CN212133682U - 一种陀螺仪系统驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种陀螺仪系统驱动装置，包括共振幅检测端，用于检测陀螺仪传感器的共振幅及即共振频率；相位固定环，用于比较所述检测陀螺仪传感器的共振频率与基准频率，并维持共振频率和提供脉冲信号；自动增益控制器，用于保持所述共振幅检测端的共振幅并产生可变基准电压；高电压放大端，用于放大所述自动增益控制器的输出并输出驱动电压；正弦波信号产生端和与所述正弦波信号产生端连接的整合输出端，用于将所述驱动电压变为下降电压并通过切换开关切换控制；交流信号发生端，本装置可以减小降低高电压电路的工作电流，降低装置的大小，并将驱动信号转换成正弦波防止交流信号引起的噪音峰值，使陀螺仪传感器稳定工作。

Description

一种陀螺仪系统驱动装置

技术领域

本实用新型涉及陀螺仪控制领域，尤其涉及陀螺仪系统驱动装置。

背景技术

一般情况下，陀螺仪系统采用科里奥利力检测角速度，当物体运动并发生旋转时，科里奥利力指作用于物体的运动方向的垂直方向，使物体移动，与物体的重量、物体的速度、旋转角速度成正比。

通常情况下，陀螺仪系统包括，MEMS型陀螺仪传感器、驱动所述陀螺仪传感器的驱动装置和检测当陀螺仪传感器旋转时发生的科里奥利力的感应装置。

现有陀螺仪系统的驱动装置包括，检测陀螺仪传感器的电容成份并放大的共振幅检测端、将所述共振幅检测端的输出转换为数字信号的数字信号转换端、考虑所述陀螺仪传感器的共振频率并提供时钟clock的相位固定环和，通过增益的控制，维持传感器共振幅的自动增加控制器以及将数字信号转换成模拟信号，提供传感器驱动信号直流成份的模拟信号转换端、采用所述相位固定环的时钟(clock，提供传感器驱动交流成份的交流信号发生端、相加所述传感器驱动信号的直流成份和交流成份的合输出端、产生高电压，并将高电压传感器驱动信号传输所述陀螺仪传感器上的放大端。

现有陀螺仪系统的驱动装置存在以下问题：1、采用放大端放大直流成份和交流成份的合，即，合输出端输出电压，产生驱动信号。但是，为了提高现有共振幅，当增加交流成份时，在驱动电路或者陀螺仪传感器上产生噪音，这样，陀螺仪传感器的共振特性将受到影响。

2、相位固定环的输出即时钟信号pulse作为交流成份，将其在放大端进行放大，因此，产生噪音峰值peak noise，这样，陀螺仪传感器的动作可能出现异常。

3、为了放大高电压，采用高电压电压泵，并使用高电流源。此时，使用的高电流源的电流越大，高电压电荷泵的大小也越大，这样，很难对整体陀螺仪系统进行小型化；

4、用于所述开关驱动端的高电压元件，其尺寸大，切换特性相比低电压元件差，因此无法准确控制。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种陀螺仪系统驱动装置，包括共振幅检测端，用于检测陀螺仪传感器的共振幅及即共振频率；

相位固定环，用于比较所述检测陀螺仪传感器的共振频率与基准频率，并维持共振频率和提供脉冲信号；

自动增益控制器，用于保持所述共振幅检测端的共振幅并产生可变基准电压；

高电压放大端，用于放大所述自动增益控制器的输出并输出驱动电压；

正弦波信号产生端和与所述正弦波信号产生端连接的整合输出端，用于将所述驱动电压变为下降电压并通过切换开关切换控制；

交流信号发生端，用于产生交流信号并与所述相位固定环脉冲信号相符合。

优选的，所述共振幅检测端是高压放大器。

优选的，所述自动增益控制器包括积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端。

优选的，所述自动增益控制器包括D2S放大器和与所述D2S放大器输出端连接的积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端

优选的，所述正弦波信号产生端包括串联于驱动电压端和接地之间的若干电阻和电流源，所述电阻的两端和输出端设有若干所述切换开关，所述切换开关上连接有开关驱动端。

优选的，所述开关驱动端包括第一电压输入端和第二电压输入端，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间串联有多个二极管，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间还并联有两组MOS管，所述MOS管包括相互串联的第一PMOS管和第一NMOS管、第二PMOS管和第二NMOS管；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极连接并形成第一节点，所述第一PMOS管和第一NMOS管的栅极连接并设有第二节点，

所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极连接并形成第三节点，所述第二PMOS管和第二NMOS管的栅极连接并设有第四节点，所述第一节点与所述第四节点连接，所述第二节点与所述第三节点连接；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极之间并联有第一电容，所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极并联有第二电容。

本实用新型提出的陀螺仪系统驱动装置有以下有益效果：本装置可以减小降低高电压电路的工作电流，降低装置的大小，并将驱动信号转换成正弦波防止交流信号引起的噪音峰值，使陀螺仪传感器稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型的陀螺仪系统驱动装置方框图；

