自时钟数字式微机械陀螺∑△M闭环检测电路系统技术方案

本发明专利技术提供一种自时钟数字式微机械陀螺∑△M闭环检测电路系统，包括：微机械陀螺仪、前置接口放大电路、多位模数转换器组件、FPGA、多位数模转换器、反馈开关及自时钟模块。本发明专利技术的自时钟数字式微机械陀螺∑△M闭环检测电路系统具有较高的自适应性、通用性和一致性。

Since the clock digital micro mechanical gyro sigma delta M closed-loop detection circuit system

The invention provides a digital clock from the micro mechanical gyro sigma delta M closed-loop detection circuit system, including: micro mechanical gyroscope, front interface circuit, ADC module, more than FPGA, a number of digital to analog converter, clock module and self feedback switch. The invention of the digital clock from the micro mechanical gyro sigma delta M closed-loop detection circuit system with high adaptability, versatility and consistency.

【技术实现步骤摘要】
自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统
本专利技术设计一种微机械轮式角振动陀螺仪的闭环力反馈检测电路，特别涉及一种自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM(Sigma-DeltaModulator)闭环检测电路系统。
技术介绍
微机械轮式角振动陀螺仪是一种用来测量物体相对于惯性空间转角或角速度的装置，通过驱动模态和敏感模态之间的科氏力(Coriolisforce)耦合作用实现角速率信号检测，而科氏力大小与陀螺惯性转动惯量(质量)、驱动模态振动速率成正比。因此，微机械陀螺接口电路系统中的信号处理精度与陀螺结构参数、微机械陀螺驱动模态振动速率之间有着非常强的相关性。参考“ElectromechanicalSigma-DeltaModulators(ΣΔM)ForceFeedbackInterfacesforCapacitiveMEMSInertialSensors:AReview”文中所述，基于ΣΔM调制器原理的微机械陀螺闭环检测电路系统，不仅具有科氏力反馈闭环控制的诸多优点，而且还能直接完成模数转换，输出数字式信号。微机械陀螺Sigma-deltaModulator(ΣΔM闭环检测电路系统的实现方式有两种，即模拟连续域(CT)实现方式和数字离散域(DT)实现方式。模拟连续域ΣΔM(CT-ΣΔM)闭环检测电路采用模拟器件实现，则不可避免存在由于模拟器件参数误差导致的系统性能下降等问题；数字离散域ΣΔM(DT-ΣΔM)闭环检测电路采用数字逻辑实现方式可集成于数字IC或者FPGA中，尽管在灵活性、稳定性和误差特性等方面有较大提高，但是随着微机械陀螺结构的日益复杂以及性能要求的进一步提高，传统的高精度微机械陀螺仍然需要其他额外的信号处理技术来辅助提高陀螺精度，例如陀螺校准技术、温度补偿技术和陀螺热启动等，因此降低了陀螺接口检测电路的自适应性、通用性和一致性，是制约高精度微机械陀螺仪产业化的一个重要因素。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出了一种简单容易实现、稳定性好、可移植性强的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，用于解决现有技术中硅微机械陀螺数字式电路系统在稳定性、自适应性和通用性等方面的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，所述自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统包括：微机械陀螺仪，用于于驱动模态产生驱动电容信号及于敏感模态产生敏感电容信号；前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成驱动电压信号，并将所述敏感电容信号转换成敏感电压信号；多位模数转换器组件，与所述前置接口放大电路相连接，用于将所述驱动电压信号转换成驱动数字量化信号，并将所述敏感电压信号转换成敏感数字量化信号；FPGA信号处理单元，所述FPGA信号处理单元包括数字自动增益控制模块、数字锁相环模块、数字补偿模块、ΣΔM调制器、1位数字量化模块、数字调解模块及降采样数字滤波模块；其中，所述数字自动增益控制模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定幅度控制；所述数字锁相环模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定相位控制；所述数字补偿模块、所述ΣΔM调制器及所述1位数字量化模块依次串联，用于对所述敏感数字量化信号的机械噪声、电噪声及量化噪声进行高阶整形抑制，以得到第一数字信号，其中，所述数字补偿模块与所述多位模数转换器组件相连接；所述数字调解模块与所述数字锁相环模块所述1位数字量化模块相连接，用于将所述数字锁相环模块输出的信号作为敏感模态的角速度解调参考信号，与所述第一数字信号进行解调得到第二数字信号；所述降采样数字滤波模块与所述数字调解模块相连接，用于将所述第二数字信号中的高频部分的整形噪声滤除，并降低采样率以得到最终的角速度数字信号；多位数模转换器，与所述数字自动增益控制模块、所述数字锁相环模块及所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述数字自动增益控制模块与所述数字锁相环模块处理后的信号转换成反馈信号反馈至所述微机械陀螺仪；反馈开关，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端及输出端，所述反馈开关的第一输入端与所述1位数字量化模块相连接，第二输入端与一反馈电压源相连接，第三输入端接地，所述输出端与所述微机械陀螺仪相连接，用于在所述第一数字信号的控制下将反馈电压或接地电压反馈至所述微机械陀螺仪；自时钟模块，一端与所述前置接口放大电路相连接，另一端与所述FPGA相连接，用于依据所述驱动电压信号产生自时钟信号作为所述FPGA的主时钟。