角速度传感器的数字化驱动控制集成电路制造技术

本发明专利技术公开了一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，所述数字化驱动控制集成电路包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref。该驱动控制电路采用数字方波起振、数字正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围、噪声性能、建立时间、失真度和集成化水平都有了明显的提升。而且在驱动电路各方面性能都有所提高的情况下，将其面积大幅度缩小，解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题，适用于高精度高稳定性极小型化的角速度传感器的驱动电路。

Digital drive control integrated circuit of angular velocity sensor

The invention discloses a digital drive control integrated circuit an angular velocity sensor, the digital drive control integrated circuit includes a transimpedance amplifier, a comparator, an analog-to-digital converter, digital geophone, digital PI controller, nonlinear digital multiplier, DAC, two choose more than one way selector and a digital control reference voltage source Vref. The drive control circuit adopts digital square wave oscillator, digital sine wave oscillation mode to maintain the angular velocity sensor driving, the driving circuit structure of the circuit input voltage range, noise performance, setup time, distortion and integration level have been promoted obviously. But improved in all aspects of driving circuit performance, the area greatly reduced, to solve the power on the early precision analog-to-digital converter and digital circuit group delay problems caused by no vibration, drive circuit angular velocity sensor suitable for high precision and high stability of the very small.

【技术实现步骤摘要】
角速度传感器的数字化驱动控制集成电路
本专利技术属于传感器
，涉及一种全新结构的角速度传感器数字化驱动控制集成电路。
技术介绍
角速度传感器是航天、国防和工业领域中重要的传感器之一，其在飞行器和武器系统中的应用已经日渐广泛。我国近些年对角速度传感器的研究也日趋成熟，随着飞行器和武器系统性能的不断提高，对角速度传感器的各方面性能的要求也不断提高，其驱动控制电路的低噪声、高稳定性、低失真度和高度集成化是保证角速度传感器高性能及其大范围应用的前提条件。角速度传感器驱动电路的设计普遍采用具有幅值控制功能的模拟自激驱动电路。由于角速度传感器驱动模态具有极高的品质因子Q，所以多数采用模拟方波信号激励的驱动方式。然而，方波激励的驱动方式虽然在石英角速度敏感元件的起振和驱动电压幅值的调整范围方面具有明显的优势，但是方波激励的驱动电路会在响应信号中引入相位噪声，同时也会产生驱动频率的奇次谐波分量，使驱动环路中产生较高的噪声，大大降低了驱动环路的信噪比。而正弦波激励的驱动电路建立时间较长，电压幅值调整范围较小，但其在角速度传感器驱动环路建立起稳定的振荡后具有良好的噪声性能。模拟信号驱动方式容易引入噪声问题和失真问题，容易被外界耦合信号干扰，不方便补偿。为了降低温度敏感性，还有大量的外围电容电阻器件，造成了集成化程度不够高的问题。数字信号驱动方式由于模数转换器精度有限，且数字电路的群延迟问题的存在，可能会造成上电不起振的情况。
技术实现思路
鉴于角速度传感器驱动电路单独采用模拟方波激励、模拟正弦波激励的驱动方式都存在各自缺陷的问题，本专利技术提供了一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路。该驱动控制电路采用数字方波起振、数字正弦波维持振荡的方式对角速度传感器进行驱动，整个驱动电路结构使电路的输入电压范围、噪声性能、建立时间、失真度和集成化水平都有了明显的提升。而且在驱动电路各方面性能都有所提高的情况下，将其面积大幅度缩小，解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题，适用于高精度高稳定性极小型化的角速度传感器的驱动电路。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref，其中：陀螺等效电路模型的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器的输入端和模数转换器的驱动信号输入端；模数转换器的一个输出端连接数字检波器输入端，另一个输出端连接数字非线性乘法器的一个输入端；数字检波器的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器的输入端连接，数字PI控制器的输出端连接数字非线性乘法器的另一个输入端；数字非线性乘法器的输出端连接数模转换器的输入端；数模转换器的输出端连接二选一多路选择器的一个输入端，比较器的输出端连接二选一多路选择器的另一个输入端；二选一多路选择器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。本专利技术具有如下的优点：1、本专利技术角速度传感器模型输出信号经过跨阻放大器放大后，直接进入模数转换器转换为数字信号，之后的信号处理部分全部为数字信号处理部分，正弦驱动信号经过数模转换器转换为高低电平的高频密度信号通过二选一多路选择器直接返回减速度传感器机械结构中，在保证高精度的前提下大幅度降低了角速度传感器数字驱动控制集成化电路的芯片面积，拥有高度集成化的优点。2、本专利技术通过内部时钟信号控制二选一多路选择器控制信号切换，使驱动电路在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号，兼顾了正弦驱动和方波驱动方法的优点，使角速度传感器数字驱动控制集成化电路拥有起振速度快的优点，并且解决了上电初期由于模数转换器精度不够及数字电路群延迟问题导致的不能起振问题。附图说明图1为角速度传感器的数字化驱动控制集成电路的原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述角速度传感器驱动控制电路包括跨阻放大器(101)、模数转换器(102)、数字检波器(103)、数字PI控制器(104)、数字非线性乘法器(105)、数模转换器(106)、二选一多路选择器(107)、比较器(108)和数字控制参考电源Vref，其中：陀螺等效电路模型(100)的内部由噪声等微弱信号在环路中产生自激振荡作为输出，陀螺等效电路模型(100)的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器(101)的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器(101)的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器(108)的输入端和模数转换器(102)的驱动信号输入端；模数转换器(102)的一个输出端连接数字检波器(102)输入端，模数转换器(102)的另一输出端连接数字非线性乘法器(105)的一个输入端；数字检波器(102)的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器(104)的输入端连接，数字PI控制器(104)的输出端连接数字非线性乘法器(105)的另一个输入端；数字非线性乘法器(105)的输出端连接数模转换器(106)的输入端；数模转换器(106)的输出端连接二选一多路选择器(107)的一个输入端，比较器(108)的输出端连接二选一多路选择器(107)的另一个输入端；二选一多路选择器(107)的输出端连接陀螺等效电路模型(100)的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器(107)通过内部时钟控制比较器(108)输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器(107)选择数模转换器(106)输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型(100)的驱动信号。数字控制参考电压源Vref由外部数字信号控制内部数字参考电压产生。本专利技术中，采用的模数转换器(102)的精度为16位，通过信噪比计算公式可以计算出可分辨最小信号幅度为22nV，由于角速度传感器表头起振阶段输出信号幅值很小，而数字电路本身存在群延迟，会造成反馈回传感器表头的驱动信号并不能及时到达，所以表头在此期间振动幅度会有较大衰减，当驱动信号到达的时候可能会造成表头输出信号幅度过小，调制器不能正确分辨信号幅值，从而引起驱动环路进入未知状态，不能稳定振荡。为了解决此问题，本专利技术采用起振阶段用比较器(108)直接将传感器表头输出信号转化为方波信号对表头进行最大幅值驱动，此方法没有延迟且驱动信号足够强，可以使角速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述数字化驱动控制集成电路包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref，其中：陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器的输入端和模数转换器的驱动信号输入端；模数转换器的一个输出端连接数字检波器输入端，另一个输出端连接数字非线性乘法器的一个输入端；数字检波器的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器的输入端连接，数字PI控制器的输出端连接数字非线性乘法器的另一个输入端；数字非线性乘法器的输出端连接数模转换器的输入端；数模转换器的输出端连接二选一多路选择器的一个输入端，比较器的输出端连接二选一多路选择器的另一个输入端；二选一多路选择器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振荡阶段，二选一多路选择器选择数模转换器输出数字正弦波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号。...

