Mems陀螺仪测控电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于误差信号处理技术领域，具体涉及一种MEMS陀螺仪测控电路。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的学科领域。MEMS技术具有体积小、重量轻、功耗低等优点，基于此技术发展起来的微惯性器件就是一类典型的MEMS传感器，它的出现极大地扩展了惯性技术的应用范围，使得基于微惯性器件构建低成本、高性能的微惯性导航系统迅速成为当前惯性技术领域的一个研究热点。
[0003]目前，MEMS陀螺仪的性能，尤其是精度指标，与传统的陀螺还有较大差距，只能应用于低精度要求的场合。影响MEMS陀螺仪精度的因素除了敏感原件制造工艺，最大影响因子在于测控电路本身的漂移。本发明因此而来。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种MEMS陀螺仪测控电路，解决了现有技术中MEMS陀螺仪的测控电路的漂移问题，本发明在现有MEMS陀螺仪的基础上，通过SOPC数字处理技术、电荷放大器、失调电容补偿方法来实现测控电路的高增益、低噪声，从而提高陀螺整体的稳定性和抗干扰能力的方法。
[0005]为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是:
[0006]一种MEMS陀螺仪测控电路，为基于IP核的SOPC数字处理电路，其特征在于所述IP核接收MEMS陀螺仪驱动轴检测信号，并输出相应的驱动信号；且所述IP核接收MEMS陀螺仪敏感轴检测信号，并输出MEMS陀螺仪的角速率；所述驱动轴检测信号作为载波信号经LMSD解调电路解调后，其正交分量经Butterworth4阶低通滤波器进行滤波处理，进行幅度设定后通过PI控制器进行幅度闭环；其同相分量经Butterworth4阶低通滤波器进行滤波处理，进行相位设定后通过PI控制器进行相位闭环；闭环后的两分量进行正弦波合成，输出驱动信号；所述敏感轴检测信号作为载波信号经LMSD解调电路解调后，其同相分量经Butterworth4阶低通滤波器进行滤波处理，进行温度补偿后输出MEMS陀螺仪的角速率。
[0007]优选的技术方案中，所述温度补偿是通过所述驱动轴检测信号作为载波信号经LMSD解调电路解调后，其同相分量经BUtterWorth4阶低通滤波器进行滤波处理，进行相位设定后通过PI控制器进行相位闭环并通过PI控制器向滤波处理后的载波信号进行温度补
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[0008]优选的技术方案中，所述测控电路还包括对MEMS陀螺仪的变化电容噪声信号进行检测的变化电容检测电路，所述变化电容检测电路包括级联设置的前级电荷放大器(CSA)电路、高通滤波器电路、同步解调电路和低通滤波器电路。
[0009]优选的技术方案中，所述测控电路还包括利用分离出的失调电容信号来控制可变增益放大器的增益的失调电容信号补偿电路，其中可变增益放大器的输出负反馈到电荷放大器的输入端，将失调电容所引起的输出电压信号从电荷放大器的输出中消除。
[0010]本发明公开了一种高稳定性MEMS陀螺仪测控电路的设计，其特征是:在现有MEMS陀螺仪的基础上，通过SOPC数字处理技术、电荷放大器、失调电容补偿来实现测控电路的高增益、低噪声，从而提高陀螺整体的稳定性和抗干扰能力的方法来提高陀螺仪的精度。本发明涉及一种MEMS陀螺仪测控电路，尤其涉及通过SOPC数字处理技术、电荷放大器、失调电容补偿来实现测控电路的高增益、低噪声，从而提高陀螺整体的稳定性和抗干扰能力的方法。
[0011]影响现有技术中MEMS陀螺仪精度的因素除了敏感原件制造工艺，最大影响因子在于测控电路本身的漂移，因此，通过SOPC数字处理技术、电荷放大器、失调电容补偿以及一套陀螺信号处理、控制算法，有效的解决了陀螺电路漂移和复杂性的问题，从而提升MEMS陀螺仪的进度和稳定性。
[0012]所谓的SOPC数字处理电路，由于MEMS陀螺在微型化的同时，带来的一个负面效应就是其信号非常微弱，因此检测电路的增益较大，进而导致其温度稳定性对其总体性能的影响较传统陀螺更大，因此必须设计高温度稳定性的测控电路。
[0013]提闻测控电路稳定性的途径有二条:
[0014](I)在电路设计上采取措施，避免温度敏感的电路形式，同时采取增益补偿等措施将温度漂移降低到尽可能低的程度；
[0015](2)对电路进行充分的老化稳定处理，使电路的稳定性进一步提高；
[0016](3)设计必要的补偿机制，补偿最后残余的温度漂移；
[0017]本发明采用基于IP核的SOPC数字处理电路的方式，这样一是可以实现复杂的控制方法，以达到陀螺运动的全闭环控制，二是可以数字化的输出，三是可以尽量避免模拟电路的温漂问题。
[0018]在数字式MEMS陀螺的研制基础上，已开发了用于MEMS陀螺测控的专用IP核(如图1)，结合软核处理器已可完成MEMS惯性传感器的信号读出和闭环控制，因此对于MEMS惯性仪表的测控，通过使用FPGA可进一步减小系统的体积，并可大幅提高电路的灵活性。通过数字化技术，MEMS惯性仪表测控参数的调整更加简单，且可实现复杂的误差补偿算法，因此采用数字化测控方案不仅可提高仪表的稳定性，并可降低器件产业化后的调试、校准和标定成本。
[0019]所谓的电荷放大器，由于变化电容信号的频率在几KHz到几十KHz的频带范围，电荷放大器的主要噪声来源为MOS管的Ι/f噪声。为了抑制Ι/f噪声、运放失调和低频干扰，我们在CSA电路中采用CHS (Chopper Stabilizat1n)技术，如附图2。在实际的陀螺结构中，各组梳齿电容之间会存在寄生的耦合电容，如附图3所示。这时就需要高通滤波器配合CHS技术来有效抑制低频电学耦合信号的干扰。变化电容检测电路的整体结构如附图4所示，主要由四个部分组成:前级电荷放大器(CSA)、高通滤波器、同步解调和低通滤波器。
[0020]所谓的陀螺失调电容补偿，由于实际工艺加工的误差，陀螺差分检测电容存在失调电容(差分电容初始值之间的差别)，会降低电容检测电路的动态范围，需要进行补偿。
[0021]传统的抑制失调电容的方法主要有两种:外加补偿电压和片上补偿电容阵列。这两种传统的失调电容补偿方法都需要针对每一个陀螺进行单独的测试和校正。本发明提出了一种自适应实现失调电容补偿的方法，原理如图5所示。利用分离出的失调电容信号来控制可变增益放大器的增益，然后将可变增益放大器(VGA Variable Gain Amplifier)的输出负反馈到电荷放大器的输入端，将失调电容所引起的输出电压信号从电荷放大器的输出中消除，从而实现对失调电容的补偿。由于失调电容的补偿过程中不需要进行额外的测试调节，而且补偿的效果由负反馈环路的增益决定，因此该方法相对于传统的失调电容补偿方法更具有实用性。图6为失调电容自适应补偿的一种具体实现的电路图。
[0022]综上所述，在MEMS陀螺仪测控电路中，利用SOPC数字处理技术、电荷放大器以及陀螺失调电容补偿技术，来实现测控电路的高增益、低噪声，从而提高陀螺整体的稳定性和抗干扰能力，有效的提高MEMS陀螺的精度。
【附图说明】
[0023]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
[0024]图1为本发明的单轴数字式MEMS陀螺