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述微机械陀螺仪包括：中心锚点；环形转子组件，位于所述中心锚点外围，且与所述中心锚点具有间距；所述环形转子组件与所述中心锚点电连接，用于作为惯性转动单元并输入载波；电容梳齿，与所述环形转子组件相连接，用于驱动模态振荡的电容变化检测及加载反馈电压；下电容极板组件，位于所述环形转子组件的下方，且与所述环形转子组件具有间距；所述下电容极板组件用于敏感模态的平面外电容变化检测及加载反馈电压。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述环形转子组件包括：环形内框转子，位于所述中心锚点外围，且与所述中心锚点具有间距；所述环形内框转子与所述中心锚点电连接；环形外框转子，位于所述环形内框转子外围，且与所述环形内框转子具有间距；所述环形外框转子与所述环形内框转子电连接；所述电容梳齿位于所述环形外框转子的外围。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述下电容极板组件包括：下电容极板，位于所述环形内框转子的下方；电容，位于所述下电容极板与所述环形内框转子之间，一侧与所述下电容极板相连接，另一侧与所述环形内框转子相连接。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述前置接口放大电路包括：第一C/V前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成驱动电压信号；第二C/V前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成敏感电压信号。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述多位模数转换器组件包括：第一多位模数转换器，所述第一多位模数转换器的输入端与所述第一C/V前置接口放大电路相连接，所述第一多位模数转换器的输出端与所述数字自动增益控制模块及所述数字锁相环模块相连接；所述第一多位模数转换器用于将所述驱动电压信号转换成驱动数字量化信号；第二多位模数转换器，所述第二多位模数转换器的输入端与所述第二C/V前置接口放大电路相连接，所述第二多位模数转换器的输出端与所述数字补偿模块相连接；所述第二多位模数转换器用于将所述敏感电压信号转换成敏感数字量化信号。作为本专利技术的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统的一种优选方案，所述数字自动增益控制模块包括：幅值检测单元，与所述多位模数转换器组件相连接，用于依据驱动数字量化信号得到驱动幅值；幅值比较单元，与所述幅值检测单元及控制信号源相连接，用于将所述驱动幅值与控制信号进行比对，以得到误差信号；第一比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于，包括：微机械陀螺仪，用于驱动模态产生驱动电容信号及于敏感模态产生敏感电容信号；前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成驱动电压信号，并将所述敏感电容信号转换成敏感电压信号；多位模数转换器组件，与所述前置接口放大电路相连接，用于将所述驱动电压信号转换成驱动数字量化信号，并将所述敏感电压信号转换成敏感数字量化信号；FPGA，所述FPGA包括数字自动增益控制模块、数字锁相环模块、数字补偿模块、ΣΔM调制器、1位数字量化模块、数字调解模块及降采样数字滤波模块；其中，所述数字自动增益控制模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定幅度控制；所述数字锁相环模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定相位控制；所述数字补偿模块、所述ΣΔM调制器及所述1位数字量化模块依次串联，用于对所述敏感数字量化信号的机械噪声、电噪声及量化噪声进行高阶整形抑制，以得到第一数字信号，其中，所述数字补偿模块与所述多位模数转换器组件相连接；所述数字调解模块与所述数字锁相环模块所述1位数字量化模块相连接，用于将所述数字锁相环模块输出的信号作为敏感模态的角速度解调参考信号，与所述第一数字信号进行解调得到第二数字信号；所述降采样数字滤波模块与所述数字调解模块相连接，用于将所述第二数字信号中的高频部分的整形噪声滤除，并降低采样率以得到最终的角速度数字信号；多位数模转换器，与所述数字自动增益控制模块、所述数字锁相环模块及所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述数字自动增益控制模块与所述数字锁相环模块处理后的信号转换成反馈信号反馈至所述微机械陀螺仪；反馈开关，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端及输出端，所述反馈开关的第一输入端与所述1位数字量化模块相连接，第二输入端与一反馈电压源相连接，第三输入端接地，所述输出端与所述微机械陀螺仪相连接，用于在所述第一数字信号的控制下将反馈电压或接地电压反馈至所述微机械陀螺仪；自时钟模块，一端与所述前置接口放大电路相连接，另一端与所述FPGA相连接，用于依据所述驱动电压信号产生自时钟信号作为所述FPGA的主时钟。...

