CN210321756U - 一种高信噪比mems谐振式陀螺仪信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统。其中，信号处理系统包括主控芯片以及缓冲模块电路；主控芯片内置信号发生器、增益模块、四阶∑‑Δ带通调制器以及通用输入输出端口；信号发生器、增益模块、四阶∑‑Δ带通调制器以及通用输入输出端口依次连接；通用输入输出端口与缓冲模块电路连接，缓冲模块电路连接至陀螺仪表头上。本实用新型通过在主控芯片内设置四阶∑‑Δ带通调制器，利用可控带通滤波方式，将高频和低频的噪声信号均滤除，只保留有效信号，大幅降低噪声信号对有效信号的干扰，从而降低信号的失真度，进而提升信号处理的信噪比，即提高陀螺仪信号测量的精度。

Description

一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统

技术领域

本实用新型涉及一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统。

背景技术

水下环境由于电磁波的衰减效应，导致GPS、北斗等卫星通讯系统在水下环境中无法使用，因此，惯性导航技术在水下环境起着至关重要的作用。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)谐振式陀螺仪有着功耗低、成本低、开机时间短等众多优点，在海洋惯性导航应用中有着巨大的潜力。

传统MEMS谐振式陀螺仪往往采用成熟的数模转换器(DAC)芯片方案，来解决驱动陀螺仪表头震动(即输出信号驱动陀螺仪表头震动)的技术问题。

此种方案仅仅能达到低通滤波的效果，只滤除了高频噪声信号，还有低频的噪声信号未被滤除，这部分噪声对有效信号进行干扰，影响了陀螺仪测量的准确性。

另外，上述方案中所采用的成品数模转换器(DAC)及其外围电路庞杂，增加了电路板的面积，使得整个系统的硬件体积因此增大，大大限制了系统的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统，以降低高频和低频噪声对有效信号的干扰，从而提升陀螺仪信号测量的准确性。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统，包括：

主控芯片以及缓冲模块电路；

主控芯片内置信号发生器、增益模块、四阶∑-Δ带通调制器以及通用输入输出端口；

信号发生器、增益模块、四阶∑-Δ带通调制器以及通用输入输出端口依次连接；

通用输入输出端口与缓冲模块电路连接。

优选地，信号发生器采用数字控制振荡器。

优选地，缓冲模块电路由电压跟随缓冲电路和有源带通滤波电路组成。

优选地，有源带通滤波电路包括一个电阻R1、一个电阻R2、一个电阻R3、一个电阻R4、一个电阻R5、一个电容C1、一个电容C2以及一个运算放大器；

电阻R1的一端与电压跟随缓冲电路的输出端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R3的一端连接；电容C1的另一端接地；

电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接；电阻R4的另一端与电阻R5的一端和运算放大器的反相输入端连接；电阻R5的另一端接地；

电容C2的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器的同相输入端连接；

电阻R2的另一端接地；运算放大器的输出端为有源带通滤波电路的输出端。

优选地，缓冲模块电路连接至陀螺仪表头上。

本实用新型如下优点：

如上所述，本实用新型提供了一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统，通过在主控芯片内设计开发数模转换数字电路，采用可控带通滤波方式，将高频和低频的噪声信号均滤除，只保留有效信号，大幅降低噪声信号对有效信号的干扰，从而降低信号的失真度，进而提升信号处理的信噪比，即提高陀螺仪信号测量的精度；同时，由于该系统无需DAC及其外围电路，因此明显降低了压缩电路板的面积，缩小了整个系统的硬件体积。

附图说明

图1为本实用新型实施例中高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统的结构框图。

图2为本实用新型实施例中缓冲模块电路的模型简图。

图3为本实用新型实施例中四阶∑-Δ带通调制器处理流程的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

如图1所示，本实用新型实施例述及了一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统，其包括主控芯片(如图1中虚线框内所示)以及缓冲模块电路5。

