CN116499445B - 一种mems陀螺数字输出单片集成系统 - Google Patents

一种mems陀螺数字输出单片集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，包括：模拟振荡电路接入陀螺表头数据，转化为方波信号和正弦波信号；频率数字转换电路接入模拟振荡电路产生的方波信号，完成频率信号的提取和数字化任务；参考提取电路接入模拟振荡电路产生的方波信号，完成同步解调的理想方波；数字滤波电路对频率数字转换电路和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽；数字解调电路对数字滤波电路的输出信号进行混频，将混频后的高频信号滤除；重新采样电路接入数字解调电路的输出信号，转换为单个输出信号，通过串行输出接口输出。本发明利用频率调制的方式解决幅度调制信号处理电路复杂度高的问题。

Description

一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统
技术领域
本发明涉及单片集成领域，尤其涉及一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统。
背景技术
一直以来，MEMS陀螺仪系统的工作依赖于基于科里奥利力的调幅AM原理。调幅工作原理实现起来有固有局限性，例如电路复杂、温度漂移大、功耗大和体积大。
当前，汽车自动驾驶、航空航天和国防军工等领域对MEMS陀螺仪的长期稳定性性能、功耗和小型化提出了更高的要求，因此近年来，调频FM作为替代的解决方案出现，陀螺调频FM测量谐振器的两个特征模态之间的频率差，其中频率差与施加的角速率成正比，两种特征频率具有相同的温度依赖性，可以抵消温度引起的频率波动以抵消频率差。
MEMS陀螺信号处理电路现有技术缺点为：
1.幅度调制的信号处理电路缺点：工作电路复杂（如正交误差补偿电路、温度漂移补偿电路）、温度漂移大、功耗大和体积大。
2.频率调制的信号处理分立电路缺点：现有技术主要还是以分立器件测量为主，这种方案在短期噪声、长期稳定性、整体面积和功耗上都表现较差。
发明内容
本发明的目的在于，针对以上现有技术问题，提出一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，使其能够通过设计的模数混合电路进行陀螺信号的处理，无需再外接任何其他辅助电路。
一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，包括模拟振荡电路、频率数字转换电路、参考提取电路、数字滤波电路、数字解调电路和重新采样电路，其中，
模拟振荡电路用以接入陀螺表头数据，并转化为方波信号和正弦波信号，分别输出至陀螺表头、频率数字转换电路和参考提取电路；
频率数字转换电路用以接入模拟振荡电路产生的方波信号，完成频率信号的提取和数字化任务；
参考提取电路用以接入模拟振荡电路产生的方波信号，完成同步解调的理想方波，以便后续正确提取角速度；
数字滤波电路用以对频率数字转换电路和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽；
数字解调电路用以对数字滤波电路的输出信号进行混频，并将混频后的高频信号滤除；
重新采样电路用以接入数字解调电路的输出信号，转换为单个输出信号，并通过串行输出接口输出。
进一步的，所述模拟振荡电路包括模拟振荡器X和模拟振荡器Y，模拟振荡器X和模拟振荡器Y的结构相同，分别接入陀螺表头X轴和Y轴的输出数据。
进一步的，所述模拟振荡器X和模拟振荡器Y均包括基于电荷放大的前端放大器、自动增益控制电路和锁相环的闭环反馈架构，具有两个输出端，分别为方波振荡信号输出端和正弦波振荡信号输出端。
进一步的，所述频率数字转换电路接入模拟振荡电路的方波信号，包括频率数字转换器X和频率数字转换器Y，频率数字转换器X和频率数字转换器Y均包括相位频率检波器、电荷泵、积分器、多位量化器、数字补偿电路和数字计数器。
进一步的，所述相位频率检波器和电荷泵测量输入方波上升沿与量化反馈方波上升沿之间的时间误差，并输出与此误差成比例的电荷量，并由积分器累积，多位量化器量化积分器的输出并得到数字信号，然后，得到的数字信号由数字补偿电路处理后将中心频率偏移量反馈给数字计数器，数字计数器生成量化成时间间隔为参考时钟的周期并反馈到相位频率检波器。
进一步的，所述参考提取电路包括混频器和重新采样电路A，混频器接入模拟振荡电路的正弦波信号进行混频处理，并通过重新采样电路A进行重新采样，使混频后的信号与频率数字转换电路输出同步。
进一步的，所述数字滤波电路包括第一数字滤波器、第二数字滤波器、第三数字滤波器和第四数字滤波器，其中，第一数字滤波器和第四数字滤波器接入频率数字转换电路的输出信号，第二数字滤波器和第三数字滤波器接入参考提取电路的输出信号。
进一步的，所述数字滤波电路中的数字滤波器包括低通抽取滤波器，低通抽取滤波器由以高采样率工作的级联积分器和以低采样率工作的梳状级组成，对频率数字转换电路和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽。
