置对温度不敏感(即，使陀螺仪的品质因子对温度不敏感)。换言之，需要有这样的电路，其可以通过使所感测的科里奥利力为零来产生大且稳定的增益。
引用列表
专利文献
专利文献1
美国专利No.9,804,190
发明内容
根据一方面，提供了一种陀螺仪装置的信号处理电路。陀螺仪装置的信号处理电路可以包括第一电极和与第一电极配对的第二电极。信号处理电路可以是被配置为与第一电极和第二电极连接的负反馈回路电路。信号处理电路可以包括：解调器，被配置为将来自第一电极的电流转换成电压并对转换后的电压进行解调以输出解调后的信号；模数转换器，被配置为将来自解调器的解调信号转换成数字信号；比例积分微分控制器，连接到模数转换器；数模转换器，被配置为将来自比例积分微分控制器的输出信号转换为模拟信号；以及调制器，被配置为与第二电极电连接并与数模转换器电连接。
解调器可以包括第一跨阻放大器、电压-电压放大器和第一混频器，该解调器被配置为对转换后的电压进行解调并输出到模数转换器。
信号处理电路可以包括第一滤波器，该第一滤波器被配置为在输出到比例积分微分控制器之前减少来自解调器的解调信号的整形量化噪声。
模数转换器可以是1比特、3阶连续时间sigma delta调制器。
数模转换器可以是1比特、3阶数字sigma delta调制器。
信号处理电路可包括与数模转换器和调制器电连接的第二滤波器。在此，比例积分微分控制器将由模数转换器转换的数字信号完全转换为多比特数字数据，并且向数模转换器输出多比特数字数据，并且第二滤波器接收来自数模转换器的模拟信号并被配置为对该模拟信号进行整形。
第二滤波器可以从重整形的模拟信号中滤除量化噪声。
第二滤波器可以是二阶开关电容器滤波器。
第一滤波器可以是不具有抽取器的级联积分器梳状滤波器。
比例积分微分控制器可以基于陀螺仪的品质因子准确地固定数字增益。
调制器可以包括第二跨阻放大器、第二混频器和电压-电流放大器，并且第二混频器可以是通过方波轨到轨信号来切换的一对开关。
比例积分微分控制器可以是数字比例积分微分控制器。
示例实施例的附加方面将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地将通过该描述而显而易见，或者可以通过本公开的实践进行获知。
附图说明
本发明的这些和/或其他方面、特征和优点将通过结合附图的示例实施例的以下描述而变得清楚明白且更容易理解。
图1是根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路的示图。
图2是根据示例实施例的第一滤波器(boxcar滤波器)的示例的框图。
图3是根据示例实施例的比例积分微分(PID)控制器的示例的框图。
图4是根据示例实施例的数模转换器的示例的框图。
图5是根据示例实施例的第二滤波器(开关电容器滤波器)的示例的框图。
图6A是根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例的示图。
图6B示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6C示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6D示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6E示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6F示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6G示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6H示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
图6I示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。
具体实施方式
本文中所描述的示例实施例的以下结构或功能描述仅仅旨在出于描述本文中所描述的示例实施例的目的，并且可以以各种形式实现。在此，示例实施例不被解释为限于本公开，并且应被理解为包括本公开的技术思想内的所有改变、等同和替换。
在下文中，将参照附图详细地描述示例实施例。关于分配给附图中的元件的附图标记，应注意的是，即使相同的元件在不同的附图中示出，它们也将尽可能由相同的附图标记标明。而且，在对示例实施例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将导致本公开的模糊解释时，可以省略这样的描述。
图1是示出了陀螺仪装置100的处理电路20的示例的示图。在对处理电路20详述之前，简单地描述陀螺仪装置100。
陀螺仪装置100具有陀螺仪1、处理电路20和驱动电路30。陀螺仪1具有第一电极1A、第二电极1B、驱动电极1C、1D和陀螺1E。陀螺1E面对电极1A-1D中的每个电极，并且具有与电极1A-1D中的每个电极的电容耦合。第一电极1A经由处理电路20与第二电极1B电连接。并且第一电极1A和第二电极1B被布置为夹着陀螺1E且彼此面对。换言之，第一电极1A和第二电极1B彼此配对。在本实施例中，第一电极1A用作传感器电极，并且第二电极1B用作力再平衡(FTR)电极。
