用于通过解调相位误差校正的陀螺仪零速率偏移漂移降低的系统和方法
【专利摘要】一种用于处理来自陀螺仪的信号的电路包括分别参考来自陀螺仪的同相和正交相位调制信号生成同相解调信号的第一解调器和生成正交相位解调信号的第二解调器。该电路包括数字处理器，其从解调器接收解调的同相和正交相位信号，并参照同相解调信号和正交相位解调信号生成对应于沿预定轴的陀螺仪的旋转的输出信号以从同步信号去除正交相位信号的一部分。
【专利说明】
用于通过解调相位误差校正的陀螺仪零速率偏移漂移降低的 系统和方法
技术领域
[0001] 本公开大体涉及陀螺仪传感器，并且更具体地，涉及用于校正来自陀螺仪传感器 的输出信号中的误差的电路。
【背景技术】
[0002] 陀螺仪通常用于感测对象沿着一个或多个旋转轴的旋转或姿态。例如，陀螺仪已 经长期用于海军舰艇、飞机和宇宙飞船中以识别船的旋转并且用在稳定性控制系统中。更 近期地，陀螺仪已经被并入微机电(MEM)器件。尽管传统陀螺仪绕轴旋转，MEMS陀螺仪典型 地包括使用光刻工艺形成在适合于安装到印刷电路板或与其他电子部件一起安装的集成 电路中的振动元件。因为MEMS器件绕轴旋转，振动元件的振荡平面趋于保持恒定，并且来自 MEMS传感器的经调制的电信号对应于用于MEMS器件绕轴的支撑件的姿态。一些MEMS器件包 括多个振动陀螺仪元件，其使能感测沿三维空间中的多个轴的旋转。
[0003] 当前技术的MEMS陀螺仪被用在宽广范围的设备中，该设备包括但不限于，智能电 话、平板电脑和其他便携式电子设备。例如，许多便携式设备包括显示在纵向或横向的取向 中的文本和图形的显示屏幕。在移动电子设备中的MEMS陀螺仪生成对应于在横向和纵向取 向之间的设备的旋转的信号，并且在移动电子设备中的微处理器基于来自陀螺仪的信号调 整图形显示。在移动设备中的MEMS陀螺仪的附加用途包括，但不限于，用户输入和惯性导航 应用。
[0004] 虽然MEMS陀螺仪已在紧凑电子设备中变得流行，现有的MEMS陀螺仪的结构和操作 条件将误差引入了在陀螺仪中生成的信号。例如，MEMS陀螺仪的不同的制造公差和波动的 操作温度生成在来自陀螺仪中的振动感测元件的信号的输出中的正交信号误差。由于在机 械感测元件和从陀螺仪传感器接收调制的模拟信号并生成适合于利用数字微处理器处理 的解调数字信号的电子部件中的延迟，引入解调相位误差。用于减轻偏移漂移误差的现有 解决方案包括复杂的闭环反馈电路，其增加了陀螺仪传感器系统的成本、复杂性和电功率 消耗。因此，利用减少的偏移漂移误差对处理振动陀螺仪传感器中生成的信号的电路的改 进将是有利的。
【发明内容】
[0005] 在一个实施例中，传感器电路生成对应于陀螺仪传感器的输出的输出信号，其中 该传感器电路去除来自陀螺仪的输出信号的偏移漂移中的一些或全部。该电路包括:第一 解调器，被配置为从所述陀螺仪中的感测元件的输出接收调制信号，所述第一解调器参考 所述调制信号生成同相解调信号；第二解调器，被配置为从所述陀螺仪中的所述感测元件 的输出接收所述调制信号，所述第二解调器参考所述调制信号生成正交相位解调信号；以 及数字处理器，被配置为接收来自所述第一解调器的输出的解调的同相信号和来自所述第 二解调器的输出的解调的正交相位信号。所述数字处理器被配置为参照同相解调信号和正 交相位解调信号生成对应于所述陀螺仪沿预定轴的旋转的输出信号，以从所述同相信号去 除所述正交相位信号的一部分。
【附图说明】
[0006] 图1是在监测陀螺仪的一个或多个轴的输出并去除来自陀螺仪输出的偏移漂移误 差的电路中的功能单元的方框图。
[0007] 图2是监测沿一个或多个轴的陀螺仪的输出并去除来自陀螺仪输出的偏移漂移误 差的电路的不意图。
【具体实施方式】
[0008] 下面的描述和附图提供本文中公开的系统和方法的环境的大体理解，以及该系统 和方法的细节。在附图中，类似的附图标记通篇用于指明类似的元件。
[0009] 如本文所使用的，术语同相信号指的是来自传感器(诸如陀螺仪传感器)的承载对 应于在操作期间传感器测量的属性的来自传感器的信息的信号。例如，来自振动型陀螺仪 的同相信号是对应于陀螺仪传感器中的振动元件的运动的调制信号。