进一步的，所述数字解调电路包括数字解调器X和数字解调器Y，数字解调器X和数字解调器Y均包括混频器和低通滤波器，对相同位宽和相同速率的频率数字转换电路和参考提取电路输出的滤波信号进行混频，解调出与角速度信号成正比的数字信号，再通过通带频率为陀螺输出带宽的低通滤波器，将混频后的高频信号滤除。
进一步的，所述重新采样电路包括插值模块和重新采样电路B，插值模块接入数字解调电路的输出信号，进行插值计算后通过重新采样电路B进行重新采样，并将陀螺表头的X轴和Y轴输出角速度之和转换为单个输出信号，通过串行输出接口输出。
本发明的有益效果为：通过一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，利用频率调制的方式解决幅度调制信号处理电路复杂度高、温度漂移大、功耗大和体积大的问题；频率调制电路不需要对检测环路进行温度漂移补偿，本身调制方式决定了其良好的温度特性；利用单片集成的模数混合电路，将噪声、稳定性、面积和功耗进行专门定制和平衡，避免使用大量分离器件导致的信号传输损失、噪声泄露、稳定性漂移、大面积、高功耗的缺点。
附图说明
图1是分立器件搭建的频率调制陀螺数字信号处理电路。
图2是单片集成的频率调制陀螺数字信号处理电路。
图3是模拟振荡器内部电路示意图。
实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如附图1所示，频率检测的实现通常依赖于采用分立器件，例如OP、AD/DA、PLL和FDC、微控制器MCU或现场可编程门阵列FPGA。这种方案在短期噪声、长期稳定性、整体面积和功耗上都比单片集成系统差，对于大多数应用来说，需要一个完全集成的解决方案来减少上述问题。
对此，本发明提供了一种解决方案，见如下实施例。
实施例
一种利用频率调制实现的MEMS陀螺数字输出单片集成系统。如图2所示：其包括两个模拟振荡器X/Y（OSC）、两个频率数字转换器X/Y（FDC）、一个用于解调基准的参考提取电路、四个数字滤波器、两个数字解调器X/Y、两个重新采样电路A/B和串行输出接口。具体连接关系如下（以X轴为例）：模拟振荡器X输入端接入陀螺表头X轴数据，输出端分别与陀螺表头、频率数字转换器X和参考提取电路相连接，频率数字转换器X输出端与第一数字滤波器相连接，第一数字滤波器输出端与数字解调器X相连接，参考提取电路的输出端与第二数字滤波器相连接，第二数字滤波器的输出端与数字解调器X相连接，数字解调器X输出端与重新采样电路B相连接，重新采样电路B输出端与串行输出接口相连接。Y轴的连接关系与X轴连接关系相同。
模拟振荡器，包括基于电荷放大的前端放大器（C/V）、自动增益控制电路（AGC）和锁相环（PLL）的闭环反馈架构，其中锁相环的输出电压值由自动增益控制电路设置，X轴和Y轴的模拟振荡器结构相同，这保证了陀螺能够以最小相位误差保持稳定性，维持两个轴的持续振荡。
频率数字转换器，包括相位频率检波器（PFD）、电荷泵（CP）、积分器（IG）、多位量化器（MBQ）、数字补偿电路（DCC）和数字计数器（DCO）。频率数字转换器输入为模拟振荡器中PLL产生的为陀螺谐振频率fb的调频方波，PFD和CP测量输入方波上升沿与量化反馈方波上升沿之间的时间误差，并输出与此误差成比例的电荷量，然后这个电荷由积分器累积。多位量化器量化积分器的输出并得到数字信号，然后，得到的数字信号由数字补偿电路处理后将中心频率偏移量反馈给数字计数器。数字计数器生成量化成时间间隔为参考时钟的周期（Tref）并反馈到PFD，频率数字转换器的数字信号输出频率信号（以添加了量化噪声的Tref为单位表示），频率数字转换器完成了频率信号提取并数字化的任务。
解调基准的参考提取电路，包括混频器（MIXER）和重新采样电路A。混频器输出由两个轴的FDC电路的频率信号进行重新采样，使其与FDC输出同步。通过参考提取电路后的信号变为瞬时频差（fΔ）的方波信号，以此重建了X轴和Y轴的基频等于瞬时频差的解调方波。这样，参考提取电路就提取出用于同步解调的理想方波，以便后续通过同步数字解调正确提取角速度。
数字滤波器，包括低通抽取滤波器（CIC）和高通滤波器（HPF）。低通抽取滤波器由以高采样率工作的级联积分器和以低采样率工作的梳状级组成，对FDC和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽。高通滤波器拓扑结构为FIR滤波器。参考提取电路也需利用数字滤波，该滤波将用于衰减FDC信号的量化噪声。由于数字滤波会在处理后的信号上引入相位滞后，为了保持FDC和参考提取电路输出信号的时间对准，必须对所有信号应用相同的数字滤波。数字滤波后解调波的高频杂散现象将在数字域中受到抑制。
数字解调器包括混频器和低通滤波器。对相同位宽和相同速率的FDC和参考提取电路输出的滤波信号进行混频，解调出与角速度信号成正比的数字信号，再通过通带频率为陀螺系统输出带宽的巴特沃兹低通滤波器，将混频后的高频信号滤除。
重新采样电路包括一个插值模块和重新采样电路B，插值模块利用一个轴计算出的确定N次多项式插值到另一个轴。为了保持精度，插值误差需小于输出噪声。两个轴通过插值模块后进行重新采样，并将X轴和Y轴输出角速度之和转换为单个输出信号。
串行输出接口使用SPI通信协议，已经能满足大部分应用环境。
