[发明专利]小频差模态分离硅微陀螺仪的闭环检测系统

说明书

本发明公开了一种小频差模态分离硅微陀螺闭环检测系统，由前置模拟ASIC电路、数字信号前级滤波电路、乘法解调模块电路、校正器模块、SPI数字输出模块、sigma‑delta DAC数模转换器模块、反馈电压生成电路组成。本发明的重点在于校正器模块引入超前补偿，通过设置超前补偿的零极点参数、开环系统增益以及前级滤波器截止频率，降低陀螺频差处的相位衰减，在保证系统稳定性的前提下实现了大于陀螺模态频差的闭环检测带宽，同时采用交流量化技术，通过sigma‑delta ADC超采样在数字域实现解调滤波环节，避免相敏解调低频噪声引入角速度输出，降低系统噪声，实现了小频差模态分离硅微陀螺闭环检测系统。

技术领域

本发明涉及微电子机械系统和微惯性测量技术领域，特别针对小频差模态分离硅微陀螺仪的闭环检测控制方法和应用。

背景技术

硅微陀螺仪是基于哥式原理，对敏感轴的输入角速度进行测量，是MEMS技术和惯性技术相结合的产物。相比于传统陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成化、可批量生产等特点，这也使得其在军、民领域的应用越来越广阔。近年来对硅微陀螺仪的研究主要分为两个方向，一是结构和加工工艺，二是配套的测量控制电路。当敏感结构生产完成后，陀螺性能的体现就依赖于其测控电路和信号处理手段。

硅微陀螺检测电路按照控制方式分为开环检测和闭环检测两种，为了简化结构和电路设计，通常采用开环检测方式，它能满足硅微陀螺仪在低精度应用场合的性能要求。但是在开环检测模式中，受频差的制约，带宽是以牺牲灵敏度作为代价来获取的，检测通路信号抗干扰能力比较差，陀螺标度对电路参数的改变较为敏感。为了提高灵敏度，在模态分离的硅微陀螺仪中，驱动模态和检测模态谐振频率相差比较小，或者达到完全模式匹配时，开环检测带宽较窄，不能满足实际应用需求。同时，由于加工工艺的限制，同批次陀螺间频差存在离散性，在开环应用时导致每只陀螺的标度因数与带宽均不一致。

目前实现硅微陀螺仪闭环检测电路的方法主要有连续时间域方式、sigma-delta闭环检测方式、以及利用高精度ADC实现模数转换后在数字域构建sigma-delta调制器的双量化检测闭环的方式。例如专利CN112797968A提出的一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统，整个系统采用分立器件设计，从幅度调制检测电路的多个增益系数中预先确定出的幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数，然后对该增益系数进行放大调节，从而实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展，使用的是PI控制算法。

专利CN105758402B提出的一种利用高精度ADC实现模数转换后在数字域构建sigma-delta调制器的双量化检测闭环电路。为了保证环路的稳定性，必须确保sigma-delta调制器的输入不过载，因此在模拟域进行陀螺信号的解调滤波后再进行数字化处理，使输入数字系统的信号为解调后的角速度信号，同时为了补偿信号在谐振点的-180°相移，数字域的第一级处理电路设计相位补偿，通过补偿器的零点调整相位裕度。

控制模块最常用的是PI控制算法，但是其可实现的最大带宽必然小于陀螺仪自身的频差。另一方面，陀螺测量的角速度信号是低频信号，传统的检测方案在模拟域进行相敏解调和低通滤波后再进行数字化，解调及滤波环节1/f噪声均会叠加至数字化角速度输出中，陀螺检测电路中，相敏解调电路中的1/f噪声是制约硅微陀螺仪零偏不稳定性的关键，因此严重限制了陀螺整表的精度和实用性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种小频差模态分离硅微陀螺闭环检测系统，设计合理的校正器结构，通过PID算法并且在保证系统稳定性的前提下实现了大于陀螺模态频差的闭环检测带宽。另一方面，通过合理的数字量化方案减小信号处理各个环节引入电路的噪声，避免恶化硅微陀螺仪的零偏不稳定性，提高陀螺整表的精度和实用性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种小频差模态分离硅微陀螺闭环检测系统，包括：