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(多图) 一种单轴MEMS陀螺仪信号处理电路设计

2011年12月30日 ?? 收藏0

2.1 闭环驱动稳定性分析

MEMS陀螺仪驱动方式有开环驱动和闭环驱动两种驱动方式。开环驱动结构简单,成本较低,但外加交流驱动电压的频率很难做到与驱动模态的固有频率一致。再者,一旦驱动模态的固有频率随温度或时间发生漂移,外加驱动交流电压的频率不能够跟踪驱动模态固有频率的变化,导致检测灵敏度降低。闭环驱动是利用MEMS传感器驱动轴的固有选频特性,再加上外加反馈电路,实现自激振荡,这种驱动方式由于工作在驱动轴的固有频率上,并能够跟踪驱动轴固有频率的变化,因而能够实现最大的检测分辨率。

闭环驱动时驱动环路工作在驱动轴的固有频率上,这种情况下驱动信号与驱动轴的位移变化之间的相位差为π/2,对应的驱动环路模型如图2所示。

驱动环路模型

如图2所示,整个环路为非线性电路,并只对相位敏感,对电压幅度不敏感。环路的稳定性分析采用时域分析方法。

设压控振荡器的输出为Vppcosθ,静电驱动力为Fdcosθ,位移x=acos(θ+φ),则

静电驱动力

静电驱动力

采用平均方法对式(11)进行化解,由于θ的变化速度要远远>φ和VLF的变化速度,根据平均方法,sin(2θ+2φ)、cos(2θ+2φ)、cos(2θ+φ)均为0,则式(11)可化解为

平均方法

对于式(12)和式(13)组成的一阶微分方程组,可以通过劳斯判据判定其稳定性,其稳态下的Jacobian矩阵为

稳态下的Jacobian矩阵

根据控制理论,对于二阶系统,其Q值在0.707时系统稳定并响应最快。因此,在其他条件已知的情况下,该环路最优响应对应的滤波器电容为

最优响应对应的滤波器电容


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传感器? 闭环驱动? 电容电压转换? PCB?

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