【技术特征摘要】
1.一种自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于，包括：微机械陀螺仪，用于驱动模态产生驱动电容信号及于敏感模态产生敏感电容信号；前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成驱动电压信号，并将所述敏感电容信号转换成敏感电压信号；多位模数转换器组件，与所述前置接口放大电路相连接，用于将所述驱动电压信号转换成驱动数字量化信号，并将所述敏感电压信号转换成敏感数字量化信号；FPGA，所述FPGA包括数字自动增益控制模块、数字锁相环模块、数字补偿模块、ΣΔM调制器、1位数字量化模块、数字调解模块及降采样数字滤波模块；其中，所述数字自动增益控制模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定幅度控制；所述数字锁相环模块与所述多位模数转换器组件相连接，用于对所述驱动数字量化信号进行稳定相位控制；所述数字补偿模块、所述ΣΔM调制器及所述1位数字量化模块依次串联，用于对所述敏感数字量化信号的机械噪声、电噪声及量化噪声进行高阶整形抑制，以得到第一数字信号，其中，所述数字补偿模块与所述多位模数转换器组件相连接；所述数字调解模块与所述数字锁相环模块所述1位数字量化模块相连接，用于将所述数字锁相环模块输出的信号作为敏感模态的角速度解调参考信号，与所述第一数字信号进行解调得到第二数字信号；所述降采样数字滤波模块与所述数字调解模块相连接，用于将所述第二数字信号中的高频部分的整形噪声滤除，并降低采样率以得到最终的角速度数字信号；多位数模转换器，与所述数字自动增益控制模块、所述数字锁相环模块及所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述数字自动增益控制模块与所述数字锁相环模块处理后的信号转换成反馈信号反馈至所述微机械陀螺仪；反馈开关，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端及输出端，所述反馈开关的第一输入端与所述1位数字量化模块相连接，第二输入端与一反馈电压源相连接，第三输入端接地，所述输出端与所述微机械陀螺仪相连接，用于在所述第一数字信号的控制下将反馈电压或接地电压反馈至所述微机械陀螺仪；自时钟模块，一端与所述前置接口放大电路相连接，另一端与所述FPGA相连接，用于依据所述驱动电压信号产生自时钟信号作为所述FPGA的主时钟。2.根据权利要求1所述的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于：所述微机械陀螺仪包括：中心锚点；环形转子组件，位于所述中心锚点外围，且与所述中心锚点具有间距；所述环形转子组件与所述中心锚点电连接，用于作为惯性转动单元并输入载波；电容梳齿，与所述环形转子组件相连接，用于驱动模态振荡的电容变化检测及加载反馈电压；下电容极板组件，位于所述环形转子组件的下方，且与所述环形转子组件具有间距；所述下电容极板组件用于敏感模态的平面外电容变化检测及加载反馈电压。3.根据权利要求2所述的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于：所述环形转子组件包括：环形内框转子，位于所述中心锚点外围，且与所述中心锚点具有间距；所述环形内框转子与所述中心锚点电连接；环形外框转子，位于所述环形内框转子外围，且与所述环形内框转子具有间距；所述环形外框转子与所述环形内框转子电连接；所述电容梳齿位于所述环形外框转子的外围。4.根据权利要求3所述的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于：所述下电容极板组件包括：下电容极板，位于所述环形内框转子的下方；电容，位于所述下电容极板与所述环形内框转子之间，一侧与所述下电容极板相连接，另一侧与所述环形内框转子相连接。5.根据权利要求1所述的自时钟数字式微机械陀螺ΣΔM闭环检测电路系统，其特征在于：所述前置接口放大电路包括：第一C/V前置接口放大电路，与所述微机械陀螺仪相连接，用于将所述驱动电容信号转换成驱动电压信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31