陀螺仪双相采样前端放大器及陀螺仪信号采样控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种陀螺仪双相采样前端放大器，其包括连接陀螺仪传感器模型电路的上极板连接端及下极板连接端的运算放大器、连接于陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路之间的电源、接设于所述电源与运算放大器回路之间的第一开关对及第二开关对、设置于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路中的多个充放电器件、时钟源，充放电器件连接所述电源并根据第一开关对的闭合进行充电且根据第二开关对的闭合进行放电。本发明解决了现有陀螺仪电路前端放大器中间极板不能直接连接实地的问题，对共模电压漂移不敏感，能够消除参考电容失配引入的误差，可以降低电路的失调和低频噪声。本发明还公开了一种集成陀螺仪前端采样放大器的信号采样控制方法。
【专利说明】陀螺仪双相采样前端放大器及陀螺仪信号采样控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陀螺仪双相采样前端放大器电路及其信号控制原理。
【背景技术】
[0002]高精度陀螺仪和加速度计由于在精密导航、汽车电子、智能机器人、工业控制和消费电子产品中的广泛应用，而备受青睐。MEMS陀螺仪可等效为一对动态的差分变化电容，其电容变化能够反映待测物理量的变化，电容变化量一般10_18?10_12F，对电容读出电路的灵敏度、分辨率和线性范围都提出了较为苛刻的要求。现有陀螺仪的中间极板都是要接实地的，然而现有的陀螺仪读出电路前端电容电压转换模块一端接入电源Vdd，另一端接地，其中间极板不能直接连接地(如图1常规技术的一种实施例所示)，中间极板接入电压为Vdd/2 (Vcm)，而其大多数是通过连接一个超大电阻接地的，无法实现直接连接实电源地来提高系统稳定性。
【发明内容】
[0003]本发明旨在解决前述缺陷，设计一种陀螺仪双相采样前端放大器，以解决现有陀螺仪传感器模型电路前端放大器中间极板不能直接连接实地的问题。本发明陀螺仪前端放大器结构通过双相开关方式，对共模电压漂移不敏感，并能够消除参考电容失配引入的误差，同时结合相关双采样技术，以降低本发明电路的失调和低频噪声。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:陀螺仪双相采样前端放大器，它连接于陀螺仪传感器模型电路，包括:连接所述陀螺仪传感器模型电路的上极板连接端、下极板连接端的运算放大器；连接于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路之间的至少一对电源；接设于所述电源与运算放大器回路之间的第一开关对、第二开关对；以及设置于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路中的多个充放电器件，它们连接所述电源并根据第一开关对的闭合进行充电且根据第二开关对的闭合进行放电。其进一步包括时钟源，设计所述时钟源以:设定第二时钟T2，在此时闭合第一开关对以通过电源为充放电器件进行充电，使运算放大器采集第一采样信号；设定第一时钟T1，在此时闭合第二开关对使得所述充放电器件对运算放大器进行放电，使运算放大器采集第二采样信号，随后通过其差分输出端输出电压信号给后续处理电路加以处理。
[0005]进一步地，陀螺仪传感器模型电路较佳地包括设于陀螺仪表头上的上极板连接端、中间极板连接端及下极板连接端，其中所述中间极板连接端连接实地。其中上极板连接端连接第一电源(Vh)或第二电源(')，所述下极板同样连接端连接第一电源或第二电源。上、下极板连接端根据中间极板成对称式设置，在中间极板处电势为零。
