CN201688848U - 双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，由闭环驱动电路和开环检测电路两部分组成，包括自动增益控制器、驱动位移电流检测单元、敏感位移电流检测单元、移相器、差分放大器、相敏解调器和低通滤波器；其中闭环驱动电路由驱动位移电流检测单元和自动增益控制器构成；开环检测电路由敏感位移电流检测单元、差分放大器、相敏解调器和低通滤波器组成。本实用新型采用位移电流的方式检测驱动模态和敏感模态的振动速度，有利于减小杂散电容的影响，避免在闭环驱动中添加移相器，使闭环驱动线路得以简化。

Description

双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路

技术领域

本实用新型属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路。

背景技术

硅微机械陀螺仪作为微电子机械中的一种，它可以将微机械陀螺的结构和所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量与可靠性等多方面的高度统一。因而，硅微机械陀螺仪具有一系列的优点，例如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、可大批量生产等，使之在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术；在军用方面，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、无人机的自主导航等。

硅微机械陀螺仪的驱动模态利用在电容的两极板上施加交流电压，可以产生交变的静电驱动力，使其产生机械振动；当有角速度输入时，产生的科氏力使得硅微机械陀螺仪的敏感模态在与驱动模态正交的方向上振动，该振动信号通过敏感模态的敏感电极检测出来，通过后续电路的信号处理就可以得到输入的角速度信号。但由于驱动模态和敏感模态在振动时所产生的电容变化量很小，通常都在10^-1210^-15F量级，所以为了能够将这个微弱信号检测出来，就需要一个微弱信号检测与处理电路。

1996年，美国德雷波实验室提出了一种电荷检测的方法(Paul Word，Waltham，Mass.ELECTRONICS FOR CORIOLIS FORCE AND OTHER SENSORS.Mar.28，1994.USPATENT 5481914.)，这种检测方法易受到杂散电容和耦合电容的影响，并且为了使环路相位满足360度的条件，还必须在环路中增加一个移相器，这在一定程度上增加了闭环驱动的复杂性。

2005年，R.Schreier在其一篇文章中(R.Schreier，J.Silva，J.Steensgaard，and G.C.Temes，“Design-oriented estimation of thermal noise in switched-capacitor circuits，”IEEETrans.Nov.2005.)，提到了一种采用开关电容方法进行检测位移变化的方法，这种检测方法必须有一个高频时钟信号，所以就很容易产生高频噪声源，并且由于开关的作用，也伴随有开关电荷注入所产生的噪声。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种小型化、低功耗、性能优良的硅微机械陀螺仪接口电路。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，由闭环驱动电路和开环检测电路两部分组成，包括自动增益控制器、驱动位移电流检测单元、敏感位移电流检测单元、移相器、差分放大器、相敏解调器和低通滤波器，自动增益控制器、驱动位移电流检测单元、敏感位移电流检测单元的一端分别与陀螺连接，自动增益控制器、驱动位移电流检测单元另一端分别与移相器连接，敏感位移电流检测单元的一端与差分放大器连接，该差分放大器、相敏解调器和低通滤波器依次连接，移相器与相敏解调器连接；其中闭环驱动电路由驱动位移电流检测单元和自动增益控制器构成，驱动位移电流检测单元与陀螺的驱动检测电极相连，用来检测陀螺驱动模态的振动速度，并将此振动速度转换成电压信号，自动增益控制器根据电压信号自动地调节输出电压大小，作为驱动电压施加到陀螺的驱动电极上；开环检测电路由敏感位移电流检测单元、差分放大器、相敏解调器和低通滤波器组成，敏感位移电流检测单元与陀螺的敏感检测电极相连，将陀螺敏感模态的振动速度转换成电压信号并输出，差分放大器将转换得到的电压信号进行差分后放大输出交流调幅信号，移相器根据电压信号与交流调幅信号之间的相位关系，对电压信号进行移相后输出电压信号，该电压信号与交流调幅信号一起作为相敏解调器的参考信号，该相敏解调器进行相敏解调后的输出信号输入低通滤波器，低通滤波器将高频信号滤除，得到直流信号即为角速度信号；相敏解调器的参考信号为电压信号经移相后的输出电压信号。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：(1)采用位移电流的方式检测驱动模态和敏感模态的振动速度，有利于减小杂散电容的影响，避免在闭环驱动中添加移相器，使闭环驱动线路得以简化。(2)在整个方案上，采用硅微机械陀螺仪驱动模态的固有频率进行驱动，无高频信号产生，所以无高频噪声源存在。(3)压控增益放大器采用乘法器或比较器，扩大了电路的线性范围和动态性能。(4)在陀螺的各个电极上施加有直流偏置，包括公共端电极，驱动电极，驱动检测电极和敏感检测电极，并且驱动检测电极和敏感检测电极均经电容后交流虚地，这种设计，有助于减小杂散电容的影响，同时在公共端电极和驱动电极上施加的直流偏置保证了可以用陀螺驱动模态的基频信号进行驱动，简化电路设计。(5)硅微机械陀螺仪敏感模态采用差分检测的方法，可增强系统对共模干扰的抑制能力。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图。

