專(zhuān)利名稱：MEMS陀螺6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的閉環(huán)控制電路，屬于利用科氏效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS陀螺是一種重要的慣性傳感器。它相對(duì)于傳統(tǒng)光纖陀螺和激光陀螺而言，具有外形尺寸小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此用MEMS陀螺實(shí)現(xiàn)的慣性儀表廣泛的用于各種運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)及位置信息檢測(cè)，特別是精確制導(dǎo)武器、無(wú)人機(jī)等軍事領(lǐng)域更是對(duì)高精度的微型慣性傳感器提出了明確的需求。但是MEMS陀螺通常需要借助額外的控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)其控制或者對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高精度。例如MEMS陀螺 的驅(qū)動(dòng)模態(tài)自激振蕩閉環(huán)控制相比較開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)能夠提高其在驅(qū)動(dòng)模態(tài)的頻率穩(wěn)定性和幅值穩(wěn)定性；而檢測(cè)模態(tài)的閉環(huán)控制電路是通過(guò)加載反饋電壓產(chǎn)生反饋靜電力將陀螺的中心質(zhì)量塊拉回到原點(diǎn)位置，能夠有效的抑制系統(tǒng)的非線性因素，提高系統(tǒng)的帶寬和檢測(cè)輸出信號(hào)的零偏穩(wěn)定性。MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的閉環(huán)控制電路通常有兩種模擬閉環(huán)控制電路和數(shù)字閉環(huán)控制電路。模擬閉環(huán)控制電路存在系統(tǒng)參數(shù)易受外界因素的影響，反饋控制靜電力容易過(guò)大導(dǎo)致中心質(zhì)量塊吸附到電極上，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大等缺點(diǎn)。而數(shù)字閉環(huán)控制可以有效的解決中心質(zhì)量塊容易吸附到電極上的問(wèn)題，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的數(shù)字閉環(huán)控制電路一直是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。2000年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的江雪松首先實(shí)現(xiàn)了 MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的高階低通sigma-delta閉環(huán)控制電路(Σ AM閉環(huán)控制電路)，但該系統(tǒng)需要較高的采樣頻率，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大；2005年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的董云峰，Michael Kraft等人提出了 MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的6階連續(xù)帶通Σ AM閉環(huán)控制電路，不僅大大降低了采樣頻率，使得系統(tǒng)更加易于實(shí)現(xiàn)，而且提高了系統(tǒng)的信噪比(SNR)，帶寬以及零偏穩(wěn)定性等。其原理框圖參照?qǐng)D3，信號(hào)的提取采用電荷放大器5，然后信號(hào)依次經(jīng)過(guò)全差分放大電路9、相位補(bǔ)償電路10、諧振電路11、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12輸出脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b⑴控制模擬開(kāi)關(guān)13將反饋控制電壓Vfb加載到反饋控制電極上，整個(gè)閉環(huán)控制電路對(duì)于系統(tǒng)噪聲具有6階整形能力，大大提高SNR，但是該控制系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題(I)MEMS陀螺在加工過(guò)程中，由于加工工藝的影響不可避免會(huì)產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)模態(tài)下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)容易通過(guò)寄生電容耦合到檢測(cè)模態(tài)；(2)檢測(cè)模態(tài)的信號(hào)前置提取電路采用全差分輸出模式，這就要求兩路全差分信號(hào)具有完全對(duì)稱性，同時(shí)不能存在非對(duì)稱的直流分量，否則影響信號(hào)的檢測(cè)精度；(3)該系統(tǒng)中輸出的脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)并不是最終的角速度信號(hào)，b(t)需要與驅(qū)動(dòng)信號(hào)1(0做進(jìn)一步的解調(diào)和濾波才能得到最終的角速度信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的MEMS陀螺6階連續(xù)帶通E AM閉環(huán)控制電路，能夠消除驅(qū)動(dòng)耦合信號(hào)對(duì)陀螺檢測(cè)信號(hào)的影響；提高檢測(cè)模態(tài)的兩路全差分信號(hào)的對(duì)稱性，消除非對(duì)稱直流分量；將輸出的脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)做進(jìn)一步的處理，得到模擬角速度信號(hào)Q (t)輸出。