KR20130044392A - 자이로 시스템 - Google Patents

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표승철
한동옥
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 여러 조건에 의하여 변동되는 주파수를 가지는 자이로 센서의 출력 신호를 트래킹하여 협대역의 대역 통과 필터링을 수행할 수 있도록, 자이로 센서; 상기 자이로 센서의 출력 전하량을 전압 신호로 변환하는 차지 앰프; 상기 차지 앰프의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 대역 가변 필터부; 및 상기 대역 가변 필터부의 출력 신호를 복조하는 복조기;를 포함하는 자이로 시스템을 제시한다.

Description

자이로 시스템{GYRO SYSTEM}
본 발명은 자이로 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자이로 센서에서 출력되는 신호에 대응하는 주파수 대역만을 필터링할 수 있는 자이로 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자이로 시스템(Gyro System)은 코리올리 힘을 이용하여 각속도(角速度)를 검출하는 시스템으로, 항공기, 우주선, 인공위성 등에서 많이 사용되는 관성장치이며, 로보트, 자동화안전장치, 원격조정장치, 네비게이션 등 산업 전반으로 그 사용이 확산되고 있다.
일반적으로, 종래의 자이로 시스템은 자이로 센서, 상기 자이로 센서에서 출력되는 센서값을 증폭하고 이를 전압 신호로 변화하는 차지 앰프, 상기 자이로 센서에 의해 변조된 원 신호를 복조하는 복조기, 상기 복조기에 의해 복조된 신호값을 증폭하는 증폭기 및 증폭된 신호값에 포함된 잡음을 제거하는 필터부로 이루어진다.
그러나, 상기 자이로 센서의 출력 신호는 온도 등의 여러 조건에 의하여 진공 주파수가 변동될 수 있는데, 이와 같이 변동된 진공 주파수는 종래의 자이로 시스템에 따르면, 별도의 필터링없이 상기 복조기에 의해 복조가 수행된 다음 저역통과필터 등에 의해 필터링되는 방식이거나, 또는 상기 차지 앰프단으로 고역 통과 필터를 사용하는 방식이었다.
이러한 방식은 잡음 측면에서 봤을 때, 필요없는 대역의 잡음까지 원 신호에 포함되는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여 특정 대역의 신호만을 통과시키는 협대역의 대역 통과 필터를 제작할 수 있으나, 이를 구현하기 위해서는 다단의 회로와 큰 값의 커패시터가 요구되어, 제품의 단가를 증가시키고 제품의 사이즈가 커지는 문제점이 있다.
또한, 협대역의 대역 통과 필터를 설계한다고 하더라도 상술한 바와 같이, 상기 자이로 센서가 여러 조건에 의해 공진 주파수가 변하게 되면 필터링하고자 하는 대역이 변경되어버리는 문제점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 여러 조건에 의하여 변동되는 주파수를 가지는 자이로 센서의 출력 신호를 트래킹하여 협대역의 대역 통과 필터링을 수행하는 회로를 갖춘 자이로 시스템의 제공을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 자이로 센서; 상기 자이로 센서의 출력 전하량을 전압 신호로 변환하는 차지 앰프; 상기 차지 앰프의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 대역 가변 필터부; 및 상기 대역 가변 필터부의 출력 신호를 복조하는 복조기;를 포함하는 자이로 시스템을 제공한다.
또한, 상기 대역 가변 필터부는 샘플링 주파수를 N배로 체배하는 체배기; 및 N개의 필터기;로 구성되고, 상기 N개의 필터기는 스위치에 의해 상기 N배로 체배된 샘플링 주파수를 차례로 인가받아 상기 차지 앰프의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 자이로 시스템을 제공한다.
또한, 상기 N개의 필터기는 스위치드 커패시터 필터(Switched Capacitor Filter:SCF)로 구성되는 자이로 시스템을 제공한다.
또한, 상기 N은 3인 자이로 시스템을 제공한다.
또한, 상기 복조기에 의해 복조된 원 신호를 증폭하는 OP앰프; 및 상기 OP앰프의 출력값에 포함된 잡음을 제거하는 저역통과필터;를 추가로 포함하는 자이로 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 자이로 시스템에 따르면, 자이로 센서의 출력 신호를 트래킹하여 협대역의 대역 통과 필터링을 수행할 수 있어 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있으며, 진공 주파수 특성 변화에 둔감한 회로 설계가 가능하다.
