微機械陀螺的閉環(huán)驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　引言

　　在科學(xué)技術(shù)突飛猛進的今天，依托現(xiàn)代微機械加工技術(shù)制作的微機械陀螺(MEMS陀螺)已經(jīng)成為現(xiàn)代陀螺的代表。微機械陀螺外部接口電路可分為驅(qū)動電路和檢測電路兩個部分：驅(qū)動電路維持陀螺可動梳齒沿驅(qū)動方向以固有頻率做簡諧振動，并保持振幅的穩(wěn)定;檢測電路則把由輸入角速度引起的梳齒間電容變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電信號，處理得到輸入角速度大小。

　　驅(qū)動信號的頻率和驅(qū)動模態(tài)的固有頻率相等，即陀螺工作在諧振狀態(tài)時，此時驅(qū)動模態(tài)振動幅度最大，電容變化量也最大，檢測靈敏度最高。然而，硅是一種熱敏材料，外界環(huán)境因素的細微變化，驅(qū)動模態(tài)的固有頻率以及品質(zhì)因素會隨著發(fā)生漂移。如果驅(qū)動信號的頻率不能保持恒定，將導(dǎo)致振幅的變化，進而影響陀螺的檢測精度。因此設(shè)計一個能夠跟隨驅(qū)動模態(tài)固有頻率變化并維持恒定振幅的驅(qū)動電路是至關(guān)重要的，也成為微機械陀螺接口電路設(shè)計最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

　　本文以北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的803電容式靜電驅(qū)動微機械陀螺為研究對象，重點分析了它的閉環(huán)驅(qū)動電路，對關(guān)鍵電路模塊進行了分析和設(shè)計實現(xiàn)。

　　閉環(huán)驅(qū)動電路分析與設(shè)計

　　閉環(huán)驅(qū)動原理

　　電容式微機械陀螺是一個機電耦合系統(tǒng)，其中存在電信號和機械振動信號的相互轉(zhuǎn)化。電容式微機械陀螺工作的基本前提是使其在驅(qū)動方向振動起來，然后才能感知輸入角速度。本文中研究的陀螺是采用靜電驅(qū)動電容檢測方式工作，使陀螺可動梳齒做簡諧振動，而靜電力由外部的驅(qū)動電路來提供。

　　由于電容式微機械陀螺的開環(huán)驅(qū)動電路，受外界環(huán)境因素的變化影響較大，不能夠確保陀螺驅(qū)動模態(tài)諧振振幅的穩(wěn)定性，導(dǎo)致陀螺在開環(huán)驅(qū)動電路驅(qū)動下靈敏度低[1]。因此，為了提高陀螺的靈敏度和穩(wěn)定性，提出了閉環(huán)驅(qū)動電路方案。其基本思想是：通過檢測驅(qū)動模態(tài)的振動頻率和幅度，反饋以調(diào)整驅(qū)動電壓的頻率和幅度，來提高陀螺運行的穩(wěn)定性。

　　電容式微機械陀螺驅(qū)動電路主要有兩種實現(xiàn)方式：自激驅(qū)動方式和鎖相環(huán)方式。

　　實現(xiàn)方式分析

　　(1)自激驅(qū)動方式

　　由于陀螺的驅(qū)動模態(tài)是一個二階振蕩系統(tǒng)，其等效電氣模型可通過線性器件模型來加以分析。所以，類似于電子正弦波振蕩器，陀螺驅(qū)動同樣可以利用自激振蕩的方法來實現(xiàn)。自激振蕩形成了一個閉環(huán)系統(tǒng)：當驅(qū)動模態(tài)的振動頻率小于驅(qū)動模態(tài)的固有頻率時，AGC使環(huán)路的增益變大，閉環(huán)系統(tǒng)失去穩(wěn)定，從而使驅(qū)動模態(tài)的振動幅度增大;同理，當驅(qū)動模態(tài)的振動頻率大于驅(qū)動模態(tài)的固有頻率時，環(huán)路的增益變小，使驅(qū)動模態(tài)的振動幅度減小;系統(tǒng)環(huán)路增益最終保持恒定值，達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

　　自激驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。微機械陀螺的驅(qū)動檢測電容變化被C-V轉(zhuǎn)換模塊檢測出來，通過信號解調(diào)塊解調(diào)成相應(yīng)的驅(qū)動振動幅度，然后由AGC反饋回路根據(jù)檢測的振動幅度調(diào)相應(yīng)的驅(qū)動信號，使驅(qū)動信號頻率向驅(qū)動模態(tài)固有頻率靠攏。

　　(2)鎖相環(huán)方式

　　鎖相環(huán)(PLL)由鑒相器(PD)、低通濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，VCO除輸出外還反饋到PD，構(gòu)成一個閉合的相位反饋控制系統(tǒng)[2]。其原理框圖如圖2所示。

　　鎖相環(huán)(PLL)本質(zhì)上是一個相位負反饋的自動控制系統(tǒng)，相當于一個中心頻率可跟蹤目標信號頻率的窄帶帶通濾波器，因此鎖相環(huán)具有跟蹤功能。