硅微机械陀螺仪自激驱动闭环电路设计+电路图(3)
1.2 1.2 1.2 1.2 硅微机械陀螺仪驱动电路 硅微机械陀螺仪驱动电路 硅微机械陀螺仪驱动电路 硅微机械陀螺仪驱动电路1.2.1 硅微机械驱动电路简介硅微机械陀螺仪电路包括两部分 ： 驱动电路及检测电路 。 驱动电路主要是产生使可动质量块沿驱动方向作简谐振动的驱动电压 ， 同时还要提供检测电路幅度检波的调制波 。 工作时 ， 为了保证检测的精度 ， 就必须稳定驱动模块的振动速度幅度 。 驱动电路中一般包括驱动振幅检测电路和驱动反馈控制电路 ， 两个电路构成的回路可以使驱动模块的振动速度幅值稳定在预设值上。驱动电压一般为直流偏置电压与交流电压的叠加 ， 根据驱动交流电压的产生方式将陀螺仪的驱动分为两种形式 ： 1 ) 采用波形发生器产生交流电压的外加交流电压驱动方式 ， 这种方式是先通过实验测得驱动模态的固有频率 ， 再用波形发生器产生于固有频率一致的交流电压信号 ， 与直流偏置电压叠加后激励质量块在驱动方向上作简谐振动； 2 ）自激驱动方式，该方式的工作状态下，无需外加交流信号 ， 利用负阻尼原理进行反馈驱动 ， 且利用自激振荡的选频特性 ， 使谐振频率刚好对于驱动模态的固有频率。为了保证陀螺仪的检测灵敏度 ， 驱动信号频率必须与驱动模 态的固有频率一致 。 如果采用外加交流电压驱动方式 ， 就必须准确测定陀螺仪驱动模态的固有频率 。 但是陀螺仪结构设计理论值与实际结构有所偏差 ， 且温度 、 压力等变化都会引起驱动模态的固有频率发生变化 ， 再加上 Q 值很大 ， 会造成较大的输出信号偏移。另外，不同陀螺之间的固有频率的随机差异也较大，则电路的通用性较差 。总体看来 ， 外加的低频驱动频率与结构的固有频率将不可避免地产生偏差 ， 于是研究人员就提出来自激驱动方案。自激驱动主要是通过检测陀螺驱动端的输出信号 ， 并经过一系列处理 ， 重新反馈至驱动端进行驱动陀螺仪振动 。 其具体原理主要是通过驱动回路将噪声进行放大 ， 产生振荡信号对陀螺仪进行反馈驱动 ， 为了保证振荡不会超出电路的工作范围使电路失真 ， 电路中会加入自动增益控制系统以抑制电路的无限增长 。 自激驱动电路一旦上电工作 ， 系统就会工作在驱动模态的固有频率上 ， 且简谐振动的频率能够实时跟踪结构有温度等原因引起的固有频率变化，因此通用性较好 。
另外，由于工作在固有频率，驱动幅度较大，这样可以显著改善系统的动态性能 、提高测量精度、扩大量程范围。1.2.2 硅微机械陀螺仪驱动电路研究现状早期的硅微机械陀螺仪多采用外加交流电压的驱动方式 ， 因为此种电路结构比较简单，设计也相对方便。 Analog Device 公司和 Draper 实验室以及 L 公司在中电路的设计与制作方面比较领先。 Delco 公司研制的振动环型陀螺 CMOS 集成电路 ， 采用外加交流电压驱动 ， 包括四组不对称补偿电路和反馈电路 ， 工作温度范围为： 40 °— 85 ° 。不过由于对硅微机械陀螺仪的性能要求越来越高 ， 外加交流电压的驱动方式以及不能达到精度等的要求，所以各种改进驱动电路也相应的被设计出来了 。 通过反馈电路来调整硅微机械陀螺仪驱动方向的固有频率的方案可以保证外加交流电压频率与之匹配 ， 但是该种电路实现起来比较复杂 ， 所以自激驱动方式相比起来应用更加普遍。1997 年， Berkeley 大学研制出一种双轴硅微机械陀螺仪，该陀螺通过驱动检测梳齿产生一正比于转速的电流 ， 流入正反馈回路后 ， 一路转化为驱动电压加到驱动端 ， 另一路通过低通滤波和 PLL 转化为直流信号 ， 该直流信号可以反映振幅的大小 ， 直流与参考直流比较放大后可以控制可变增益放大器的增益 ， 通过可变增益运放来稳定幅值。2002 年， AD 公司生产的 ADXRS150/130 如图 1-1 所示，该芯片采用 BiCMOS工艺，驱动端的振动的 I/V 转换采用跨阻放大器检测，接着用锁相环实现相位的锁定 ， 同时采用自动增益控制电路来稳定振动幅度 ， 最后与直流电压叠加后为驱动电极提供驱动电压。