또한, 이로 인하여 자이로 시스템의 후단 회로를 용이하게 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자이로 시스템의 블록도.
도 2는 대역 가변 필터부의 상세 블로도.
도 3a는 스위치드 커패시터 필터의 동작 시스템을 나타낸 도면.
도 3b는 스위치드 커패시터 필터의 응답 특성 곡선 그래프.
도 4a는 N개의 스위치드 커패시터 필터의 동작 시스템을 나타낸 도면.
도 4b는 N개의 스위치드 커패시터 필터의 응답 특성 곡선 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자이로 시스템의 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자이로 시스템의 블록도이고, 도 2는 대역 가변 필터부(130)의 상세 블로도이다.
도 1를 참조하면, 본 발명에 따른 자이로 시스템(Gyro System)(100)은 자이로 센서(110), 상기 자이로 센서(110)의 출력 전하량을 전압 신호로 변환하는 차지 앰프(120), 상기 차지 앰프(120)의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 대역 가변 필터부(130) 및 상기 대역 가변 필터부(130)의 출력 신호를 복조하는 복조기(140)를 포함할 수 있다.
상기 자이로 센서(110)는 진동하는 물체에 각속도가 가해지면, 그 진동방향에 대해서 수직인 방향으로 콜리올리의 힘(Coriolis force)이 발생하는 역학현상을 이용하여 콜리올리의 힘(F) = 2·m·v·ω(m: 진동체의 질량, v: 진동속도, ω: 각속도)에 따라 각속도(ω)의 변화를 검출하여 전하량으로 변환하는 센서로써, 예를 들어, 자가발진(self-oscillation)하는 피드백 시스템(feedback system)을 사용하는 진동형 자이로 센서(110)가 될 수 있다.
상기 차지 앰프(120)(Charge Amp)는 상기 자이로 센서(110)에 의해 형성되는 출력 전하량을 검출하여 일정한 진공 주파수를 가지는 교류 전압(Vout) 신호로 변환할 수 있다. 따라서, 본원에 걸쳐서 상기 차지 앰프(120)는 신호 변환 유닛으로 이해될 수 있다.
상기 대역 가변 필터부(130)는 상기 차지 앰프(120)의 출력 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시킬 수 있다.
도 2를 참조하여 상기 대역 가변 필터부(130)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 대역 가변 필터부(130)는 샘플링 주파수(fc)를 N배로 체배하는 체배기(131) 및 N개의 필터기로 구성될 수 있고, 상기 N개의 필터기는 스위치드 커패시터 필터(Switched Capacitor Filter:SCF)로 구성될 수 있다.
상기 체배기(131)는 어느 주파수의 교류(주로 고주파)로부터 그 정수배인 주파수의 교류를 얻는 장치로서, 비선형 리액턴스 소자등을 이용하여 주파수를 배증할 수 있다. 이러한 체배기(131)의 구성은 일반적으로 종래 알려진 기술에 해당하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3a는 스위치드 커패시터 필터의 동작 시스템을 나타낸 도면, 도 3b는 스위치드 커패시터 필터의 응답 특성 곡선 그래프이고, 도 4a는 N개의 스위치드 커패시터 필터(132, 133, 134)의 동작 시스템을 나타낸 도면, 도 4b는 N개의 스위치드 커패시터 필터(132, 133, 134)의 응답 특성 곡선 그래프로써, 도 3a 및 도 3b, 그리고 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기 대역 가변 필터부(130)의 작동 과정을 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3a을 참조하면, 상기 스위치드 커패시터 필터는 적외선 수신 회로의 클록 펄스 발생기(Clock Pulse Generator)에서 발생하는 샘플링 주파수(fc)에 의해 주파수 설정 단자를 통해 제어될 수 있는 조정가능한 대역통과 필터(tunable bandpass filter)로 작동한다. 즉, 도면에 자세히 도시하지 않았으나, 상기 스위치드 커패시터 필터는 주기적으로 켜짐/꺼짐이 되는 스위치와 커패시터, 그리고 연산 증폭기 등의 능동 소자로 구성되는 필터로써, 상기 스위치를 주기적으로 개폐함으로써 커패시터에 전하가 충·방전되고, 이는 전하 이동(charge transfer)를 발생시키며, 그에 따라 펄싱 전류 흐름(pulsing current flow)이 일어난다. 따라서, 상기 샘플링 주파수(fc)가 충분히 높다면 이러한 전류는 저항기를 통과하는 전류와 같아질 것이므로, 기본적인 조건에서 필터기의 저항과 등가로 동작하게 된다.