[0010] 如本文所使用的，术语正交信号指的是具有与同相信号的正交相位(90°相位偏 移）的来自传感器的另一信号。正交相位信号也被称为正交误差信号。理想的是，同相信号 与正交相位信号完全分离。然而，在实际电路中，相位偏移误差可能使得难以测量仅同相信 号。
[0011]如本文所使用的，术语相位偏移误差指的是由传感器信号的生成和传感器信号的 测量之间的时间延迟产生的在来自陀螺仪传感器的信号的测量中的误差。在测量来自传感 器的信号的电路中的陀螺仪或其他部件的感测元件中的固有延迟产生相位偏移误差。相位 偏移误差导致正交相位信号的一部分在时间上移位而与同相信号的一部分重叠。因此，相 位偏移误差导致正交相位误差信号的一部分的包括被包括在测量的同相信号中，这可能导 致在陀螺仪的输出的测量中不可接受的大的误差。相位延迟误差在个体陀螺仪传感器和测 量电路之间变化，并且可以随着时间的推移而变化，这归因于在安装基板上的陀螺仪传感 器的物理配置并且归因于环境因素如背景温度。如下面更详细地描述的，信号处理电路测 量同相和正交相位信号两者，并从同相信号的测量结果去除正交相位信号的一部分，以减 少或消除该相位偏移误差在来自陀螺仪传感器的测得信号中产生的测量误差。
[0012]图1是包括陀螺仪传感器102和同相正交相位(I / Q)解调器120的系统100的功能 图，该解调器120解调来自陀螺仪传感器102的调制输出信号。在陀螺仪中，振动构件以预定 频率振荡以生成同相调制力104,其产生对应于陀螺仪传感器的旋转的同相速率信号。陀螺 仪102还经历正交相位力108,其从同相力104相移90° (31/2弧度）。每当陀螺仪感测元件102 在工作，正交相位力108产生在感测质量116中的振荡。当陀螺仪感测元件102旋转时，同相 力104还产生除了正交相位力108以外的感测质量116的振荡，作为由图1中的节点112所描 绘的矢量和。感测质量116在陀螺仪传感器102中振荡，并且在感测质量116上的电极与在陀 螺仪传感器102中的固定电极形成电容器。当陀螺仪传感器102旋转时，同相力104和正交相 位力1〇8(它们被在节点112处被加和以用于图1中的图示目的）二者引入不同于感测质量 116的自然振荡的感测质量116的调制运动。感测质量116的调制运动生成能够使用电气电 路来测量的在陀螺仪传感器102中的调制电容信号。
[0013] 感测质量116通过传递函数Hs(j ω )来表征。感测质量116响应于速率和正交力而 振荡。当被陀螺仪的旋转期间在感测质量116中产生振荡运动的速率和正交力作用时，感测 质量116经历振荡中的延迟。该延迟产生相位偏移误差，其导致在同相信号104的测量期间 测量到正交相位信号1 〇 8的一部分。相位偏移误差利用以下等式来逼近： Φ % #€^)/(TVr)，其中Το是预定的参考温度，而Τ是陀螺仪的当前工作温度。Φ(Τ〇)的 值是在参考温度To下通过校准过程凭经验识别的，诸如在制造陀螺仪期间或通过校准过 程。函数/(?.轉近似为/:(?灯·'浐其中，。(）=13也1'()和^=6{>。了。4..；^;/ + ??//；/…系数bQ，bdPao. . .an的数值是在陀螺仪在参考温度To下工作时测量 来自陀螺仪的样本的校准过程期间凭经验识别的。
[0014] 在本系统100中，同相解调器124生成对应于来自感测质量116的输出信号的同相 分量的解调信号。在图1的配置中，同相模块132引入单位增益到来自解调器124的解调的同 相信号。在另一配置中，同相模块132的增益对应于的值，而不是单位增益。正交相 位解调器128生成解调正交相位信号參的相变对应于所识别的相位误差#。因此，相 位偏移误差校正模块136将解调正交相位信号乘以货=··_#的缩放因子，其对应于所识别的 相位误差.，具有用于从对应的同相信号减去解调正交相位信号的一部分的负（_)缩放因 子。I / Q解调器120去除由于相位延迟误差而被包括在所测量的同相信号中的正交相位信 号的一部分。加法器140从组合的同相和缩放的正交相位解调信号生成输出信号。在图1的 实施例中，加法器140生成同相解调信号和缩放的正交相位解调信号之间的差。在另一配置 中，当缩放因子梦=1取代在图1中图示的#:=·· Φ缩放因子时，加法器单元140是生成同 相信号和缩放的正交相位信号之间的差的减法单元。