【技术特征摘要】
1.一种角速度传感器的数字化驱动控制集成电路，其特征在于所述数字化驱动控制集成电路包括跨阻放大器、比较器、模数转换器、数字检波器、数字PI控制器、数字非线性乘法器、数模转换器、二选一多路选择器和数字控制参考电压源Vref，其中：陀螺等效电路模型的微弱正弦激励信号输出端连接跨阻放大器的微弱正弦激励信号输入端；跨阻放大器的交流电压驱动信号输出端同时连接比较器的输入端和模数转换器的驱动信号输入端；模数转换器的一个输出端连接数字检波器输入端，另一个输出端连接数字非线性乘法器的一个输入端；数字检波器的电压信号绝对值输出端通过与数字控制参考电压源Vref叠加后与数字PI控制器的输入端连接，数字PI控制器的输出端连接数字非线性乘法器的另一个输入端；数字非线性乘法器的输出端连接数模转换器的输入端；数模转换器的输出端连接二选一多路选择器的一个输入端，比较器的输出端连接二选一多路选择器的另一个输入端；二选一多路选择器的输出端连接陀螺等效电路模型的驱动端，在起振阶段，二选一多路选择器通过内部时钟控制比较器输出方波激励信号作为陀螺等效电路模型的驱动信号；在持续振...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓为，邸昕鹏，尹亮，付强，陈伟平，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23