图2为本实用新型的本实用新型主要部分的信号波形图；

图3为本实用新型的自动增益控制器的详细结构图；

图4为本实用新型的正弦波信号产生端的详细电路图；

图5为本实用新型的开关驱动端的一种实施例结构图；

图6为本实用新型的实施例2的示意图；

其中，10、陀螺仪传感器；20、共振幅检测端；30、相位固定环；40、自动增益控制器；50、高电压放大端；60、正弦波信号产生端；70、交流信号发生端；80、合输出端；61、开关驱动端。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1所示，本实用新型提出了一种陀螺仪系统驱动装置，包括

共振幅检测端20，用于检测陀螺仪传感器10的共振幅及即共振频率；

相位固定环30，用于比较所述检测陀螺仪传感器10的共振频率与基准频率，并维持共振频率和提供脉冲信号；

自动增益控制器40，用于保持所述共振幅检测端20的共振幅并产生可变基准电压；

高电压放大端50，用于放大所述自动增益控制器40的输出并输出驱动电压；

正弦波信号产生端60和与所述正弦波信号产生端60连接的整合输出端80，用于将所述驱动电压变为下降电压并通过切换开关切换控制；

交流信号发生端70，用于产生交流信号并与所述相位固定环30脉冲信号相符合。

其中，所述共振幅检测端20是高压放大器，共振幅检测端20检测陀螺仪传感器10的电容变化，输出电压信号。

所述共振幅检测端20可以使用CV AMPCharge to Voltage AMP)。

陀螺仪传感器10共振产生的电容成份表现为模拟差动信号VOP、VON，通过共振

幅检测端进行放大并输出。

传输陀螺仪传感器10的相同驱动信号时，根据温度和时间，共振幅也会发生变化，

共振幅检测端20检测陀螺仪传感器10的实际共振幅，提供其信息。

如图2所示，所述模拟差动信号VOP、VON为相位相反的正弦波，所述共振幅检测端20同步于在相位固定环30提供的驱动时钟DRV_CLK，放大VOP、VON。

其次，自动增益控制器40与标准电压进行比较，通过补偿维持所述陀螺仪传感器10共振幅。

如图3所示，所述自动增益控制器40包括D2S放大器和与所述D2S放大器输出端连接的积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端，将差动信号放大为单一信号的D2S放大器和将D2S放大器的输出积分后与基准电压VPP_REF的差，输出可所述共振幅检测端20的差动输出电压VOP、VON为正弦波，所述D2S放大器则检测并放大差动输出电压VOP、VON峰值，并输出单一信号。积分器积分基准电压和所述D2S放大器的输出差，输出可变基准电压VCON。即，根据温度或者时间的变化，MEMS结构的陀螺仪传感器10共振幅减少时，共振幅检测端20的输出及D2S放大器的输出则减少。为了补偿这种减少，所述积分器则增加可变标准电压VCON，以后需要说明的高电压放大端50的输出也会增加。

相反，如果高电压放大端50的输出增加或者根据温度的差异，陀螺仪传感器10的共振幅增加时，所述共振幅检测端20的输出及D2S放大器的输出也会增加，积分器则降低可变基准电压VCON)，并降低高电压放大端50的输出。

通过上述的反馈过程，不管温度和时间如何变化，可以稳定地维持陀螺仪传感器10的共振幅。

其次，高电压放大端50放大所述可变基准电压VCON，输出驱动电压

(CP_OUT。所述驱动电压CP_OUT通过高电压放大端50的输出端与接地之间的两个电阻R1、R2之合除以一端接地的电阻R2的值和所述可变基准电压VCON的乘积得出。所述驱动电压CP_OUT输送至正弦波信号产生端60。由此，只放大驱动本实用新型陀螺仪传感器10的驱动信号的直流成份，这样，可以防止交流成份引起的噪音，可以实现稳定的共振。

如图4所示，所述正弦波信号产生端60包括串联于驱动电压端和接地之间的若干电阻和电流源，所述电阻的两端和输出端设有若干所述切换开关，所述切换开关上连接有开关驱动端61。

优选的，所述开关驱动端61包括第一电压输入端和第二电压输入端，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间串联有多个二极管，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间还并联有两组MOS管，所述MOS管包括相互串联的第一PMOS管和第一NMOS管、第二PMOS管和第二NMOS管；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极连接并形成第一节点，所述第一PMOS管和第一NMOS管的栅极连接并设有第二节点，

所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极连接并形成第三节点，所述第二PMOS管和第二NMOS管的栅极连接并设有第四节点，所述第一节点与所述第四节点连接，所述第二节点与所述第三节点连接；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极之间并联有第一电容，所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极并联有第二电容，

