数字消除时钟抖动引起的噪声的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求保护mayer等人在2018年6月28日提交的题为“digitalcancelationofclockjitterinducednoise”的美国临时申请序列号62/691,576的优先权，该美国临时申请的公开内容由此整体地通过引用结合于本文。

本公开一般涉及陀螺仪传感器，并且更特别地，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：

陀螺仪通常被用于感测物体沿一个或多个旋转轴的旋转或姿态。例如，陀螺仪长期以来一直被用在海军舰艇、航空器和航天器中以识别飞行器的旋转，以及被用在稳定性控制系统中。最近，陀螺仪已经被结合在微机电（mem）设备中。虽然经典的陀螺仪围绕轴旋转，mems陀螺仪通常包括振动元件，该振动元件使用光刻工艺、在集成电路中形成，该集成电路适合于安装到印刷电路板或与其他电子组件一起安装。因为mems设备围绕轴旋转，振动元件的振荡平面倾向于保持恒定，并且来自mems传感器的调制电信号对应于用于mems设备的支撑围绕轴的姿态。一些mems设备包括：多个振动陀螺仪元件，其使得能够在三维空间中感测沿多个轴的旋转。

为了将陀螺仪不断扩展到更苛刻的ce应用中，可以观察到对asic实现方式的更小工艺节点的移动以及对更多数字中心设计的转变。实现向更数字化的转变的有效方式是在开始时将来自陀螺仪的信号数字化。

振动mems陀螺仪的输出具有两个主要信号分量：期望的所谓的速率信号和所谓的正交信号。后者是不想要的误差信号，其与速率信号相比具有相同的频率但是相移为90°。这种正交信号可以比需要由系统测量的满标度速率信号大若干倍。

由于正交信号具有与速率信号相同的频率，正交信号的采样将使振荡器的近载波（in-close）相位噪声折叠到信号带中，因此降低了系统的噪声性能。正交越大，噪声损失（penalty）越大。

由于当今mems陀螺仪的较大正交信号，陀螺仪输出的直接采样需要具有非常小时钟抖动的时钟信号，以避免在存在较大正交信号时该抖动的噪声折叠。

附图说明

图1描绘了用于消除数字陀螺仪中的时钟抖动引起的噪声的电路的第一实施例。

图2描绘了用于消除数字陀螺仪中的时钟抖动引起的噪声的电路的第二实施例。

图3描绘了用于消除数字陀螺仪中的时钟抖动引起的噪声的电路的第三实施例。

具体实施方式

出于促进理解本公开的原理的目的，现在将对在附图中图示并且在下面的书面说明书中描述的实施例做出参考。要理解的是，并不意图由此限制本发明的范围。进一步理解的是，本公开包括对图示实施例的任何更改和修改，并且包括本公开的原理的进一步应用，如本公开所属领域的普通技术人员通常会想到的那样。

如本文中使用的，术语同相信号指代来自传感器的信号，该传感器诸如陀螺仪传感器，其携带来自传感器的信息，该信息对应于传感器在操作期间测量的属性。例如，来自振动陀螺仪的同相信号是与陀螺仪传感器中的振动元件的运动相对应的调制信号。

如本文中使用的，术语正交信号指代来自传感器的另一信号，其与同相信号具有正交相位（90°相位偏移）。正交相位信号也被称为正交误差信号。理想地，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仅测量同相信号是困难的。

在高度数字化的陀螺仪中，利用adc不仅对速率信号（包括正交）进行采样，而且还对驱动部分的位移信号进行采样。该位移信号具有与在速率信道中进行采样所得到的正交信号相同的频率和相位。由于驱动信号利用相同的时钟进行采样，因此采样的驱动信号将具有与速率信号中的采样正交相同的被折叠到信号带中的近载波相位噪声。因此，我们可以从采样的速率信号减去采样的驱动信号，以消除速率信号中的时钟抖动引起的噪声。这种技术的优点在于它放松了pll的近载波相位噪声要求，因为它可以消除数字后端中的这种噪声，因此允许低功率pll实现方式。

与构建对功率和噪声折衷有很高限制的非常低噪声的振荡器相比，此处呈现的技术允许稍后在数字部分中消除时钟抖动引起的噪声。因此，振荡器的噪声要求变得不那么严格，并且可以实现好得多的功率和噪声折衷。

图1是开环陀螺仪电路100的一个实施例的示意图，该开环陀螺仪电路100被配置成从输出信号中消除时钟抖动引起的噪声。电路100包括陀螺仪102和集成电路103，诸如专用集成电路（asic）。陀螺仪102包括：至少一个感测元件108，以用于沿至少一个轴进行感测。陀螺仪102可以包括：三个感测元件108，以用于沿三个轴（例如，x，y，z）进行感测。陀螺仪还包括至少一个驱动轴110。

