穩定系統中的慣性MEMS的頻率響應分析方案

　　為快速評估與這些濾波器相關(guān)的時(shí)間延遲，請注意單極濾波器的相位延遲在-3 dB頻率下等于45°，也就是轉折頻率周期的1/8.在此情況下，加速度計的濾波器的時(shí)間延遲大約等于0.38 ms.對于陀螺儀，延遲等于兩級的時(shí)間延遲的總和，約為0.47 ms.

　　均值/抽取濾波器級

　　圖3說(shuō)明了兩個(gè)均值/抽取濾波器級的使用，它們可以降低級的輸出采樣速率，并且提供額外的濾波。在具有有限脈沖響應（FIR）的數字濾波器中，相位延遲等于總抽頭數的一半，除以每個(gè)抽頭的采樣速率。在第一個(gè)濾波級，采樣速率為9.84 kHz.有四個(gè)抽頭，在此種類(lèi)型的濾波器中，這個(gè)數字等于均值數量。相位延遲約為0.2 ms.均值濾波器的幅度響應遵循這種關(guān)系。

　　使用MATLAB進(jìn)行分析時(shí)，請使用9.84 kSPS的采樣速率（fs）和4個(gè)抽頭（N），以及用于分析模擬濾波器的相同頻率數組（N）。使用相同頻率數組，可以更加簡(jiǎn)單地組合每級的結果。請使用以下代碼來(lái)分析第一級：

　　Fmax = 9840/2; % one-half of the sample rate

　　f = 1:Fmax;

　　NUM（f） = sin（4*pi*f/9840）；

　　DEN（f） = 4 * sin（pi*f/9840）；

　　for fq = 1:Fmax

　　Hda（fq） = abs（NUM（fq）/DEN（fq））；

　　end

　　要分析第二個(gè)均值/抽取濾波器，需要事先了解控制系統的采樣速率，但應使用相同的關(guān)系。例如，如果控制環(huán)路需要接近400 SPS的采樣速率，則第二個(gè)濾波器的均值和抽取率將等于6（采樣速率為410 SPS,有四個(gè)樣本，因此為9840/[410 × 4] = 6）。使用相同的m-script 腳本代碼可分析幅度響應，有三個(gè)例外：（1） 將采樣速率從9480更改為2460;（2） 將兩個(gè)位置的4更改為6;以及 （3） 將FMAX從9840/2更改為2460/2.相位等于總抽頭數的一半，除以采樣速率，約為1.22 ms （3/2460）。

復合響應

　　圖4和圖5提供了復合幅度和相位響應，包括陀螺儀的模擬濾波器和兩個(gè)抽取濾波器。圖4表示針對數組中的每個(gè)頻率，將各級的幅度相乘的結果。圖5表示將每個(gè)頻率下的各級的相位貢獻相加的結果。標記沒(méi)有抽取的坐標圖假定輸出數據速率為2460 SPS,第二個(gè)抽取濾波器級有效關(guān)閉。標記有抽取的坐標圖假定抽取率等于6,最終輸出數據速率為410 SPS.兩個(gè)坐標圖說(shuō)明了響應差異，幫助實(shí)現控制環(huán)路采樣速率和相應頻率響應的系統級平衡。

圖4. 模擬濾波器和第一個(gè)抽取濾波器級。

圖5. 410-SPS數據速率的復合響應。

　　可編程FIR濾波器分析

　　知道模擬濾波器和抽取濾波器的貢獻之后，我們可以評估使用片內抽取濾波器和設計自定義FIR濾波器之間的比較權衡。在圖3所示的ADIS16488中，FIR濾波器包括在IMU中，但有些系統在數字信號處理程序中實(shí)施濾波器。FIR濾波器的時(shí)域f（n） 以差分方程表示，其中z變換提供了用于頻率分析的分析工具：

　　幸運的是，很多現代程序都包含根據基本關(guān)系進(jìn)行此類(lèi)分析的特定工具或命令。但在驗證自動(dòng)評估工具的結果或對FIR設計工具輸出產(chǎn)生直覺(jué)的疑問(wèn)時(shí)，了解它們仍然是有用的。MATLABfdatool命令可啟動(dòng)濾波器分析和設計軟件包，幫助設計和分析系統FIR濾波器實(shí)施。