为了驱动高电压开关，可以使用高电压开关驱动电路，但是，高电压开关驱动电

路上需要高电压元件，而高电压元件尺寸大，切换特性相比低电压元件差，因此，在适当的时机很难驱动开关。所以开关驱动端61采用低电压元件，可以解决高电压元件的问题。如图5所示，在上述结构中，所述各元件为在基板上安装的低电压元件，由DEEP N-WELL进行隔离的，根据施加于所述第一电容C1和第二电容C2另一端的低电压选择信号SEL_H,/SEL_H)，第一PMOS(PM1)、第二PMOS(PM2)、第二NMOS(NM1)、第二NMOS(NM2)选择性地打开或者关闭，可以输出电平为驱动电压CP_OUT或者驱动电压CP_OUT和电源电压VDD的差即高电压选择信号HV_SEL_H,/HV_SEL_H，所述二极管D可以采用连接二极管DIODE CONNECTION的PMOS，可以防止所述DEEP N-WELL内的低电压元件耐压被超出。

根据上述结构，低电压选择信号SEL_H,SEL_MH,SEL_ML,SEL_L可以产生分别驱动所述开关S1～S4的高电压选择信号HV_SEL_H,HV_SEL_MH,HV_SEL_ML,HV_SEL_L，由于采用低电压元件，可以防止切换特性的下降。

所述低电压选择信号SEL_H,SEL_MH,SEL_ML,SEL_L采用所述相位固定环30的输出脉冲，为了开关S1～S4的选择性驱动，在各自设定的时间内具有“high”的波形，而在提高低电压选择信号的电平的高电压选择信号HV_SEL_H,HV_SEL_MH,HV_SEL_ML,HV_SEL_L中只有电平与低电压选择信号有差异，可以实现相同时间的控制，如图3所示。图5中的本实用新型开关驱动端61的结构可以理解为采用低电压元件的电平转换器LEVEL SHIFTER。

如图1所示，驱动这些开关S4，选择性地输出通过所述电阻R1,R2,R3而下降的电压VH,VMH,VML,VL，可以产生正弦波驱动脉冲DRV_P。这种正弦波驱动脉冲DRV_P对陀螺仪传感器10的驱动更加有利。

交流信号产生端采用相位固定环30的脉冲信号，产生驱动信号的交流成份，和输出端相加所述驱动脉冲DRV_P和交流信号产生端的交流成份，产生驱动信号，并将其施加于陀螺仪传感器10上，驱动陀螺仪传感器10。

实施例2

本实施例与实施例1不同点在于，自动增益控制器40，所述自动增益控制器40包括积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端。

此时，积分器将积分所述共振幅检测端20的差动输出电压VOP,VON中的阳性positive信号VOP与标准电压的差，输出可变标准电压VCON。

即，根据温度或者时间的变化，MEMS结构的陀螺仪传感器10共振幅减少时，共振幅检测端20的输出也会减少。为了补偿这种减少，所述积分器则增加可变标准电压VCON，以后需要说明的高电压放大端50的输出也会增加。

相反，如果高电压放大端50的输出增加或者根据温度的差异，陀螺仪传感器10的

共振幅增加时，所述共振幅检测端20的输出也会增加，积分器则降低可变基准电压VCON，并降低高电压放大端50的输出。通过上述的反馈过程，不管温度和时间如何变化，可以稳定地维持陀螺仪传感器10的共振幅。

本实用新型不局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术宗旨的范围内，可以有多种更改和变化。

对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，包括

共振幅检测端，用于检测陀螺仪传感器的共振幅及即共振频率；

相位固定环，用于比较所述检测陀螺仪传感器的共振频率与基准频率，并维持共振频率和提供脉冲信号；

自动增益控制器，用于保持所述共振幅检测端的共振幅并产生可变基准电压；高电压放大端，用于放大所述自动增益控制器的输出并输出驱动电压；

正弦波信号产生端和与所述正弦波信号产生端连接的整合输出端，用于将所述驱动电压变为下降电压并通过切换开关切换控制；

交流信号发生端，用于产生交流信号并与所述相位固定环脉冲信号相符合。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，所述共振幅检测端是高压放大器。

3.根据权利要求1所述的陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，所述自动增益控制器包括积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，所述自动增益控制器包括D2S放大器和与所述D2S放大器输出端连接的积分器，所述积分器输出端连接有电压放大端。

5.根据权利要求1所述的陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，所述正弦波信号产生端包括串联于驱动电压端和接地之间的若干电阻和电流源，所述电阻的两端和输出端设有若干所述切换开关，所述切换开关上连接有开关驱动端。

6.根据权利要求5所述的陀螺仪系统驱动装置，其特征在于，所述开关驱动端包括第一电压输入端和第二电压输入端，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间串联有多个二极管，所述第一电压输入端和第二电压输入端之间还并联有两组MOS管，所述MOS管包括相互串联的第一PMOS管和第一NMOS管、第二PMOS管和第二NMOS管；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极连接并形成第一节点，所述第一PMOS管和第一NMOS管的栅极连接并设有第二节点，

所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极连接并形成第三节点，所述第二PMOS管和第二NMOS管的栅极连接并设有第四节点，所述第一节点与所述第四节点连接，所述第二节点与所述第三节点连接；

所述第一PMOS管和第一NMOS管的源极和漏极之间并联有第一电容，所述第二PMOS管和第二NMOS管的源极和漏极并联有第二电容。

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