图2是本实用新型电路与陀螺结构接口示意图。

图3是本实用新型电流检测示意图和T型网络电阻示意图。

图4是本实用新型自动增益控制器的结构框图。

具体实施方式

结合图1，本实用新型双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，由闭环驱动电路和开环检测电路两部分组成，包括自动增益控制器3、驱动位移电流检测单元2、敏感位移电流检测单元4、5、移相器9、差分放大器6、相敏解调器7和低通滤波器8，自动增益控制器3、驱动位移电流检测单元2、敏感位移电流检测单元4、5的一端分别与陀螺连接，自动增益控制器3、驱动位移电流检测单元2另一端分别与移相器9连接，敏感位移电流检测单元4、5的另一端与差分放大器6连接，该差分放大器6、相敏解调器7和低通滤波器8依次连接，移相器9与相敏解调器7连接；其中闭环驱动电路由驱动位移电流检测单元2和自动增益控制器3构成，驱动位移电流检测单元2与陀螺的驱动检测电极35、36相连，用来检测陀螺驱动模态的振动速度，陀螺驱动模态的振动会产生位移电流14，此电流经过驱动位移电流检测单元2后，并将此振动速度转换成电压信号15，自动增益控制器3以电压信号15作为输入，并根据其幅值大小实时地调节输出电压16的大小，作为驱动电压施加到陀螺的驱动电极33、34上，用以保持陀螺驱动模态的恒幅振荡。开环检测电路由敏感位移电流检测单元4、5、差分放大器6、相敏解调器7和低通滤波器8组成，敏感位移电流检测单元4、5与陀螺的敏感检测电极37、38相连，用来检测陀螺敏感模态的振动速度，陀螺敏感模态的振动会产生位移电流17、18，这两个电流通过敏感位移电流检测单元4、5后，将陀螺敏感模态的振动速度转换成电压信号19、20并输出，差分放大器6将转换得到的电压信号19、20进行差分后放大输出交流调幅信号21，移相器9根据电压信号15与交流调幅信号21之间的相位关系，对电压信号15进行移相后输出电压信号24，该电压信号24与交流调幅信号21一起作为相敏解调器7的参考信号，该相敏解调器7进行相敏解调后的输出信号22输入低通滤波器8，低通滤波器8将高频信号滤除，得到直流信号23即为角速度信号。

结合图2，陀螺的各个电极上施加有直流偏置，即陀螺的公共端31、32、驱动电极33、34、驱动检测电极35、36和敏感检测电极37、38均施加直流偏置电压。驱动检测电极35、36与敏感检测电极37、38都经上拉后通过电容交流虚地，并分别与三个放大器的反相输入端相连接，此处的电容起到隔直的作用，而所要检测的位移电流等为交流信号，所以这些电流信号通过电容后流经放大器的反馈电阻，从而达到电流/电压转换的目的，所以位移电流检测模块也被称为电流/电压转换单元。

结合图3，本实用新型双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路的驱动位移电流检测单元2、敏感位移电流检测单元4、5的数量根据陀螺的驱动和敏感检测电极数量而定，可以是一个或一个以上，驱动位移电流检测单元2与敏感位移电流检测单元4、5结构一样，包括电容、反相放大器、跨阻。下面驱动位移电流检测单元2以一个为例，敏感位移电流检测单元4、5以两个为例。

其中驱动位移电流检测单元2的跨阻R₁跨接在第一反相放大器的反向输入端和输出端，电容C₁的一端与第一反相放大器的反向输入端相连，驱动检测电极31、32与电容C₁的另一端相连；

第一敏感位移电流检测单元4的跨阻R₂跨接在第二反相放大器的反向输入端和输出端，电容C₂的一端与第二反相放大器的反向输入端相连，敏感检测电极38与电容C₂的另一端相连；

第二敏感位移电流检测单元5的跨阻R₃跨接在第三反相放大器的反向输入端和输出端，电容C₃的一端与第三反相放大器的反向输入端相连，敏感检测电极37与电容C₃的另一端相连。

图3(a)显示位移电流检测单元是以运算放大器为核心的反相放大器构成，为了能够检测到10^-12～10^-15F量级的电容变化，跨阻R₁通常都在几十兆欧甚至上百兆欧的量级上，这么大的电阻往往难以得到且温度系数也难以做到25ppm及其以下，所以跨阻R₁常常用图3(b)所示的T型网络电阻来替代，其等效电阻R_equ如下式所示，其中R₁₁//R₁₂表示电阻R₁₁和R₁₂并联。

