專利名稱：MEMS陀螺6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于MEMS陀螺檢測模態的閉環控制電路，屬于利用科氏效應的制導或控制裝置領域。
背景技術：
MEMS陀螺是一種重要的慣性傳感器。它相對于傳統光纖陀螺和激光陀螺而言，具有外形尺寸小、重量輕、功耗低、成本低等優點，因此用MEMS陀螺實現的慣性儀表廣泛的用于各種運動物體的姿態及位置信息檢測，特別是精確制導武器、無人機等軍事領域更是對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來對其控制或者對誤差進行補償，從而提高精度。例如MEMS陀螺 的驅動模態自激振蕩閉環控制相比較開環驅動能夠提高其在驅動模態的頻率穩定性和幅值穩定性；而檢測模態的閉環控制電路是通過加載反饋電壓產生反饋靜電力將陀螺的中心質量塊拉回到原點位置，能夠有效的抑制系統的非線性因素，提高系統的帶寬和檢測輸出信號的零偏穩定性。MEMS陀螺檢測模態的閉環控制電路通常有兩種模擬閉環控制電路和數字閉環控制電路。模擬閉環控制電路存在系統參數易受外界因素的影響，反饋控制靜電力容易過大導致中心質量塊吸附到電極上，系統實現難度大等缺點。而數字閉環控制可以有效的解決中心質量塊容易吸附到電極上的問題，系統實現簡單，穩定性好等優點，所以MEMS陀螺檢測模態的數字閉環控制電路一直是研究的熱點和重點。2000年，美國加州大學伯克利分校的江雪松首先實現了 MEMS陀螺檢測模態的高階低通sigma-delta閉環控制電路(Σ AM閉環控制電路)，但該系統需要較高的采樣頻率，系統實現難度大；2005年，英國南安普頓大學的董云峰，Michael Kraft等人提出了 MEMS陀螺檢測模態的6階連續帶通Σ AM閉環控制電路，不僅大大降低了采樣頻率，使得系統更加易于實現，而且提高了系統的信噪比(SNR)，帶寬以及零偏穩定性等。其原理框圖參照圖3，信號的提取采用電荷放大器5，然后信號依次經過全差分放大電路9、相位補償電路10、諧振電路11、數字轉換電路12輸出脈寬密度調制數字信號b⑴控制模擬開關13將反饋控制電壓Vfb加載到反饋控制電極上，整個閉環控制電路對于系統噪聲具有6階整形能力，大大提高SNR，但是該控制系統存在以下幾個方面的問題(I)MEMS陀螺在加工過程中，由于加工工藝的影響不可避免會產生寄生電容，導致驅動模態下的驅動信號容易通過寄生電容耦合到檢測模態；(2)檢測模態的信號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具有完全對稱性，同時不能存在非對稱的直流分量，否則影響信號的檢測精度；(3)該系統中輸出的脈寬密度調制數字信號b(t)并不是最終的角速度信號，b(t)需要與驅動信號1(0做進一步的解調和濾波才能得到最終的角速度信號。

發明內容
為克服現有技術中存在的問題，本發明提出了一種改進的MEMS陀螺6階連續帶通E AM閉環控制電路，能夠消除驅動耦合信號對陀螺檢測信號的影響；提高檢測模態的兩路全差分信號的對稱性，消除非對稱直流分量；將輸出的脈寬密度調制數字信號b(t)做進一步的處理，得到模擬角速度信號Q (t)輸出。參閱圖2，MEMS陀螺結構4的檢測模態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，產生變化電流信號i⑴。參閱圖4,本發明提出的MEMS陀螺6階連續帶通sigma_delta閉環控制電路，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，相位補償電路10，諧 振電路11，數字轉換電路12，模擬開關13，帶通濾波器14，解調器15，低通濾波器16組成。變化的電流信號i(t)經過頻率為的高頻載波VJt)調制到高頻段，Vc(t)加載到MEMS陀螺結構4的質量塊上，也即為等效的公共電極I上；調制信號經過電荷放大器5后，將電流信號轉換為電壓信號Vi (t);電荷放大器5的反饋電容采用可變電容用于調節兩路全差分信號\(t)和V' Jt)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；Vi(t)和V' Jt)經過高通濾波器6將驅動模態耦合信號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陀螺驅動模態的諧振頻率也即耦合信號V' d(t)的頻率；Vi2(t)和V' i2(t)再經過由二極管7和低通濾波器8組成的解調電路進行解調和濾波，低通濾波器8的截止頻率f；2滿足fy < fc2 < ，其中，fy為陀螺檢測模態的諧振頻率；解調和濾波后的信號進入增益為G1的全差分放大電路9對其做進一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補償電路10對Vi3(t)和V' i3(t)進行一定的相位移動A爐，使得整個閉環控制回路的相移不等于2n，因為根據閉環系統自激振蕩的條件如果滿足閉環控制電路的相移等于2n，閉環增益大于1，整個閉環系統將會自激振蕩；移相后得到信號Vi4(t)和V' i4(t)進入諧振電路11，諧振電路11包括串聯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，在其他頻率范圍內的增益均小于OdB ;經過諧振電路11之后的信號Vi5⑴和V' i5(t)進入數字轉換電路12，其包括比較器19和D觸發器20，比較器19對Vi5(t)和V' i5(t)兩路全差分信號進行比較，產生高低電平的數字比較信號b' (t)，D觸發器20對b' (t)進行采樣和量化，最終輸出數字脈寬密度調制信號b(t) ；b(t) 一路用于控制模擬開關13將反饋電壓Vfb加載到陀螺檢測模態的反饋電極上；另一路經過帶通濾波器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進入解調器15，與驅動信號Vd(t)進行解調，再通過低通濾波器16處理得到角速度信號Q (t)，低通濾波器16的截止頻率f；3滿足f；3 > BW。本發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，調節可變電容可以調節兩路全差分信號的幅值，使其完全相等，提高對稱性；第二，電荷放大器5之后用高通濾波器6來消除驅動耦合信號V' d(t);第三，脈寬密度調制數字信號b(t)，通過帶通濾波器14，解調器15，低通濾波器16的處理得到模擬角速度信號Q (t)。


圖I是本發明所針對的MEMS陀螺檢測模態的電學模型示意圖；圖2是本發明所針對的MEMS陀螺結構示意圖3是現有技術中董云峰等人提出的6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路示意圖；圖4是本發明提出的6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路示意圖；圖5是實施例中6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路示意圖；圖中I-公共電極；2_固定電極I ;3_固定電極II ；4-MEMS陀螺結構；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_相位補償電路；11_諧振電路；12_數字轉換電路；13-模擬開關；14_帶通濾波器；15-解調器；16_低通濾波器；17-諧振器a; 18-諧振器b ；19-比較器；20-D觸發器；21-反饋電極Al ;22_反饋電極AII ；23-檢測電極Al ；24-檢測電極AII ；
具體實施例方式實施例一本實施例中所針對的MEMS陀螺如圖2所示，驅動和檢測模態梳齒中心電容C。=3. 43e-13F,驅動模態的諧振頻率fx = 4. 30KHz為，檢測模態的諧振頻率fy = 4. 33KHz，帶寬 BW = 50Hz, mx = my = 2 X lCT6Kg。其檢測模態的6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路參閱圖5,整個電路系統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，相位補償電路10，諧振電路11，數字轉換電路12，模擬開關13，帶通濾波器14，解調器15，低通濾波器16組成；首先外加驅動電壓使得陀螺在驅動模態上諧振，諧振位移為x(t)=alSin(coxt+cj5)，其中ωχ = 2Jifx = 2 31 · 4300，當有角速度Ω (t)輸入時，由于科里奧利
力巧=2 Ω(0^的作用，陀螺的質量塊在檢測模態上產生位移I (t)，導致檢測電極AI23 at
和檢測電極AII24電容變化，例如檢測電極AI23電容增大，檢測電極AII24電容減小，弓丨起充放電電流變化，該變化電流信號i(t)被Ve(t) = IOsinOJiflt)調制到高頻段，其中f = 2MHz, Vc(t)加載到陀螺的質量塊上。該調制信號經過電荷放大器5，將電流信號轉換為全差分電壓信號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，調節Cf使得Vi⑴和V',⑴幅值相等；然后Vi⑴和V',⑴經過高通濾波器6將驅動率禹合信號V' d(t) = a2sin(coxt+<i))濾除，高通濾波器6的截止頻率L = IOOKHz ;濾除驅動耦合信號之后得到Vi2 (t)和V' i2(t),Vi2(t)和V' i2(t)經過由二極管7和低通濾波器8組成解調電路進行解調和濾波，其中低通濾波器8的截止頻率fe2 = IOKHz ;解調和濾波后的兩路信號進入增益G1 = 200的全差分放大電路9對其做進一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補償電路10對Vi3(t)和V' i3(t)進行Δ爐的相位移動，使得整個閉環控制回路的相移總和不等于2η