[0006]其中，在电源(包括第一、第二电源，或者一个电源提供的两个高低电位，例如高电平设为电源电压，低电平设为电源地电压)与上极板连接端、下极板连接端之间设置有开关对，用于在第一电源时，控制开关对闭合来对第一、第二传感器等效电容充电，在第二电源时，断开其中的一部分开关对而闭合另一部分开关对，使得传感器等效电容根据第二电源提供的电位差向后级电路释放电荷，即根据陀螺仪自身感测到的惯性力偏向进行放电。
[0007]在一个实施例中，所述充放电器件包括至少一对电容器。
[0008]在一个实施例中，所述至少一对电源包括提供第一电压Vh的第一电源，及提供第二电压 '的第二电源，其中所述第一电源通过第一开关对的闭合为所述陀螺仪传感器模型电路、充放电器件进行充电；所述第二电源通过第二开关对的闭合接入充放电器件以使之放电而使运算放大器产生控制电压。
[0009]在一个实施例中，进一步包括一对可调电源，用于为所述充放电器件提供第三电压 Vu, V
[0010]在一个实施例中，进一步包括第三开关对，耦合于所述充放电器件与运算放大器之间，在时钟源设定的第三时间周期T2a内得以闭合而使运算放大器输出复位。
[0011]在一个实施例中，在所述至少一对电源与运算放大器的连接回路上设置中性接地点，即与前述中间极板的等电势位置处均接地设置。
[0012]基于前述方案，本发明还公开了一种集成陀螺仪前端采样放大器的信号采样控制方法，包括步骤:1)通过时钟源提供第二时钟T2，此时控制第一开关对闭合，以使得第一电源为充放电器件、陀螺仪传感器模型电路提供第一电压Vh以进行充电；2)通过时钟源在所述第一时钟T1后提供第二时钟T2，此时控制第二开关对闭合，以使得第二电源为充放电器件、陀螺仪传感器模型电路提供第二电压\以使之进行放电；3)提供第三时钟T2a，此时闭合第三开关对而使运算放大器输出复位；4)通过可调电容、充放电器件向运算放大器进行电荷转移，使得所述运算放大器将电荷信号转换为电压控制信号加以输出。
[0013]在一个实施例中,所述第一时钟T1、第二时钟T2与第三时钟T2a各不相同。
[0014]在一个实施例中，步骤I)进一步包括步骤:通过一对可调电源为所述充放电器件提供第三电压Vu, Vd。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1示意性绘示出常规技术的一种中间极板接入VDD/2(Vcm)的陀螺仪前端放大器的电路原理图；
[0016]图2概括性绘示出本发明实施例的前端放大器的电路原理图；
[0017]图3为本发明时钟源所提供的时钟信号示意图；
[0018]图4为本发明前端放大器处于时钟T2下的等效电路图；
[0019]图5为本发明前端放大器处于时钟T1下的等效电路图。
【具体实施方式】
[0020]参照图2，一个陀螺仪传感器模型电路实施例的中间极板连接实地且具有单电源供电，包括陀螺仪表头上设置的上极板连接端Stop，中间极板连接端Scto和下极板连接端Sb0to其中，上极板连接端Stop连接第一电源Vh(设为电源电压)或第二电源'(设为电源地电压)，下极板连接端Sbrt同样对称地连接第一电源或第二电源，其中在上极板连接端Stop与中间极板连接端S&之间。
[0021]进一步地在图2中，一个双相采样前端放大器连接于陀螺仪传感器模型电路，它较佳地包括正、负输入端各自连接所述陀螺仪传感器模型电路的上极板连接端S_、下极板连接端Sbtrt的运算放大器A ;连接于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器A之间的电源；接设于所述电源与运算放大器A之间的第一开关对、第二开关对；以及充放电器件，连接于所述电源，并根据第一开关对的闭合进行充电且根据第二开关对的闭合进行放电。在图2中,第二开关对包括相互根据电路的横向中心对称设置的S2u、S2d、S4u> S4d> S7u> S7d、S9u>S9d，第一开关对包括Slu、Sld、