$R_{\mathrm{equ}}=(R_{11}+R_{12})(1+\frac{R_{11}//R_{12}}{R_{13}})$

从上式可以看出，如果R₁₁//R₁₂的等效电阻值与R₁₃的电阻值的比值越大，那么等效电阻R_equ就会越大，例如：若R₁₁＝R₁₂＝100kΩ，R₁₃＝1kΩ，那么等效电阻R_equ＝10.2MΩ。

结合图4，本实用新型双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路的自动增益控制器3由幅值提取电路10、比较器11、比例积分控制电路12和压控增益放大器13依次连接组成，幅值提取电路10完成对输入电压信号信号15的幅值提取，并将其幅值信号25输出，然后与参考电压V_ref一起作为比较器11的输入，比较器11将两个输入信号进行差分后输出差值信号26，该差值信号26作为比例积分控制电路12的输入信号，产生增益控制电压27，该增益控制电压27作为压控增益放大器13的增益控制信号，自动地调节压控增益放大器13的放大倍数，该压控增益放大器13的输出电压16作为驱动电压施加到陀螺的驱动电极33、34上。而其另一个输入电压信号信号15做为基准信号，增益控制电压27可以控制电压信号信号15到信号16的幅值增益。幅值提取电路10可以是一个AC-DC芯片，也可以是一个由全波或半波整流电路加低通滤波电路构成的AC-DC电路，；比较器11即可以是电流比较器也可以是电压比较器。

Claims (4)

1.一种双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，其特征在于由闭环驱动电路和开环检测电路两部分组成，包括自动增益控制器[3]、驱动位移电流检测单元[2]、敏感位移电流检测单元[4、5]、移相器[9]、差分放大器[6]、相敏解调器[7]和低通滤波器[8]，自动增益控制器[3]、驱动位移电流检测单元[2]、敏感位移电流检测单元[4、5]的一端分别与陀螺连接，自动增益控制器[3]、驱动位移电流检测单元[2]另一端分别与移相器[9]连接，敏感位移电流检测单元[4、5]的另一端与差分放大器[6]连接，该差分放大器[6]、相敏解调器[7]和低通滤波器[8]依次连接，移相器[9]与相敏解调器[7]连接；其中闭环驱动电路由驱动位移电流检测单元[2]和自动增益控制器[3]构成，驱动位移电流检测单元[2]与陀螺的驱动检测电极[35、36]相连，用来检测陀螺驱动模态的振动速度，并将此振动速度转换成电压信号[15]，自动增益控制器[3]根据电压信号[15]自动地调节输出电压[16]大小，作为驱动电压施加到陀螺的驱动电极[33、34]上；开环检测电路由敏感位移电流检测单元[4、5]、差分放大器[6]、相敏解调器[7]和低通滤波器[8]组成，敏感位移电流检测单元[4、5]与陀螺的敏感检测电极[37、38]相连，将陀螺敏感模态的振动速度转换成电压信号[19、20]并输出，差分放大器[6]将转换得到的电压信号[19、20]进行差分后放大输出交流调幅信号[21]，移相器[9]根据电压信号[15]与交流调幅信号[21]之间的相位关系，对电压信号[15]进行移相后输出电压信号[24]，该电压信号[24]与交流调幅信号[21]一起作为相敏解调器[7]的参考信号，该相敏解调器[7]进行相敏解调后的输出信号[22]输入低通滤波器[8]，低通滤波器[8]将高频信号滤除，得到直流信号[23]即为角速度信号；相敏解调器[7]的参考信号为电压信号[15]经移相后的输出电压信号[24]。

2.根据权利要求1所述的双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，其特征在于驱动位移电流检测单元[2]与敏感位移电流检测单元[4、5]结构一样，包括电容、反相放大器、跨阻，其中跨阻跨接在反相放大器的反向输入端和输出端，电容的一端与反相放大器的反向输入端相连，驱动检测电极[31、32]或敏感检测电极[38、37]与电容的另一端相连。

3.根据权利要求1所述的双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，其特征在于自动增益控制器[3]由幅值提取电路[10]、比较器[11]、比例积分控制电路[12]和压控增益放大器[13]依次连接组成，幅值提取电路[10]提取电压信号[15]的幅值信号[25]，幅值与参考电压Vref比较，产生差值信号[26]输入比例积分控制电路[12]，产生增益控制电压[27]，自动地调节压控增益放大器[13]的放大倍数，该压控增益放大器[13]的输出电压[16]作为驱动电压施加到陀螺的驱动电极[33、34]上。

4.根据权利要求1所述的双质量振动式硅微机械陀螺仪接口电路，其特征在于陀螺的公共端[31、32]、驱动电极[33、34]、驱动检测电极[35、36]和敏感检测电极[37、38]均施加直流偏置电压。

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