π，防止閉環回路自激振蕩，提聞系統的穩定性；移相后的信號vi4(t)和V, i4(t)進入諧振電路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具有相同的結構，均包括串聯的兩個全差分運算放大器，諧振器al7的第一個全差分運算放大器A1的反向輸入端一路經過電阻R1連到第二個全差分運算放大器A2的反向輸出端，另一路依次串聯連接一個電容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過電阻R' I連到A2的正向輸出端，另一路依次串聯連接一個電容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的第一個全差分運算放大器A' I的負向輸出端,諧振器al7的么:的負向輸出端，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':的正向和負向輸出端輸出信號為Vi5(t)和V' i5(t)作為比較器19的兩路輸入信號；比較器19對Vi5⑴和V' i5(t)進行比較，輸出高電平為5V，低電平為OV的數字比較信號b'⑴，D觸發器20對b'⑴進行采樣和量化，采樣頻率為32KHz，最終輸出Ibit的數字脈寬密度調制數字信號b(t)，高電平為3. 3V，低電平為OV ；b(t) 一路用于控制模擬開關從而將反饋電壓Vfb = IV加載到陀螺檢測模態的反饋電極AI21和AII22上；b (t)另一路經過帶通濾波器14將[4330-50，4330+50]頻率范圍外的量化噪聲去除，然后進入解調器15，與驅動信號Vd(t)進行第二次解調，再通過截止頻率f；3 = IOOHz的低通濾波器16處理得到陀螺的角速度信號Q (t)。
權利要求
1. 一種MEMS陀螺6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路,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)，相位補償電路(10)，諧振電路(11)，數字轉換電路(12)，模擬開關(13)，帶通濾波器(14)，解調器(15)，低通濾波器(16)組成；變化的電流信號i(t)經過頻率為的高頻載波VJt)調制到高頻段，火⑴加載到MEMS陀螺結構(4)的質量塊上，也即為等效的公共電極⑴上；調制信號經過電荷放大器(5)后，將電流信號轉換為電壓信號Vi (t);電荷放大器(5)的反饋電容采用可變電容用于調節兩路全差分信號Vi (t)和V' Jt)的匹配性，使得其幅值相等，相位相反；\α)和V' Jt)經過高通濾波器(6)將驅動模態耦合信號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陀螺驅動模態的諧振頻率也即耦合信號V' d(t)的頻率；Vi2 (t)和V' i2(t)再經過由二極管(7)和低通濾波器(8)組成的解調電路進行解調和濾波，低通濾波器(8)的截止頻率f；2滿足fy < fc2< f1;其中，fy為陀螺檢測模態的諧振頻率；解調和濾波后的信號進入增益為G1的全差分放大電路(9)對其做進一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補償電路(10)對Vi3 (t)和V' i3(t)進行一定的相位移動Δ…使得整個閉環控制回路的相移不等于2n ;移相后得到信號Vi4(t)和V' i4(t)進入諧振電路(11)，諧振電路(11)包括串聯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，在其他頻率范圍內的增益均小于OdB ;經過諧振電路(11)之后的信號Vi5(t)和V' i5(t)進入數字轉換電路(12)，其包括比較器(19)和D觸發器(20)，比較器(19)對Vi5(t)和V, i5(t)兩路全差分信號進行比較，產生高低電平的數字比較信號b' (t)，D觸發器(20)對b' (t)進行采樣和量化，最終輸出數字脈寬密度調制信號b(t) ；b(t) 一路用于控制模擬開關(13)將反饋電壓Vfb加載到陀螺檢測模態的反饋電極上；另一路經過帶通濾波器(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進入解調器(15)，與驅動信號Vd(t)進行解調，再通過低通濾波器(16)處理得到角速度信號Ω (t)，低通濾波器(16)的截止頻率f；3滿足f；3 > BW。
全文摘要
本發明涉及一種MEMS陀螺6階連續帶通sigma-delta閉環控制電路，屬于利用科氏效應的制導或控制裝置領域。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，相位補償電路10，諧振電路11，數字轉換電路12，模擬開關13，帶通濾波器14，解調器15，低通濾波器16組成。本發明提出的電路能夠消除驅動耦合信號對陀螺檢測信號的影響；提高檢測模態的兩路全差分信號的對稱性，消除非對稱直流分量；將輸出的脈寬密度調制數字信號b(t)做進一步的處理，得到模擬角速度信號Ω(t)輸出。
文檔編號G05B13/00GK102621884SQ20121000911
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者常洪龍, 苑偉政, 袁廣民, 謝建兵, 陳方 申請人:西北工業大學