S3U、S3d、S5U^ S5d、Sgu Λ Sgd Λ S10u Λ S1QdO 而且，充放电器件包括图中所示的以各个电路节点对称设置的电容器。
[0022]其中，上极板连接端Stop与开关Slu连接，开关Slu的另一端连接直流电压VH。开关S2u的一端与上极板连接端Sttjp连接，另一端连接开关S3u的一端、开关S4u的一端以及电容器Clu的一端。开关S3u的另一端连接可调电压Vu ;电容器Clu的另一端连接实地；开关S4u的另一端连接开关S5u的一端、电容器C2u的一端、电容器C3u的一端及电容器C4u的一端。开关S5u的另一端连接实地。电容器C2u的另一端连接开关S6u的一端及开关S7u的一端，开关S6u的另一端连接电压VH，开关S7u的另一端连接电压\。电容器C3u的另一端连接运算放大器A的反向输入端及开关S8u的一端。开关S8u的另一端连接开关S9u的一端及运算放大器A的正向输出端￥。_。电容器C4u的另一端连接开关S9u的另一端及开关Sltlu的一端。开关S10u的另一端连接模拟地。
[0023]在一个实施例中，中间极板连接端S&连接电源实地。相对应地，在电源VH、Vl与运算放大器A的连接回路上，即Slu与Sld、S5u与S5d之间相对应地设置接地点，即与前述中间极板的等电势位置处均接地设置。
[0024]在另一个实施例中，下极板连接端Sbtrt与开关Sld连接，开关Sld的另一端连接电压νΗ。开关S2d的一端与下极板连接端Sbtrt连接,另一端连接开关S3d的一端、开关S4d的一端以及电容器Cld的一端。开关S3d的另一端连接可调电压Vd ；电容器Cld的另一端连接实地；开关S4d的另一端连接开关S5d的一端、电容器C2d的一端、电容器C3d的一端及电容器C4d的一端。开关S5d的另一端连接实地。电容器C2d的另一端连接开关S6d的一端及开关S7d的一端，开关S6d的另一端连接电压Vh,开关S7d的另一端连接电压\。电容器C3d的另一端连接运算放大器A的正向输入端及开关S8d的一端。开关S8d的另一端连接开关S9d的一端及运算放大器A的反向输出端Vwtn。电容器C4d的另一端连接开关S9d的另一端及开关Sltld的一端。开关Sltld的另一端连接模拟地。
[0025]在一个实施例中，开关S2u、S2d、S4u、S4d、S7u、S7d、S9u、S9d均由一个时钟源(图2中不必要绘示出)时钟信号T1控制，开关Slu、Sld、S3u、S3d、S5u、S5d、S6u、S6d、S10u, Slod均由时钟信号T2控制。而在另一个实施例中，其中开关S8U、S8d均由时钟信号T2a控制。
[0026]图3为本发明的时钟输入信号时序图。从图3中的时序图可以看出，第二时钟T2高电平时的下降沿与第一时钟!\的上升沿具有非重叠时间I，第三时钟T2a与第二时钟1~2在下降沿具有非重叠时间II，第一时钟T1、第二时钟T2与第三时钟T2a长度各不相同，由模拟器件的特性决定。
[0027]当第二时钟信号T2 为高电平时，控制开关 Slu、Sld、S3u、S3d、S5u、S5d、S6u、S6d、S10u, Slod,S8u及S8d处于导通状态，此时的电路工作状态为如图4所示的等效电路。此时电容器CS1、CS2、C2u、C2d连接Vh，开始集聚电荷；电容器Clu、Cld分别连接可调电压Vu、Vd，开始集聚电荷；电容器C4u、C4d连接模拟地端，开始集聚电荷；从而电容器C3U、C3d的电荷量保持不变；运算放大器A处于复位状态。
[0028]当第一时钟信号T1为高电平时，控制开关S2u、S2d、S4u、S4d、S7u、S7d、S9u、S9d处于导通状态，此时的电路工作状态为如图5所示的等效电路。此时，第二电压'为0V，接入电容器，使得电容器CS1、CS2、C2u、C2d、Clu、Cld、C4u、C4d上聚集的电荷量均处于放电，向电容器C3u、C3d上转移电荷。运算放大器A将电荷信号转换为电压信号由差分输出端Vtjutn输出。