參閱圖2，MEMS陀螺結(jié)構(gòu)4的檢測(cè)模態(tài)可以等效為公共電極1，固定電極2，固定電極3組成，公共電極I與固定電極2、固定電極3之間的電容變化弓I起充放電電流變化，產(chǎn)生變化電流信號(hào)i⑴。參閱圖4,本發(fā)明提出的MEMS陀螺6階連續(xù)帶通sigma_delta閉環(huán)控制電路，由電荷放大器5，高通濾波器6，二極管7，低通濾波器8，全差分放大電路9，相位補(bǔ)償電路10，諧 振電路11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開(kāi)關(guān)13，帶通濾波器14，解調(diào)器15，低通濾波器16組成。變化的電流信號(hào)i(t)經(jīng)過(guò)頻率為的高頻載波VJt)調(diào)制到高頻段，Vc(t)加載到MEMS陀螺結(jié)構(gòu)4的質(zhì)量塊上，也即為等效的公共電極I上；調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器5后，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vi (t);電荷放大器5的反饋電容采用可變電容用于調(diào)節(jié)兩路全差分信號(hào)\(t)和V' Jt)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；Vi(t)和V' Jt)經(jīng)過(guò)高通濾波器6將驅(qū)動(dòng)模態(tài)耦合信號(hào)V' d(t)濾除得到Vi2 (t)和V' i2 (t)，高通濾波器6的截止頻率4滿足A > fx，其中fx為MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率也即耦合信號(hào)V' d(t)的頻率；Vi2(t)和V' i2(t)再經(jīng)過(guò)由二極管7和低通濾波器8組成的解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，低通濾波器8的截止頻率f；2滿足fy < fc2 < ，其中，fy為陀螺檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率；解調(diào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)入增益為G1的全差分放大電路9對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補(bǔ)償電路10對(duì)Vi3(t)和V' i3(t)進(jìn)行一定的相位移動(dòng)A爐，使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移不等于2n，因?yàn)楦鶕?jù)閉環(huán)系統(tǒng)自激振蕩的條件如果滿足閉環(huán)控制電路的相移等于2n，閉環(huán)增益大于1，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)將會(huì)自激振蕩；移相后得到信號(hào)Vi4(t)和V' i4(t)進(jìn)入諧振電路11，諧振電路11包括串聯(lián)的完全相同的諧振器al7和諧振器bl8，諧振器al7和諧振器bl8的諧振中心頻率f2等于fx，且諧振器al7和諧振器bl8在f2處的增益為10-20dB，在其他頻率范圍內(nèi)的增益均小于OdB ;經(jīng)過(guò)諧振電路11之后的信號(hào)Vi5⑴和V' i5(t)進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，其包括比較器19和D觸發(fā)器20，比較器19對(duì)Vi5(t)和V' i5(t)兩路全差分信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平的數(shù)字比較信號(hào)b' (t)，D觸發(fā)器20對(duì)b' (t)進(jìn)行采樣和量化，最終輸出數(shù)字脈寬密度調(diào)制信號(hào)b(t) ；b(t) 一路用于控制模擬開(kāi)關(guān)13將反饋電壓Vfb加載到陀螺檢測(cè)模態(tài)的反饋電極上；另一路經(jīng)過(guò)帶通濾波器14將[fy-BW，fy+Bff]頻率范圍外的量化噪聲去除，其中BW為陀螺的帶寬；帶通濾波之后的信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器15，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd(t)進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)低通濾波器16處理得到角速度信號(hào)Q (t)，低通濾波器16的截止頻率f；3滿足f；3 > BW。本發(fā)明的有益效果是第一，電荷放大器5的反饋電容為可變電容，調(diào)節(jié)可變電容可以調(diào)節(jié)兩路全差分信號(hào)的幅值，使其完全相等，提高對(duì)稱性；第二，電荷放大器5之后用高通濾波器6來(lái)消除驅(qū)動(dòng)耦合信號(hào)V' d(t);第三，脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)，通過(guò)帶通濾波器14，解調(diào)器15，低通濾波器16的處理得到模擬角速度信號(hào)Q (t)。


圖I是本發(fā)明所針對(duì)的MEMS陀螺檢測(cè)模態(tài)的電學(xué)模型示意圖；圖2是本發(fā)明所針對(duì)的MEMS陀螺結(jié)構(gòu)示意圖3是現(xiàn)有技術(shù)中董云峰等人提出的6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路示意圖；圖4是本發(fā)明提出的6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路示意圖；圖5是實(shí)施例中6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路示意圖；圖中I-公共電極；2_固定電極I ;3_固定電極II ；4-MEMS陀螺結(jié)構(gòu)；5_電荷放大器；6-高通濾波器；7_ 二極管；8_低通濾波器；9_全差分放大電路；10_相位補(bǔ)償電路；11_諧振電路；12_數(shù)字轉(zhuǎn)換電路；13-模擬開(kāi)關(guān)；14_帶通濾波器；15-解調(diào)器；16_低通濾波器；17-諧振器a; 18-諧振器b ；19-比較器；20-D觸發(fā)器；21-反饋電極Al ;22_反饋電極AII ；23-檢測(cè)電極Al ；24-檢測(cè)電極AII ；
