一種單軸MEMS陀螺儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

摘要 以MEMS陀螺儀傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)驅(qū)動(dòng)開環(huán)檢測(cè)的單軸MEMS陀螺儀信號(hào)處理電路。采用時(shí)域分析方法，對(duì)MEMS陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)環(huán)路進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并提出了一種對(duì)等效電容共模部分不敏感的CV轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，線性度±0．5％、功耗150 mw、ADC分辨率>11 bit。
關(guān)鍵詞 微機(jī)械陀螺儀；閉環(huán)驅(qū)動(dòng)：電容電壓轉(zhuǎn)換

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺儀是在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種新型陀螺儀，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定，并且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化等優(yōu)點(diǎn)，而成為倍受關(guān)注的研發(fā)領(lǐng)域。MEMS結(jié)構(gòu)形成的電容變化具有受溫度影響小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，目前國內(nèi)外眾多公司和研究所均集中于研究和開發(fā)電容式MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀主要包括MEMS傳感器和信號(hào)處理電路。目前國內(nèi)在信號(hào)處理電路方面還處于PCB板級(jí)電路，而芯片級(jí)信號(hào)處理電路更能體現(xiàn)體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢(shì)，因此，芯片級(jí)MEMS陀螺儀信號(hào)處理電路的實(shí)現(xiàn)成為MEMS陀螺儀產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

1 陀螺儀基本原理
MEMS陀螺儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，GYRO模塊為片外MEMS傳感器，其余為信號(hào)處理ASIC。系統(tǒng)主要包含兩條信號(hào)路徑：驅(qū)動(dòng)環(huán)路和檢測(cè)通路。驅(qū)動(dòng)環(huán)路由CV(Cap-to-Vohage)(電容電壓轉(zhuǎn)換)、COMP(比較器)、PLL(鎖相環(huán))、Drive(驅(qū)動(dòng))構(gòu)成，檢測(cè)通路由CV(電容電壓轉(zhuǎn)換)、Demodulator(解調(diào)器)、Fiher(低通濾波器)、AO(模擬輸出驅(qū)動(dòng))和ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)構(gòu)成，可提供模擬輸出和數(shù)字輸出兩種輸出形式。

GYRO為MEMS傳感器模型，包含驅(qū)動(dòng)軸和檢測(cè)軸兩部分，通過外部驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向作簡諧振動(dòng)，當(dāng)器件有角速度輸入的情況下，根據(jù)哥氏力質(zhì)量塊產(chǎn)生檢測(cè)方向上的位移。驅(qū)動(dòng)軸和檢測(cè)軸的位移方程如下

質(zhì)量塊作為動(dòng)齒，它和定齒及空氣介質(zhì)組成電容。質(zhì)量塊的位移使電容發(fā)生變化，所以通過檢測(cè)電容的變化就可以得出與之相關(guān)的力變化，從而實(shí)現(xiàn)外接物理量與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2 陀螺儀系統(tǒng)分析
MEMS陀螺儀系統(tǒng)包括兩部分：驅(qū)動(dòng)環(huán)路和檢測(cè)通路。驅(qū)動(dòng)環(huán)路保證MEMS傳感器在某一固定頻率做簡諧振動(dòng)，檢測(cè)通路檢測(cè)出通過哥氏力才傳遞的輸入角速度的大小。
2．1 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性分析
MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)方式有開環(huán)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。開環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但外加交流驅(qū)動(dòng)電壓的頻率很難做到與驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率一致。再者，一旦驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率隨溫度或時(shí)間發(fā)生漂移，外加驅(qū)動(dòng)交流電壓的頻率不能夠跟蹤驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的變化，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低。閉環(huán)驅(qū)動(dòng)是利用MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)軸的固有選頻特性，再加上外加反饋電路，實(shí)現(xiàn)自激振蕩，這種驅(qū)動(dòng)方式由于工作在驅(qū)動(dòng)軸的固有頻率上，并能夠跟蹤驅(qū)動(dòng)軸固有頻率的變化，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最大的檢測(cè)分辨率。
閉環(huán)驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)環(huán)路工作在驅(qū)動(dòng)軸的固有頻率上，這種情況下驅(qū)動(dòng)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)軸的位移變化之間的相位差為π／2，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路模型如圖2所示。

如圖2所示，整個(gè)環(huán)路為非線性電路，并只對(duì)相位敏感，對(duì)電壓幅度不敏感。環(huán)路的穩(wěn)定性分析采用時(shí)域分析方法。