以X轴为例，说明本申请的工作流程：陀螺表头X轴的输出端接到模拟振荡器X的输入端，模拟振荡器X的两个输出端（如图3所示）分别为方波振荡信号输出端和正弦波振荡信号输出端，方波振荡信号输出端接到陀螺表头X轴输入端和频率数字转换器X输入端，正弦波振荡信号输出端接到参考提取电路的输入端；频率数字转换器X的输出端接到第一数字滤波器的输入端，参考提取电路的输出端接到第二数字滤波器的输入端，第一数字滤波器的输出端接到数字解调器X的一个输入端，第二数字滤波器的输出端接到数字解调器X的另一个输入端；数字解调器X的输出端接到重新采样电路的输入端X，最后重新采样电路的输出端接到串行输出接口的输入端。需要说明的是，Y轴的具体实施方式同X轴。
本方案通过一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，利用频率调制的方式解决幅度调制信号处理电路复杂度高、温度漂移大、功耗大和体积大的问题；频率调制电路不需要对检测环路进行温度漂移补偿，本身调制方式决定了其良好的温度特性；利用单片集成的模数混合电路，将噪声、稳定性、面积和功耗进行专门定制和平衡，避免使用大量分离器件导致的信号传输损失、噪声泄露、稳定性漂移、大面积、高功耗的缺点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，包括模拟振荡电路、频率数字转换电路、参考提取电路、数字滤波电路、数字解调电路和重新采样电路，其中，
模拟振荡电路用以接入陀螺表头数据，并转化为方波信号和正弦波信号，分别输出至陀螺表头、频率数字转换电路和参考提取电路；
频率数字转换电路用以接入模拟振荡电路产生的方波信号，完成频率信号的提取和数字化任务；所述频率数字转换电路接入模拟振荡电路的方波信号，包括频率数字转换器X和频率数字转换器Y，频率数字转换器X和频率数字转换器Y均包括相位频率检波器、电荷泵、积分器、多位量化器、数字补偿电路和数字计数器；所述相位频率检波器和电荷泵测量输入方波上升沿与量化反馈方波上升沿之间的时间误差，并输出与此误差成比例的电荷量，并由积分器累积，多位量化器量化积分器的输出并得到数字信号，然后，得到的数字信号由数字补偿电路处理后将中心频率偏移量反馈给数字计数器，数字计数器生成量化成时间间隔为参考时钟的周期并反馈到相位频率检波器；
参考提取电路用以接入模拟振荡电路产生的正弦波信号，完成同步解调的理想方波，以便后续正确提取角速度；
数字滤波电路用以对频率数字转换电路和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽；所述数字滤波电路包括第一数字滤波器、第二数字滤波器、第三数字滤波器和第四数字滤波器，其中，第一数字滤波器和第四数字滤波器接入频率数字转换电路的输出信号，第二数字滤波器和第三数字滤波器接入参考提取电路的输出信号；
数字解调电路用以对数字滤波电路的输出信号进行混频，并将混频后的高频信号滤除；
重新采样电路用以接入数字解调电路的输出信号，转换为单个输出信号，并通过串行输出接口输出；所述重新采样电路包括插值模块和重新采样电路B，插值模块接入数字解调电路的输出信号，进行插值计算后通过重新采样电路B进行重新采样，并将陀螺表头的X轴和Y轴输出角速度之和转换为单个输出信号，通过串行输出接口输出。
2.如权利要求1所述一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，所述模拟振荡电路包括模拟振荡器X和模拟振荡器Y，模拟振荡器X和模拟振荡器Y的结构相同，分别接入陀螺表头X轴和Y轴的输出数据。
3.如权利要求2所述一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，所述模拟振荡器X和模拟振荡器Y均包括基于电荷放大的前端放大器、自动增益控制电路和锁相环的闭环反馈架构，具有两个输出端，分别为方波振荡信号输出端和正弦波振荡信号输出端。
4.如权利要求1所述一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，所述参考提取电路包括混频器和重新采样电路A，混频器接入模拟振荡电路的正弦波信号进行混频处理，并通过重新采样电路A进行重新采样，使混频后的信号与频率数字转换电路输出同步。
5.如权利要求1所述一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，所述数字滤波电路中的数字滤波器包括低通抽取滤波器，低通抽取滤波器由以高采样率工作的级联积分器和以低采样率工作的梳状级组成，对频率数字转换电路和参考提取电路的输出信号进行相同的降采样率和扩展位宽。
6.如权利要求1所述一种MEMS陀螺数字输出单片集成系统，其特征在于，所述数字解调电路包括数字解调器X和数字解调器Y，数字解调器X和数字解调器Y均包括混频器和低通滤波器，对相同位宽和相同速率的频率数字转换电路和参考提取电路输出的滤波信号进行混频，解调出与角速度信号成正比的数字信号，再通过通带频率为陀螺输出带宽的低通滤波器，将混频后的高频信号滤除。
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