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本實(shí)施例中所針對(duì)的MEMS陀螺如圖2所示，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)梳齒中心電容C。=3. 43e-13F,驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率fx = 4. 30KHz為，檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率fy = 4. 33KHz，帶寬 BW = 50Hz, mx = my = 2 X lCT6Kg。其檢測(cè)模態(tài)的6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路參閱圖5,整個(gè)電路系統(tǒng)由全差分電荷放大器5，高通濾波器6，二極管7，低通濾波器8，全差分放大電路9，相位補(bǔ)償電路10，諧振電路11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開(kāi)關(guān)13，帶通濾波器14，解調(diào)器15，低通濾波器16組成；首先外加驅(qū)動(dòng)電壓使得陀螺在驅(qū)動(dòng)模態(tài)上諧振，諧振位移為x(t)=alSin(coxt+cj5)，其中ωχ = 2Jifx = 2 31 · 4300，當(dāng)有角速度Ω (t)輸入時(shí)，由于科里奧利
力巧=2 Ω(0^的作用，陀螺的質(zhì)量塊在檢測(cè)模態(tài)上產(chǎn)生位移I (t)，導(dǎo)致檢測(cè)電極AI23 at
和檢測(cè)電極AII24電容變化，例如檢測(cè)電極AI23電容增大，檢測(cè)電極AII24電容減小，弓丨起充放電電流變化，該變化電流信號(hào)i(t)被Ve(t) = IOsinOJiflt)調(diào)制到高頻段，其中f = 2MHz, Vc(t)加載到陀螺的質(zhì)量塊上。該調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器5，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分電壓信號(hào)Vi (t)和V' At);其中一路電荷放大器5上的反饋電容為可變電容Cf，調(diào)節(jié)Cf使得Vi⑴和V',⑴幅值相等；然后Vi⑴和V',⑴經(jīng)過(guò)高通濾波器6將驅(qū)動(dòng)率禹合信號(hào)V' d(t) = a2sin(coxt+<i))濾除，高通濾波器6的截止頻率L = IOOKHz ;濾除驅(qū)動(dòng)耦合信號(hào)之后得到Vi2 (t)和V' i2(t),Vi2(t)和V' i2(t)經(jīng)過(guò)由二極管7和低通濾波器8組成解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，其中低通濾波器8的截止頻率fe2 = IOKHz ;解調(diào)和濾波后的兩路信號(hào)進(jìn)入增益G1 = 200的全差分放大電路9對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補(bǔ)償電路10對(duì)Vi3(t)和V' i3(t)進(jìn)行Δ爐的相位移動(dòng)，使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移總和不等于2η π，防止閉環(huán)回路自激振蕩，提聞系統(tǒng)的穩(wěn)定性；移相后的信號(hào)vi4(t)和V, i4(t)進(jìn)入諧振電路11，諧振電路11包括諧振器al7和諧振器bl8 ；諧振器al7和諧振器bl8具有相同的結(jié)構(gòu)，均包括串聯(lián)的兩個(gè)全差分運(yùn)算放大器，諧振器al7的第一個(gè)全差分運(yùn)算放大器A1的反向輸入端一路經(jīng)過(guò)電阻R1連到第二個(gè)全差分運(yùn)算放大器A2的反向輸出端，另一路依次串聯(lián)連接一個(gè)電容C1、電阻R2和電容C2，連到A2的正向輸出端；諧振器al7的A1的正向輸入端一路經(jīng)過(guò)電阻R' I連到A2的正向輸出端，另一路依次串聯(lián)連接一個(gè)電容c' i、電阻R' 2和電容C' 2，連到A2的反向輸出端；諧振器al7的A1的正向輸出端,連入諧振器bl8的第一個(gè)全差分運(yùn)算放大器A' I的負(fù)向輸出端,諧振器al7的么:的負(fù)向輸出端，連入諧振器bl8的A' I的正向輸出端；其中R1 = R2 = R' 1 =R' 2 = I. 68k Q , C1 = C2 = C' i = C' 2 = 22nF,諧振器al7和諧振器al8的諧振中心頻
率/2 = 2;r.(1 ^x1q1B).(22x1Q-9) ^ 4 30KHz ’諧振器b 18的A':的正向和負(fù)向輸出端輸出信號(hào)為Vi5(t)和V' i5(t)作為比較器19的兩路輸入信號(hào)；比較器19對(duì)Vi5⑴和V' i5(t)進(jìn)行比較，輸出高電平為5V，低電平為OV的數(shù)字比較信號(hào)b'⑴，D觸發(fā)器20對(duì)b'⑴進(jìn)行采樣和量化，采樣頻率為32KHz，最終輸出Ibit的數(shù)字脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)，高電平為3. 3V，低電平為OV ；b(t) 一路用于控制模擬開(kāi)關(guān)從而將反饋電壓Vfb = IV加載到陀螺檢測(cè)模態(tài)的反饋電極AI21和AII22上；b (t)另一路經(jīng)過(guò)帶通濾波器14將[4330-50，4330+50]頻率范圍外的量化噪聲去除，然后進(jìn)入解調(diào)器15，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd(t)進(jìn)行第二次解調(diào)，再通過(guò)截止頻率f；3 = IOOHz的低通濾波器16處理得到陀螺的角速度信號(hào)Q (t)。