[0015] 图2是包括被电连接到振动型陀螺仪的输出以减少或消除在陀螺仪的输出信号中 的相位延迟误差的I / Q解调器的系统200的一个实施例的示意图。该系统200包括陀螺仪 感测元件202、感测通道208Α、208Β和208C、电容至电压转换器220、幅度调节器224、锁相环 (PLL)228、温度传感器236和数字处理设备244。
[0016] 在系统200中，感测元件202是例如在移动电子设备中使用的MEMS陀螺仪或任何其 他合适的振动型陀螺仪之类的振动型陀螺仪。在图2的实施例中，感测元件202包括感测绕 三个感测轴204A、204B和204C旋转的感测元件，每一个感测元件被配置为生成对应于振动 元件的运动以及分别沿着x、y和z轴中的每个的陀螺仪的对应旋转的信号。x、y和z轴对应于 在物理世界中的旋转的三个正交轴。在另一个实施例中，陀螺仪仅包括一个轴或布置在多 个轴上的多个感测元件的不同配置。驱动轴206接收在感测轴204A、204B和204C中的每个的 振动构件中生成振荡的电驱动信号。驱动轴206以预定频率驱动感测质量，以使能轴204A-204C中的每个以预定频率振荡。
[0017] 在图2,感测通道208A被电连接到感须_204A的输出。感须彳通道208A包括电容至 电压转换器210,其响应于来自感测轴204A的调制电容输出而生成电压信号。在一个实施例 中，PLL 228使用形成有低相位噪声属性的宽带II型半导体PLL来实施，以防止正交误差信 号与解调时钟信号的相互混合。在系统200中，感测通道208B和208C以与感测通道208A同样 的方式被配置为生成分别对应于来自感测轴204B和204C的解调信号的数字数据。感测通道 208A进一步包括I / Q解调器，其包括同相解调器212和正交相位解调器216。同相解调器 212和正交相位解调器216两者被电连接到电容至电压转换器210的输出以接收来自感测轴 204A的调制输出电压信号。在图2的实施例中，同相解调器212和正交相位解调器216被实 施为响应于来自PLL 228的同相和正交相位输出的切换信号而对电容至电压转换器210的 输出进行解调的斩波电路。如下面更详细描述的，同相解调器212被连接到PLL 228的同相 输出，以及正交相位解调器216被连接到PLL 228的正交输出，其具有与同相输出信号的3T/2 弧度(90°)的相位偏移。同相解调器212和正交相位解调器216生成分别对应于来自感测轴 204A的调制输出信号的同相和正交相位分量的解调的模拟信号。模数转换器(ADC)214和 218生成分别对应于解调器212和216的输出的数字输出数据。在一个实施例中，ADC 214和 218是Δ -Σ (delta-sigma)调制器，该调制器包括单比特四阶ADC 214和二阶ADC 218,其对 来自解调器212和216的模拟信号过采样。
[0018] 在系统200中，该驱动轴206从幅度调节器电路224接收电驱动信号。幅度调节器电 路224控制用于感测元件202中的驱动轴206的电驱动信号的幅度，其将感测元件202的振荡 的幅度维持在预定水平。该PLL 228和幅度调节器224控制在闭环配置中的驱动轴206,其中 驱动轴206的输出被供应给电容至电压转换器220,电容至电压转换器220生成对应于驱动 轴206的振荡的输出电压。PLL 228从电容至电压转换器220接收输出信号，并生成跟踪信号 输出，以控制到驱动轴206的信号的频率和相位。该PLL 228生成时变信号，该时变信号跟踪 陀螺仪感测元件202中的移动构件的振荡的固有频率。PLL 228生成同相输出信号，其控制 幅度调节器224的操作以操作驱动轴206,并且来自PLL 228的同相输出信号还控制同相解 调器212 JLL 228包括相位延迟电路，其生成具有与同相信号的V2弧度(90°)的移位相位 的移位正交相位输出，以控制正交相位调制器216的操作。