在电路100中，陀螺仪102是振动陀螺仪，诸如mems陀螺仪，其被用在移动电子设备或任何其它合适的振动陀螺仪中。感测元件108感测绕着三个感测轴的旋转，每个感测轴被配置成分别生成与振动元件的运动相对应的信号以及陀螺仪沿x、y和z轴中的每一个的对应旋转。x、y和z轴对应于物理世界中的三个正交旋转轴。在另一实施例中，陀螺仪包括被布置在多个轴上的多个感测元件的仅一个轴或不同的配置。

在图1中，asic103包括感测信道106、驱动信道104和数字处理器119、125。单独的感测信道106电连接到每个感测轴108的输出端。每个感测信道106包括模数转换器（adc）124和数字处理器125（即，数字后端）。数字处理器119、125被体现为微处理器、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。数字处理器125被配置成实现数字同相解调器126、数字正交相位解调器128和用于解调器的滤波器130、132。

同相解调器126经由adc124生成与来自相关联的感测信道106的数字化输出信号的同相分量（isense）相对应的解调信号。正交相位解调器128生成与来自adc124的数字化输出信号的正交相位分量（qsense）相对应的解调信号。数字处理器125将至少一个滤波器130滤波器（例如，低通滤波器）应用于来自同相解调器126的同相信号（isense），以及将至少一个滤波器132（例如，低通滤波器）应用于来自正交相位解调器128的正交相位信号（qsense）。

驱动轴110接收驱动信号，该驱动信号在每个感测轴108的振动构件中生成振荡。驱动轴110以预定频率驱动感测质量，以使得每个感测轴108能够以预定的频率振荡。驱动信道104连接到驱动轴110的输出端。驱动信道104包括adc112、用于解调驱动信号的同相分量（idrive）的数字同相解调器114、用于解调驱动信号的正交相位分量（qdrive）的数字正交相位解调器116以及用于对驱动信号的同相分量idrive进行滤波的至少一个滤波器118，例如低通滤波器。

驱动信道104还可以包括锁相环（pll）控制器120和幅度调节器122。正交相位解调器116的输出（qdrive）由幅度调节器122接收。幅度调节器122生成被往回馈送到驱动轴110的驱动信号。幅度调节器122控制驱动信号的幅度，以将陀螺仪102的振荡幅度保持在预定水平。解调器114、116和（一个或多个）滤波器118可以由数字处理器实现。

pll控制器120接收来自滤波器118的驱动信号的经滤波的同相分量（idrive），并且生成被提供给数字控制振荡器（dco）121的时钟控制信号。dco121基于时钟控制信号将时钟信号输出到解调时钟信号发生器123，该解调时钟信号发生器123生成用于i/q解调器114、116、126、128的解调时钟信号。

为了消除时钟抖动引起的噪声，来自滤波器118的驱动信号的经滤波的同相分量（idrive）和来自滤波器130的速率信号的经滤波的同相分量（isense）作为输入被提供给数字加法器/减法器134，其中从数字同相速率信号isense减去数字同相驱动信号（idrive），以从速率信号中消除时钟抖动引起的噪声。在到达加法器/减法器134之前，可以在乘法器131处通过缩放因子来缩放驱动信号的同相分量（idrive）。缩放因子由正交相位解调器128的输出设置，该输出在被至少一个滤波器132（例如，低通滤波器）滤波之后被提供给乘法器131。数字加法器/减法器134的输出是针对陀螺仪的相关联的感测轴的输出信号。

图2描绘了开环陀螺仪读出电路100’的另一实施例，其被配置成消除数字陀螺仪中的时钟抖动引起的噪声。图2表示对消除时钟抖动引起的噪声问题的更一般的解决方案。在图2中，电路100’包括陀螺仪102和asic103，该asic103具有至少一个驱动信道104和至少一个感测信道106。在图2的实施例中，驱动信道104包括adc112、数字pll控制器120和数字幅度调节器122。至少一个感测信道106包括adc124和数字信号处理140。在该实施例中，后端数字信号处理140被配置成从采样的速率信号减去采样的驱动信号，以消除速率信号中的时钟抖动引起的噪声。

图3的实施例类似于图1的实施例，除了用于同相驱动信号idrive的正交相位解调器114和滤波器118被结合到用于感测信道的数字处理电路中之外。在上述实施例中，感测和驱动adc可以由δ-σ调制器实现。另外，在上述实施例中，数字滤波器可以由抽取滤波器实现。

尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当看作是说明性的而非限制性的。理解的是，仅呈现了优选实施例，并且期望对落入本公开精神内的全部改变、修改和进一步的应用进行保护。