用可編程模擬電路實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀測(cè)量系統(tǒng)

上升時(shí)間方程式如下：

解決方案是增加某種有源電路來(lái)穩(wěn)定連接到AGND的放大器的正輸入端電壓。要想達(dá)到這個(gè)目的，饋入電阻底部的AGND可以用DAC代替，并在放大器的正輸入端連接一個(gè)ADC。以AGND為參考的ADC可用來(lái)測(cè)量放大器輸入與AGND之間的差值，如果差值是負(fù)的(放大器輸入電壓低于AGND)，那么DAC的輸出電壓將會(huì)上升；如果差值是正的，DAC的輸出電壓就會(huì)降低。當(dāng)使用處理器時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)軟件控制環(huán)路，以便顯著增加系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

在增加ADC和DAC后，上述電路很快就變得不實(shí)用了。目前已有一些現(xiàn)成的器件可以用來(lái)提供實(shí)現(xiàn)這些電路的理想解決方案，如ADI的ADuC系列和Cypress公司的PSoC系列。采用Cypress的PSoC完成的電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5. 改進(jìn)的啟動(dòng)電路。

既然上升時(shí)間問題解決了，我們可以接著進(jìn)行低通濾波器的實(shí)現(xiàn)。要求是采用截止頻率為250Hz的四極濾波器。四極濾波器極耗資源，因?yàn)樗枰獌蓚€(gè)采用相同濾波器的相同通道。幸運(yùn)的是，混合信號(hào)器件內(nèi)部的delta-sigma (Δ-Σ) ADC通常都有內(nèi)置的sinc²數(shù)字濾波器。在采用CY8C29466時(shí)，這些濾波器具有兩極響應(yīng)，截止頻率(fc)等于采樣頻率的33%。因此將兩極開關(guān)電容低通濾波器(LPF)與Δ-Σ ADC級(jí)聯(lián)起來(lái)可以提供與四極濾波器相同的響應(yīng)，這種實(shí)現(xiàn)方法如圖6所示。

圖6. 增益和濾波器實(shí)現(xiàn)。

最后一個(gè)還未滿足的要求是陀螺儀信號(hào)需要放大100V/V倍，而可編程增益放大器(PGA)的最大增益只有48V/V。因此還需要增加一級(jí)放大器才能滿足100V/V的要求，而2.1V/V或6.44dB的額外增益可以通過(guò)改變開關(guān)電容濾波器中的反饋電容值在低通濾波器中實(shí)現(xiàn)。增益配置同樣如圖6所示。

最后一步是復(fù)制這個(gè)電路，使兩個(gè)通道能被交替測(cè)量。大家知道，ADC sinc²數(shù)字濾波器的截止頻率取決于采樣率，而采樣率標(biāo)準(zhǔn)是1ksps。當(dāng)每個(gè)通道采樣頻率為1ksps時(shí)，數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)為330Hz，而指標(biāo)要求是250Hz，這又表明了什么呢？表明了在這些應(yīng)用場(chǎng)合，雙極響應(yīng)足夠超出250Hz到約400Hz，因此該解決方案非常適合這種應(yīng)用。

圖像防抖電路的最終實(shí)現(xiàn)如圖7所示。其中還有兩部分值得提一下：在ADC前面的模擬復(fù)用器(mux)和傳動(dòng)控制模塊。當(dāng)ADC運(yùn)行在單個(gè)通道上時(shí)，最高運(yùn)行速度為10ksps，不過(guò)由于是復(fù)用的，因此采樣率實(shí)際上要除以6。由于ADC使用兩級(jí)管線式架構(gòu)，因此每個(gè)通道的前兩個(gè)樣本沒什么用，可以被丟棄。

圖7. 完整的圖像防抖電路。

在工作過(guò)程中，第一個(gè)通道先被采樣三次，在第三次采樣結(jié)束后，復(fù)用電路馬上切換到第二個(gè)通道。同樣，在第二個(gè)通道的第三次采樣結(jié)束后，復(fù)用電路立即切換回第一個(gè)通道。另外，可以通過(guò)編程ADC時(shí)鐘讓輸出數(shù)據(jù)速率為6ksps，這樣每個(gè)通道的采樣速率就是1ksps。

圖7中還增加了執(zhí)行器控制電路。執(zhí)行器控制電路可以是：1)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)馬達(dá)的控制信號(hào)，或2)將抖動(dòng)位移報(bào)告給圖像處理器的串行通信總線。如果執(zhí)行裝置是馬達(dá)，控制信號(hào)可以是重新定位圖像傳感器的脈寬調(diào)制器(PWM)。串行通信方法可能使用I2C或SPI將圖像傳感器偏離原始參照系的位移報(bào)告給圖像處理器。圖像處理器再通過(guò)改變圖像處理器捕獲數(shù)字照片的圖像傳感器面積來(lái)修正參照系的變化。