驱动电极1C、1D经由驱动电路30彼此电连接。并且驱动电极1C、1D被布置为夹着陀螺1E且彼此面对。换言之，驱动电极1C和驱动电极1D彼此成对。在本实施方式中，驱动电极1C向驱动电路30输出驱动电流，并且驱动电极1D将来自驱动电路30的驱动电压施加到陀螺1E。
驱动电路30从驱动电极1C接收驱动电流并将驱动电流转换为驱动电压。并且驱动电路30向驱动电极1D输出驱动电压。这样，驱动电路30驱动诸如陀螺1E的陀螺仪1元件。此外，驱动电路30向处理电路20的解调器2输出同步信号。
参照图1，在下面描述处理电路20。实现力再平衡(FTR)回路以将差分电压施加到FTR+/-电极，从而使陀螺仪1中的科里奥利力为零。如图1所示，这是经由负反馈回路实现的。
与直接放大速率电流的开环架构不同，FTR架构放大误差电流，该误差电流与科里奥利力和FTR力之间的差值成正比。该负反馈回路在回路增益高时实现两个目标：带宽扩展和对前向路径增益不敏感。在第一个目标中，由于设计的带宽较小(＜10Hz)，因此需要带宽扩展。在第二个目标中，大回路增益意味着陀螺仪的品质因子(Q)变化变得不敏感。
当陀螺仪1受到科里奥利力时，跨阻放大器(TIA)/电流-电压放大器3将电流转换为电压。然后经由前向路径中的混频器(吉尔伯特单元)4对电压进行解调。解调器2包括TIA/电压-电压放大器3和混频器4。并且解调器2通过来自驱动电路30的同步信号对信号进行解调。特别地，驱动电路30向混频器4输入同步信号。
解调信号代表速率，然后经由1比特、3阶连续时间Sigma Delta调制器5被转换为其数字等效字。来自sigma delta调制器5的数字比特流的整形量化噪声在通过数字比例积分微分(PID)7之前首先被四阶boxcar滤波器6降低。
当前实现的PID7具有“P”和“I”。“I”需要在低频下实现更高的前向增益，并且“P”被实现为补偿陀螺仪所引入的极点。在实际的“P”和“I”之前还存在数字增益以设置前向增益。PID7的输出是系统输出，代表检测到的速率。
在返回路径中，数字速率输出以脉宽调制方式调制，并且其量化噪声经由1比特、3阶数字Sigma Delta调制器8重整形。在将分辨率从20比特降低到1比特的过程中产生的量化噪声通过二阶开关电容器滤波器9滤除。开关电容器滤波器9的输出经过前向路径电子器件的反向信号处理。即，基带速率电流被幅度调制到陀螺仪载波频率上，并经由TIA 12施加以驱动FTR+/-电极。调制器13包括电压-电流放大器10、混频器(无源混频器)11和TIA 12并消除噪声。
在下面详细地描述FTR回路中的主要的块。
第一滤波器(boxcar滤波器)。
图2是根据示例实施例的第一滤波器(boxcar滤波器)的示例的框图。boxcar滤波器6的目的在于将来自模数转换器(1比特、三阶连续时间sigma delta调制器)5的1比特比特流转换为20位字。滤波器6是CIC(级联积分器梳状)滤波器。在没有抽取器的情况下，由于梳状部分中的长延迟链，因此滤波器6是硬件密集型。然而，它无需进行插值，从而确实简化了回路设计。而且，CIC滤波器而不是IIR(无限脉冲响应)滤波器保留了路径的线性相位特性。
PID控制器
图3是根据示例实施例的PID控制器的示例的框图。PID控制器7有两个主要目的。第一个目的是通过在前向路径中插入积分器来最小化反馈误差。第二个目的是在前向路径中插入固定数字增益，从而补偿模拟前端增益的不足。固定数字增益是基于陀螺仪的品质因子(环境温度)和输入范围而调整的。当输入范围要求改变时，为了在模数转换器5的输出端获得满量程(FS)，需要调整返回路径中的衰减。因此，前向增益必须通过固定数字增益调整，以在FTR回路周围保持适当的整体增益。
数模转换器
图4是根据示例实施例的数模转换器的示例的框图。1比特数字调制器8是数模转换器的前端，将PID7的数字输出转换为代表速率的模拟电压。为了在感兴趣的频带内实现高SNR(信噪比)，Sigma-Delta调制器是对于该目的而言的最佳结构。1bit数字调制器8的输出是速率的PWM(脉宽调制)信号，这使得数模转换器8的模拟后端在满足性能要求上相对简单。
第二滤波器(开关电容器滤波器)
图5是根据示例实施例的第二滤波器(开关电容器滤波器)的示例的框图。开关电容器滤波器(SCF)9的目的在于降低1比特数字调制器8在较高频率下升高的量化噪声。它是数模转换器8的模拟后端，基于从带隙生成的参考电压将1比特PWM(脉宽调制)速率转换为模拟信号。尽管1比特数字调制器8是3阶，但是使用了2阶SCF。
调制器
调制器13包括电压-电流放大器10、混频器11和TIA12，并且被称为接口电子器件。如前所述，电压-电流放大器10将SCF 9输出转换为电流。电流被调制到陀螺仪载波频率上并馈送到TIA12以生成Vftr+/-信号。混频器11是通过方波轨到轨LO(本地振荡器)信号切换的一对开关。结果是，在过程中会产生高电平谐波。这些高电平谐波(3fo、5fo、...)将不影响系统的性能，这是由于它们在陀螺仪1的带宽之外。
后端调整
参照图1，SINC2/LPF14块被放置在FTR回路之外，以进一步滤除由模数调制器5引起的量化噪声。因为下游信号将在负反馈中引起较大的相移，所以这些下游信号调节块无法设计到FTR回路中。另外，在这两个数字块中存在抽取选项，以将速率减慢到用户所需的速率。需要增益/偏移数字块15来微调FTR的输出电平。
图6A至图6I示出了根据示例实施例的陀螺仪装置的信号处理电路中的各个点处的信号波形的示例。在多次闭环迭代后，PID7的输入将为零。
