微機械陀螺的閉環(huán)驅動(dòng)電路的設計與實(shí)現

　　引言

　　在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，依托現代微機械加工技術(shù)制作的微機械陀螺(MEMS陀螺)已經(jīng)成為現代陀螺的代表。微機械陀螺外部接口電路可分為驅動(dòng)電路和檢測電路兩個(gè)部分：驅動(dòng)電路維持陀螺可動(dòng)梳齒沿驅動(dòng)方向以固有頻率做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并保持振幅的穩定;檢測電路則把由輸入角速度引起的梳齒間電容變化轉化成相應大小的電信號，處理得到輸入角速度大小。

　　驅動(dòng)信號的頻率和驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率相等，即陀螺工作在諧振狀態(tài)時(shí)，此時(shí)驅動(dòng)模態(tài)振動(dòng)幅度最大，電容變化量也最大，檢測靈敏度最高。然而，硅是一種熱敏材料，外界環(huán)境因素的細微變化，驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率以及品質(zhì)因素會(huì )隨著(zhù)發(fā)生漂移。如果驅動(dòng)信號的頻率不能保持恒定，將導致振幅的變化，進(jìn)而影響陀螺的檢測精度。因此設計一個(gè)能夠跟隨驅動(dòng)模態(tài)固有頻率變化并維持恒定振幅的驅動(dòng)電路是至關(guān)重要的，也成為微機械陀螺接口電路設計最關(guān)鍵的環(huán)節之一。

　　本文以北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的803電容式靜電驅動(dòng)微機械陀螺為研究對象，重點(diǎn)分析了它的閉環(huán)驅動(dòng)電路，對關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行了分析和設計實(shí)現。

　　閉環(huán)驅動(dòng)電路分析與設計

　　閉環(huán)驅動(dòng)原理

　　電容式微機械陀螺是一個(gè)機電耦合系統，其中存在電信號和機械振動(dòng)信號的相互轉化。電容式微機械陀螺工作的基本前提是使其在驅動(dòng)方向振動(dòng)起來(lái)，然后才能感知輸入角速度。本文中研究的陀螺是采用靜電驅動(dòng)電容檢測方式工作，使陀螺可動(dòng)梳齒做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而靜電力由外部的驅動(dòng)電路來(lái)提供。

　　由于電容式微機械陀螺的開(kāi)環(huán)驅動(dòng)電路，受外界環(huán)境因素的變化影響較大，不能夠確保陀螺驅動(dòng)模態(tài)諧振振幅的穩定性，導致陀螺在開(kāi)環(huán)驅動(dòng)電路驅動(dòng)下靈敏度低[1]。因此，為了提高陀螺的靈敏度和穩定性，提出了閉環(huán)驅動(dòng)電路方案。其基本思想是：通過(guò)檢測驅動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率和幅度，反饋以調整驅動(dòng)電壓的頻率和幅度，來(lái)提高陀螺運行的穩定性。

　　電容式微機械陀螺驅動(dòng)電路主要有兩種實(shí)現方式：自激驅動(dòng)方式和鎖相環(huán)方式。

　　實(shí)現方式分析

　　(1)自激驅動(dòng)方式

　　由于陀螺的驅動(dòng)模態(tài)是一個(gè)二階振蕩系統，其等效電氣模型可通過(guò)線(xiàn)性器件模型來(lái)加以分析。所以，類(lèi)似于電子正弦波振蕩器，陀螺驅動(dòng)同樣可以利用自激振蕩的方法來(lái)實(shí)現。自激振蕩形成了一個(gè)閉環(huán)系統：當驅動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率小于驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率時(shí)，AGC使環(huán)路的增益變大，閉環(huán)系統失去穩定，從而使驅動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度增大;同理，當驅動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率大于驅動(dòng)模態(tài)的固有頻率時(shí)，環(huán)路的增益變小，使驅動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度減小;系統環(huán)路增益最終保持恒定值，達到臨界穩定狀態(tài)。

　　自激驅動(dòng)系統原理框圖如圖1所示。微機械陀螺的驅動(dòng)檢測電容變化被C-V轉換模塊檢測出來(lái)，通過(guò)信號解調塊解調成相應的驅動(dòng)振動(dòng)幅度，然后由AGC反饋回路根據檢測的振動(dòng)幅度調相應的驅動(dòng)信號，使驅動(dòng)信號頻率向驅動(dòng)模態(tài)固有頻率靠攏。

　　(2)鎖相環(huán)方式

　　鎖相環(huán)(PLL)由鑒相器(PD)、低通濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，VCO除輸出外還反饋到PD，構成一個(gè)閉合的相位反饋控制系統[2]。其原理框圖如圖2所示。

　　鎖相環(huán)(PLL)本質(zhì)上是一個(gè)相位負反饋的自動(dòng)控制系統，相當于一個(gè)中心頻率可跟蹤目標信號頻率的窄帶帶通濾波器，因此鎖相環(huán)具有跟蹤功能。