其中，主控芯片置于陀螺仪表头的后端，主要进行数字信号处理，而该主控芯片外围的电路缓冲模块电路则置于陀螺仪表头的前端，主要进行模拟信号处理。

主控芯片内置信号发生器1、增益模块2、四阶∑-Δ带通调制器3和通用输入输出端口4。

其中，信号发生器1采用数字控制振荡器。

信号发生器1、增益模块2、四阶∑-Δ带通调制器3以及通用输入输出端口4依次连接。通用输入输出端口4与缓冲模块电路5连接，缓冲模块电路5连接至陀螺仪表头上。

信号流在上述信号处理系统中的走向为：

信号发生器1输出的数字信号经过增益模块2进行放大处理，随后进入四阶∑-Δ带通调制器3，数字信号经过调制后，经由通用输入输出端口4不断向外围电路输出高电平或低电平(连续输出即为方波信号)，再进行简单的缓冲滤波处理，得到完整的正弦波信号。缓冲模块电路5将上述模拟正弦波信号作用于陀螺仪表头上驱动表头震动。

其中，信号发生器1、增益模块2以及通用输入输出端口4，均按照通用方案实现。

本实施例中四阶∑-Δ带通调制器3的处理流程如下：

如图3所示，数字正弦波信号经过加法器进入第一个离散化二阶环节，在经过第一个增益模块后进入第二个加法器，随后进入第二个离散化二阶环节，经过第二个增益模块处理后，经由通用输入输出端口4输出方波信号；在这一过程当中，每个离散化二阶环节都由一个时间滞后环节z^-1负反馈到各个加法器，构成一个双闭环系统。

四阶∑-Δ带通调制器3能够实现带通滤波的效果，并且带通频率是能够调节的，通过调节带通频率，阻挡低频噪声信号和高频信号通过，同时保证有效信号顺利通过，大大减少噪声信号对有效信号的干扰，提升系统的信噪比，保证陀螺仪信号测量的准确性。

经由信号发生器1输出的数字信号，经过放大处理后进入四阶∑-Δ带通调制器3进行调制，输出有规律的模拟方波信号，然后进入缓冲模块电路，缓冲模块电路由简单的模拟电路组成。方波信号经缓冲滤波处理后，得到完整的正弦波信号，输出至陀螺仪表头。

如图2所示，缓冲模块电路由电压跟随缓冲电路和有源带通滤波电路组成。

有源带通滤波电路(图2中虚线右侧)包括一个电阻R1、一个电阻R2、一个电阻R3、一个电阻R4、一个电阻R5、一个电容C1、一个电容C2以及一个运算放大器。

电阻R1的一端与电压跟随缓冲电路的输出端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R3的一端连接；电容C1的另一端接地。

电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接；电阻R4的另一端与电阻R5的一端和运算放大器的反相输入端连接；电阻R5的另一端接地。

电容C2的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器的同相输入端连接。

电阻R2的另一端接地；运算放大器的输出端为有源带通滤波电路的输出端。

通过以上缓冲模块电路，能够有效实现对方波信号的缓冲滤波处理。

由于本实施例中大部分的信号处理工作均是在图1中虚线方框内的主控芯片上完成的，外围电路只有图2所示简单的缓冲模块电路，与普通的成品数模转换器(DAC)及其外围电路相比，大大缩减了电子元器件的数量，从而压缩了陀螺仪系统的硬件体积。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (5)

1.一种高信噪比MEMS谐振式陀螺仪信号处理系统，其特征在于，

包括主控芯片以及缓冲模块电路；

主控芯片内置信号发生器、增益模块、四阶∑-Δ带通调制器以及通用输入输出端口；

信号发生器、增益模块、四阶∑-Δ带通调制器以及通用输入输出端口依次连接；

通用输入输出端口与缓冲模块电路连接。

2.根据权利要求1所述的信号处理系统，其特征在于，

所述信号发生器采用数字控制振荡器。

3.根据权利要求1所述的信号处理系统，其特征在于，

所述缓冲模块电路由电压跟随缓冲电路和有源带通滤波电路组成。

4.根据权利要求3所述的信号处理系统，其特征在于，

所述有源带通滤波电路包括一个电阻R1、一个电阻R2、一个电阻R3、一个电阻R4、一个电阻R5、一个电容C1、一个电容C2以及一个运算放大器；

电阻R1的一端与电压跟随缓冲电路的输出端连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端、电容C2的一端以及电阻R3的一端连接；电容C1的另一端接地；

电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接；电阻R4的另一端与电阻R5的一端和运算放大器的反相输入端连接；电阻R5的另一端接地；

电容C2的另一端与电阻R2的一端以及运算放大器的同相输入端连接；

电阻R2的另一端接地；运算放大器的输出端为所述有源带通滤波电路的输出端。

5.根据权利要求1至4任一项所述的信号处理系统，其特征在于，

所述缓冲模块电路连接至陀螺仪表头上。

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