可以使用硬件组件来实现上述示例实施例。后端处理设备可以使用诸如以下项的一个或多个通用或专用计算机来实现：例如，处理器、控制器和算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器(DSP)、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑单元(PLU)、微处理器、或者能够以所定义的方式响应并执行指令的任何其他的设备。处理设备可以运行操作系统(OS)以及在OS上运行的一个或多个软件应用。处理设备也可以响应于软件的执行而访问、存储、操控、处理和创建数据。为了简单起见，对处理设备的描述使用单数形式；然而，本领域技术人员应理解的是，硬件设备可以包括多个处理元件和多种类型的处理元件。
软件可以包括计算机程序、代码、指令、或它们的某种组合，以独立或共同地指示或配置陀螺仪系统以根据需要进行操作。软件和数据可以永久或临时地具体实施在任何类型的机器、组件、物理或虚拟装备、计算机存储介质或设备中，或者具体实施在能够向设备提供指令或数据或能够由设备解释的传播信号波中。
虽然本公开包括特定的示例，但是对于本领域普通技术人员而言显而易见的是：在不脱离权利要求及其等同的精神和范围的情况下，可以在这些示例中进行形式和细节上的各种改变。本文中所描述的示例应仅被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。对每个示例中的特征或方面的描述被认为适用于其他示例中的相似的特征或方面。如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同的方式组合和/或被其他的组件或其等同替换或补充，则可以实现合适的结果。因此，本公开的范围不是由具体实施方式限定的，而是由权利要求书及其等同限定的，并且在权利要求书及其等同的范围内的所有变化都被解读为包括在本公开中。
[附图标记列表]
1 陀螺仪
1A 第一电极
1B 第二电极
1C 驱动电极
1D 驱动电极
1E 陀螺
2 解调器
3 第一跨阻放大器和电压-电压放大器
4 第一混频器(吉尔伯特单元)
5 模数转换器
6 第一滤波器(boxcar滤波器)
7 比例积分微分控制器
8 数模转换器
9 第二滤波器(开关电容器滤波器)
10 电压电流放大器
11 第二混频器(无源混频器)
12 第二跨阻放大器
13 调制器
14 SINC2/低通滤波器
15 增益/偏移
16 Vcm
17 Vref
20 处理电路
30 驱动电路
100 陀螺仪装置。

Claims (12)

1.一种陀螺仪装置的信号处理电路，所述陀螺仪装置包括第一电极和与所述第一电极配对的第二电极，所述信号处理电路是被配置为与所述第一电极和所述第二电极连接的负反馈回路电路，包括：
解调器，被配置为将来自所述第一电极的电流转换成电压，并且对转换后的电压进行解调以输出解调信号；
模数转换器，被配置为将来自所述解调器的解调信号转换成数字信号；
比例积分微分控制器，连接到所述模数转换器；
数模转换器，被配置为将来自所述比例积分微分控制器的输出信号转换为模拟信号；以及
调制器，被配置为与所述第二电极电连接并与所述数模转换器电连接。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述解调器包括：第一跨阻放大器、电压-电压放大器和第一混频器，被配置为对转换后的电压进行解调并输出到所述模数转换器。
3.根据权利要求1所述的信号处理电路，还包括：
第一滤波器，被配置为在输出到所述比例积分微分控制器之前减少来自所述解调器的解调信号的整形量化噪声。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述模数转换器为1比特、3阶连续时间sigma delta调制器。
5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述数模转换器是1比特、3阶数字sigmadelta调制器。
6.根据权利要求1所述的信号处理电路，还包括：
第二滤波器，与所述数模转换器和所述调制器电连接，其中，
所述比例积分微分控制器将由所述模数转换器转换的数字信号完全转换为多比特数字数据，并且向所述数模转换器输出所述多比特数字数据，以及
所述第二滤波器接收来自所述数模转换器的模拟信号，并且被配置为对所述模拟信号进行重整形。
7.根据权利要求6所述的信号处理电路，其中，所述第二滤波器还被配置为从重整形后的模拟信号中滤除量化噪声。
8.根据权利要求7所述的信号处理电路，其中，所述第二滤波器是二阶开关电容器滤波器。
9.根据权利要求3所述的信号处理电路，其中，所述第一滤波器是不具有抽取器的级联积分梳状滤波器。
10.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述比例积分微分控制器基于陀螺仪的品质因子来固定数字增益。
11.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述调制器包括第二跨阻放大器、第二混频器和电压-电流放大器，并且所述第二混频器是通过方波轨到轨信号来切换的一对开关。
12.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述比例积分微分控制器是数字比例积分微分控制器。
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