權(quán)利要求
1. 一種MEMS陀螺6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路,其特征在于由電荷放大器(5)，高通濾波器￠)，二極管(7)，低通濾波器(8)，全差分放大電路(9)，相位補(bǔ)償電路(10)，諧振電路(11)，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(12)，模擬開(kāi)關(guān)(13)，帶通濾波器(14)，解調(diào)器(15)，低通濾波器(16)組成；變化的電流信號(hào)i(t)經(jīng)過(guò)頻率為的高頻載波VJt)調(diào)制到高頻段，火⑴加載到MEMS陀螺結(jié)構(gòu)(4)的質(zhì)量塊上，也即為等效的公共電極⑴上；調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器(5)后，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vi (t);電荷放大器(5)的反饋電容采用可變電容用于調(diào)節(jié)兩路全差分信號(hào)Vi (t)和V' Jt)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；\α)和V' Jt)經(jīng)過(guò)高通濾波器(6)將驅(qū)動(dòng)模態(tài)耦合信號(hào)V' d(t)濾除得到Vi2(t)和V' i2 (t)，高通濾波器(6)的截止頻率L滿足Jca > fx，其中fx為MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率也即耦合信號(hào)V' d(t)的頻率；Vi2 (t)和V' i2(t)再經(jīng)過(guò)由二極管(7)和低通濾波器(8)組成的解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，低通濾波器(8)的截止頻率f；2滿足fy < fc2< f1;其中，fy為陀螺檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率；解調(diào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)入增益為G1的全差分放大電路(9)對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補(bǔ)償電路(10)對(duì)Vi3 (t)和V' i3(t)進(jìn)行一定的相位移動(dòng)Δ…使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移不等于2n ;移相后得到信號(hào)Vi4(t)和V' i4(t)進(jìn)入諧振電路(11)，諧振電路(11)包括串聯(lián)的完全相同的諧振器a (17)和諧振器b (18)，諧振器a (17)和諧振器b (18)的諧振中心頻率f2等于fx，且諧振器a (17)和諧振器b (18)在&處的增益為10-20dB，在其他頻率范圍內(nèi)的增益均小于OdB ;經(jīng)過(guò)諧振電路(11)之后的信號(hào)Vi5(t)和V' i5(t)進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(12)，其包括比較器(19)和D觸發(fā)器(20)，比較器(19)對(duì)Vi5(t)和V, i5(t)兩路全差分信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平的數(shù)字比較信號(hào)b' (t)，D觸發(fā)器(20)對(duì)b' (t)進(jìn)行采樣和量化，最終輸出數(shù)字脈寬密度調(diào)制信號(hào)b(t) ；b(t) 一路用于控制模擬開(kāi)關(guān)(13)將反饋電壓Vfb加載到陀螺檢測(cè)模態(tài)的反饋電極上；另一路經(jīng)過(guò)帶通濾波器(14)將[fy_BW，fy+BW]頻率范圍外的量化噪聲去除，其中BW為陀螺的帶寬；帶通濾波之后的信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器(15)，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd(t)進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)低通濾波器(16)處理得到角速度信號(hào)Ω (t)，低通濾波器(16)的截止頻率f；3滿足f；3 > BW。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS陀螺6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路，屬于利用科氏效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。該電路由電荷放大器5，高通濾波器6，二極管7，低通濾波器8，全差分放大電路9，相位補(bǔ)償電路10，諧振電路11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開(kāi)關(guān)13，帶通濾波器14，解調(diào)器15，低通濾波器16組成。本發(fā)明提出的電路能夠消除驅(qū)動(dòng)耦合信號(hào)對(duì)陀螺檢測(cè)信號(hào)的影響；提高檢測(cè)模態(tài)的兩路全差分信號(hào)的對(duì)稱性，消除非對(duì)稱直流分量；將輸出的脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)做進(jìn)一步的處理，得到模擬角速度信號(hào)Ω(t)輸出。
文檔編號(hào)G05B13/00GK102621884SQ20121000911
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者常洪龍, 苑偉政, 袁廣民, 謝建兵, 陳方 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)