[0019]在系统200中，驱动轴206和解调器212和216都是由来自单个PLL 228的输出信号 驱动。如上所述，感测轴204A-204C以及系统200中的其他部件在来自感测元件202的同相和 正交相位输出信号中引入相位偏移误差。来自PLL 228的同相和正交相位信号也被供应给 解调器212和216。现有技术感测电路尝试从同相信号过滤或分离正交相位信号，由于仅同 相信号包括来自陀螺仪200中的感测元件的有用信息。然而，在系统200中，来自感测元件 202的信号的正交相位分量不被丢弃。替代地，正交相位解调器216和ADC 218生成对应于解 调正交相位信号的数字数据。如下面更详细描述的，根据在系统200中的相位偏移误差来缩 放解调正交相位信号，并且缩放的正交相位信号分量被从输出信号的同相分量去除，以减 少或消除输出信号中的相位偏移误差的影响。
[0020] 在系统200中，温度传感器236包括温度感测元件238和ADC 240。在一个实施例中， 温度感测元件238是与绝对温度成比例(PTAT)传感器元件。温度感测元件238生成对应于感 测元件202的温度的模拟信号，并且ADC 240将模拟信号转换成供处理器244附加处理的数 字数据。在一个实施例中，ADC 240是递增操作的二阶Δ - Σ调制器。温度传感器236提供用 于识别正交相位解调信号数据的缩放因子的温度数据。测得的同相信号和正交相位误差信 号之间的相位偏移误差和对应的重叠的大小取决于感测元件202的温度。
[0021] 在系统200中，数字处理器244被体现为被配置为接收来自同相ADC 214、正交相位 ADC 218和温度传感器ADC 240的数字解调信号数据的微处理器、微控制器、数字信号处理 器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他数字处理设备。在一 个实施例中，包括机械感测元件202、感测通道208A-208C、温度传感器236、幅度调节器224、 PLL 228和数字后端244的整个系统200被集成到使用例如CMOS工艺、MEMS工艺的单个物理 封装中。附加实施例包括系统200的机械、模拟电气和数字电子部件的组合。在图2的实施例 中，数字处理器244进一步被配置为从感测通道208B和208C中的ADC接收数据，以使能分别 监测在感测元件202中的感测轴204B和204C。
[0022]图2描绘数字处理器244执行以生成对应于来自感测元件202的信号的数字输出数 据的操作的示意性配置。在图2的实施例中，处理器244将低通滤波器248、250和252分别应 用于来自温度传感器236、同相解调器212和正交相位解调器216的数字数据。处理器244利 用乘法器256将温度传感器236的滤波输出读数乘以常数值 C1，并利用加法器260加上常数 值co。常数co和(^的值是预定常数，其存储在与数字处理器244相关联的存储器中，并在上文 参考函数/(:??被描述。加法器260的输出对应于/(ΤφΓ)方程的结果，其中T是从温度 传感器236接收的感测元件202的电容温度读数。处理器244包括乘法器264,其将加法器260 的输出乘以对应于来自滤波器252的正交相位解调信号的数字数据，以生成对应于解调的 正交相位信号数据的缩放版本的数字数据。如上所述，乘法器264还引入负因子(W = Φ) 到乘法处理，以产生对应于解调的正交相位信号数据的负缩放值。
[0023] 数字处理器244使用加法器268将来自滤波器250的同相信号的数字数据与乘法器 264的缩放正交相位误差信号输出相加以生成组合的输出信号。来自加法器268的组合输出 信号对应于测得的同相信号和缩放的正交相位误差信号之间的差。因此，由于在系统200中 的相位偏移误差引入正交相位误差信号的一部分到同相信号中，数字处理器244利用加法 器268从同相解调信号数据中去除正交相位分量。如上所述，数字处理器244基于来自温度 传感器236的温度数据并且参照用于陀螺仪感测元件202的校正数据来动态地调整缩放因 子，以补偿在系统200的工作期间发生的相位偏移误差的变化。在一个实施例中，数字处理 器244执行作为软件程序的部分的所存储的程序指令来执行滤波器248、250和252、乘法器 256和264、以及加法器260和268的功能。