결국, 커패시터의 크기와 샘플링 주파수(fc)의 두 변수에 의해 필터기의 차단 주파수가 결정된다. 즉, 샘플링 주파수(fc)가 높거나 커패시터의 크기가 클수록 저항값은 낮아지는데, 일반적으로 커패시터의 값은 고정되므로, 상기 스위치드 커패시터 필터의 응답 특성은 도 3b에 도시된 바와 같이, 샘플링 주파수(fc)에 의존하게 된다.
따라서, 상기 샘플링 주파수(fc)를 조절함으로써 여러 조건에 의해 변하는 상기 자이로 센서(110)의 진공 주파수를 트래킹하여 협대역의 대역 통과 필터링을 수행할 수 있는 것이다.
그러나, 나이키스트 샘플링(Nyquist sampling)이론에 따라, 샘플링 주파수(fc)의 절반에 해당하는 나이키스트 주파수(NY1) 범위를 벗어나면 신호 왜곡이 발생하므로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 스위치드 커패시터 필터를 N개로 설계하고, 상기 체배기(131)에 의해 N배로 체배된 샘플링 주파수(3fc)가 스위치에 의해 상기 N개의 스위치드 커패시터 필터(132, 133, 134)에 차례로 인가되면, 각 단의 기준으로 보았을 때 N배로 체배된 샘플링 주파수(3fc)는 단일 스위치드 커패시터 필터와 동일하고, 나이키스트 주파수는 N배 증가하므로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 나이키스트 주파수 범위 내에서 신호 왜곡없이 상기 대역 가변 필터부(130)는 상기 차지 앰프(120)의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시킬 수 있다.
여기서, N은 나이키스트 주파수 범위가 샘플링 주파수를 포함하되, 제품의 생산 단가 및 제품의 사이즈를 고려하여 최소의 필터만으로만 구현될 수 있도록 3으로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 변조기는 상기 자이로 센서(110)에 의해 변조된 원 신호를 복조하는 기능을 수행한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자이로 시스템의 블록도로서, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자이로 시스템은 상기 자이로 센서(110)의 출력 전하량을 전압 신호로 변환하는 차지 앰프(120), 상기 차지 앰프(120)의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 대역 가변 필터부(130) 및 상기 대역 가변 필터부(130)의 출력 신호를 복조하는 복조기(140), 상기 복조기(140)에 의해 복조된 원 신호를 증폭하는 OP앰프 및 상기 OP앰프의 출력값에 포함된 잡음을 제거하는 저역통과필터를 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재되는 실시예와 도면에 도시되는 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100 : 본 발명에 따른 자이로 시스템
110, 210 : 자이로 센서
120, 220 : 차지 앰프
130, 230 : 대역 가변 필터부
140, 240 : 복조기
250: OP앰프
260: 저역통과필터
131 : 체배기
132, 133, 134 : 스위치드 커패시터 필터

Claims (5)

  1. 자이로 센서;
    상기 자이로 센서의 출력 전하량을 전압 신호로 변환하는 차지 앰프;
    상기 차지 앰프의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는 대역 가변 필터부; 및
    상기 대역 가변 필터부의 출력 신호를 복조하는 복조기;
    를 포함하는
    자이로 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대역 가변 필터부는
    샘플링 주파수를 N배로 체배하는 체배기; 및
    N개의 필터기;
    로 구성되고,
    상기 N개의 필터기는 스위치에 의해 상기 N배로 체배된 샘플링 주파수를 차례로 인가받아 상기 차지 앰프의 전압 신호에 대응하는 주파수 대역만을 통과시키는
    자이로 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 N개의 필터기는 스위치드 커패시터 필터(Switched Capacitor Filter:SCF)로 구성되는
    자이로 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 N은 3인
    자이로 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복조기에 의해 복조된 원 신호를 증폭하는 OP앰프;및
    상기 OP앰프의 출력값에 포함된 잡음을 제거하는 저역통과필터;
    를 추가로 포함하는
    자이로 시스템.
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