[0029]本发明实施例仅为示意性描述技术效果，其所要求保护的范围是由所附权利要求书加以限定的。
【权利要求】
1.一种陀螺仪双相采样前端放大器，连接于陀螺仪传感器模型电路，其特征在于包括:连接所述陀螺仪传感器模型电路的上极板连接端、下极板连接端的运算放大器； 连接于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路之间的至少一对电源； 接设于所述电源与运算放大器回路之间的第一开关对、第二开关对； 以及设置于所述陀螺仪传感器模型电路与运算放大器回路中的多个充放电器件，充放电器件连接所述电源并根据第一开关对的闭合进行充电且根据第二开关对的闭合进行放电； 还包括时钟源，设计所述时钟源以:设定第二时钟T2,在此时闭合第一开关对以通过电源为充放电器件进行充电，使运算放大器采集第一采样信号；设定第一时钟T1，在此时闭合第二开关对使得所述充放电器件对运算放大器进行放电，使运算放大器采集第二采样信号，随后通过其差分输出端输出电压信号给后级处理电路加以处理。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪双相采样前端放大器，其特征在于:所述陀螺仪传感器模型电路包括设于陀螺仪表头上的上极板连接端、中间极板连接端及下极板连接端，其中所述中间极板连接端连接实地，所述上极板连接端和下极板连接端分别接至电源，且根据中间极板成对称式设置。
3.根据权利要求1所述的陀螺仪双相采样前端放大器，其特征在于:所述至少一对电源包括提供第一电压Vh的第一电源，及提供第二电压\的第二电源，其中所述第一电源通过第一开关对的闭合为所述陀螺仪传感器模型电路、充放电器件进行充电；所述第二电源通过第二开关对的闭合接入充放电器件以使之放电而使运算放大器产生控制电压。
4.根据权利要求3所述的陀螺仪双相采样前端放大器，其特征在于:进一步包括一对可调电源，用于为所述充放电器件提供第三电压Vu, VD。
5.根据权利要求1所述的陀螺仪双相采样前端放大器，其特征在于:在所述至少一对电源与运算放大器的连接回路上设置中性接地点，即与前述中间极板的等电势位置处均接地设置。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪双相采样前端放大器，其特征在于:进一步包括第三开关对，耦合于所述充放电器件与运算放大器之间，在时钟源设定的第三时间周期T2a内得以闭合而使运算放大器复位。
7.一种基于权利要求1的陀螺仪双相采样前端放大器的陀螺仪信号采样控制方法，其特征在于包括步骤: 1)通过时钟源提供第二时钟T2，此时控制第一开关对闭合，以使得第一电源为充放电器件、陀螺仪传感器模型电路提供第一电压Vh以进行充电； 2)通过时钟源在所述第一时钟T1后提供第二时钟T2，此时控制第二开关对闭合，以使得第二电源为充放电器件、陀螺仪传感器模型电路提供第二电压\以使之进行放电； 3)提供第三时钟T2a，此时闭合第三开关对而使运算放大器复位； 4)通过陀螺仪传感器模型电路、充放电器件向运算放大器进行电荷转移，使得所述运算放大器将电荷信号转换为电压控制信号加以输出。
8.根据权利要求7所述的陀螺仪信号采样控制方法，其特征在于在步骤I)中进一步包括:通过一对可调电源为所述充放电器件提供第三电压Vu, VD。
9.根据权利要求7所述的陀螺仪信号采样控制方法，其特征在于:所述第一时钟T1、第二时钟T2与第三时钟T2a时长各不相同。
【文档编号】G01C19/5776GK104197922SQ201410373278
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】李荣宽, 薛晓军, 周骏 申请人:嘉兴市纳杰微电子技术有限公司