[0024]本领域的技术人员将认识到，可以对上述具体实施方案做出许多修改。因此，所附 的权利要求并不限于图示和以上描述的特定实施例。如原始给出的以及如它们可能被修改 的权利要求包含在此公开的实施例和教导的变型、替代、修改、改进、等同物和实质等同物， 包括目前无法预料或无法认识的并且例如可以由
【申请人】/专利权人及他人产生的那些。
【主权项】
1. 一种用于处理来自陀螺仪的信号的电路，包括： 第一解调器，被配置为从所述陀螺仪中的感测元件的输出接收调制信号，所述第一解 调器参考所述调制信号生成同相解调信号； 第二解调器，被配置为从所述陀螺仪中的所述感测元件的输出接收所述调制信号，所 述第二解调器参考所述调制信号生成正交相位解调信号；以及 数字处理器，被配置为接收来自所述第一解调器的输出的解调的同相信号和来自所述 第二解调器的输出的解调的正交相位信号，所述数字处理器被配置为： 参照同相解调信号和正交相位解调信号生成对应于所述陀螺仪沿预定轴的旋转的输 出信号，以从所述同相信号去除所述正交相位信号的一部分。2. 如权利要求1所述的电路，所述数字处理器被进一步配置为： 生成对应于所述正交相位信号的数据乘以缩放因子的乘积的缩放数据，以减小数字数 据的绝对值； 利用对应于在对应于所述同相信号的数据和所述缩放数据之间的差的另一数据生成 所述输出信号。3. 如权利要求2所述的电路，还包括： 温度传感器，被配置为生成对应于所述陀螺仪的温度的信号。4. 如权利要求3所述的电路，所述温度传感器还包括： 与绝对温度成比例(PTAT)传感器元件;和 第三ADC，其电连接到所述PTAT传感器元件的输出并且被配置为生成对应于由所述 PTAT生成的信号的数字温度数据。5. 如权利要求3所述的电路，其中所述数字处理器可操作地连接到所述温度传感器的 输出，并且所述数字处理器被进一步配置为： 从所述温度传感器接收对应于所述陀螺仪的温度的数据； 参考所述陀螺仪的温度调整所述缩放因子;和 将对应于所述正交相位信号的数据乘以调整后的缩放因子，以减小对应于所述正交相 位信号的数字数据的绝对值。6. 如权利要求1所述的电路，还包括： 锁相环电路，其可操作地连接到所述第一解调器和所述第二解调器，所述锁相环被配 置为： 接收对应于在所述陀螺仪中的驱动轴的运动的信号； 生成第一信号以控制所述第一解调器，所述第一信号是响应于来自所述驱动轴的信号 以预定频率利用第一相位生成的;和 以所述预定频率利用第二相位生成第二信号来控制所述第二解调器，所述第二相位与 所述第一相位不同。7. 如权利要求6所述的电路，其中所述第二相位与所述第一相位不同大约V 2弧度。8. 如权利要求6所述的电路，还包括： 电容至电压转换器，其电连接到在所述陀螺仪中的所述驱动轴的输出；并且 所述锁相环电路电连接到所述电容至电压转换器的输出，以使所述锁相环电路能够接 收来自在所述陀螺仪中的所述驱动轴的信号。9. 如权利要求1所述的电路，还包括： 电容至电压转换器，其电连接到在所述陀螺仪中的所述感测元件的输出； 所述第一解调器电连接到所述电容至电压转换器的输出，以接收来自所述电容至电压 转换器的调制信号;并且 所述第二解调器电连接到所述电容至电压转换器的输出，以接收来自所述电容至电压 转换器的调制信号。10. 如权利要求1所述的电路，还包括： 第一模数转换器(ADC)，其电连接到所述第一解调器的输出且被配置为生成对应于所 述同相解调信号的数字数据； 第二模数转换器(ADC)，其电连接到所述第二解调器的输出且被配置为生成对应于所 述正交相位解调信号的数字数据;并且 所述数字处理器连接到所述第一 ADC的输出以接收对应于所述同相解调信号的数字数 据，并且所述数字处理器连接到所述第二ADC的输出以接收对应于所述正交相位解调信号 的数字数据。11. 如权利要求10所述的电路，其中所述第一ADC和所述第二ADC是Δ - Σ调制器。
【文档编号】B81B7/02GK105874303SQ201480058557
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年8月19日
【发明人】C·D·伊泽科维
【申请人】罗伯特·博世有限公司