慣性頻率響應測試方法

　　在陀螺儀中測試頻率響應的最直接方法是使用慣性速率表，它能夠引入適當的頻率成分。速率表通常包括可編程伺服電機和光學(xué)編碼器，可驗證電機軸上的編程旋轉。這種測試方法的優(yōu)勢是它應用了實(shí)際慣性運動(dòng)。它的弱點(diǎn)在于它通常不適用于剛開(kāi)始使用MEMS的工程師。

　　對于未使用速率表的早期分析驗證，測試目標頻段內的頻譜噪聲可以提供有用的信息。這種簡(jiǎn)化方法不需要復雜的測試設備，而只需要與穩定平臺的安全機械連接以及數據收集儀表。但是，它要求機械噪聲具有相對于頻率的平坦噪聲幅度。

　　圖6詳細說(shuō)明了使用相同雙極低通濾波器的兩個(gè)例子。第一個(gè)例子 （ADIS16375）使用了在有用頻率范圍內具有平坦響應的陀螺儀。第二個(gè)例子（ADIS16488）使用在1.2 kHz頻率下具有適中峰化量的陀螺儀，它實(shí)際上將–3 dB頻率擴展到大約380 Hz.對于在為控制環(huán)路進(jìn)行建模和仿真的人員而言，了解這種共振行為可能是非常有價(jià)值的。在簡(jiǎn)單測試中識別這種行為，還有助于解釋在執行更全面系統特征化時(shí)噪聲電平高于預期的原因。如果在項目早期了解和識別這些行為，則通?？赏ㄟ^(guò)對濾波器極點(diǎn)的調整，對它們進(jìn)行管理。

　　測量噪聲密度時(shí)，請確保采樣速率至少達到最高目標頻率的兩倍，以滿(mǎn)足奈奎斯特準則。此外，還應提取足夠的數據樣本，以降低測量的不確定性。圖6中的坐標圖源于FFT時(shí)間記錄分析，長(cháng)度為256000個(gè)采樣，最大速率為2.46 kSPS.

圖6. 噪聲密度比較。

　　另一種方法使用了陀螺儀的自測功能。自測功能提供了使用電氣信號來(lái)模擬傳感器的機械結構的機會(huì )，而無(wú)需對設備施加外部慣性運動(dòng)。自測功能迫使模擬對實(shí)際運動(dòng)的響應的傳感器內核中發(fā)生變化，從而在電氣輸出上產(chǎn)生相應變化。并非所有產(chǎn)品都提供對此信息的實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，但它可能是一種有用工具，另外制造商或許能夠提供此種類(lèi)型的頻率-響應測試的數據。在最簡(jiǎn)單的方法中，可將自測（模擬對步驟的響應）與分析預期結果進(jìn)行比較。重復在特定頻率下的自測置位，也是一種研究每個(gè)頻率下的傳感器響應幅度的直接方法。以圖7中的兩種不同響應為例。在較低頻率下，陀螺儀輸出類(lèi)似于方波，每個(gè)轉換的瞬態(tài)響應除外。瞬態(tài)響應符合傳感器信號鏈中的濾波器網(wǎng)絡(luò )的步驟響應預期。在第二個(gè)示例中，自測的頻率足夠高，能夠防止完全建立，因而發(fā)生了幅度減小。請注意在本圖底部信號上，藍色和黑點(diǎn)響應之間的幅度差異。有多種方法可以估測這些時(shí)間記錄的幅度。離散傅里葉變換（DFT）可將主要頻率成份（自測頻率）與諧波內容隔離開(kāi)，這可能導致幅度/頻率響應的誤差。

圖7. 自測。

　　結論

　　向高帶寬IMU發(fā)展的趨勢為反饋穩定系統的設計提供了顯著(zhù)優(yōu)勢。高帶寬使得多傳感器系統能夠實(shí)現更好的時(shí)序對齊和相位裕量管理。濾波電容的值和溫度響應的變化范圍可能非常廣，可能導致極點(diǎn)頻率的成比例變化。由于相位延遲取決于極點(diǎn)位置，因此了解和管理極點(diǎn)位置非常重要。例如，當反饋傳感器的截止頻率比控制器的單位增益反饋高兩倍時(shí)，則會(huì )為環(huán)路響應增加大約22.3°的相位延遲。如果截止頻率降低20%,則相位延遲增加大約5.6°。提高單位增益帶寬中的截止頻率的比率，可將這些影響減小4倍。

　　要了解IMU的帶寬及其在系統穩定性中的角色，應該使用分析、建模、測試數據以及這些因素的迭代。首先要量化可用信息，做出假設以彌補所有漏洞，然后制定計劃來(lái)優(yōu)化這些假設。