有機械耦合的電容式硅微陀螺敏感信號讀取

圖4為一維振動(dòng)式硅微機械陀螺的電學(xué)仿真模型。L1、R1、C1分別代表驅動(dòng)軸方向的質(zhì)量、阻尼和剛度。L2、R2、C2分別代表敏感軸方向的質(zhì)量、阻尼和剛度。V2等效為驅動(dòng)力。

C1、C2兩端電壓等效為驅動(dòng)方向和敏感方向位移。V1代表轉動(dòng)角速度。A1對驅動(dòng)方向位移的微分得到速度，A11乘法運算后得到科氏力。A13將剛度耦合與科氏力合成為敏感軸方向的驅動(dòng)力。通過(guò)這個(gè)模型可以仿真不同條件下的敏感輸出與驅動(dòng)力V2的相位關(guān)系。也可以研究剛度耦合與敏感輸出的相位關(guān)系。圖4的近似仿真，主要是用于電路設計討論。

三、采樣方法設計

根據以上分析，應該在機械耦合最小時(shí)采集敏感信號。由于正反向振動(dòng)機械耦合可能不一致，機械耦合最小時(shí)刻應分別選取。利用振動(dòng)時(shí)機械運動(dòng)的慣性，在采樣時(shí)關(guān)斷驅動(dòng)電壓信號，消除電耦合干擾。

圖 5 采集與驅動(dòng)框圖
G 微陀螺機械振動(dòng)塊；C1、C2 敏感電容； C3、C4 驅動(dòng)電容；A1 差動(dòng)電容調理電路；A2 差動(dòng)放大器； S/H1、S/H2 采樣保持器；U1 采集控制單片機
Fig. 5 sample and driver block
G vibration block of micromachined gyroscope;C1,C2 sensing capacitor; C3,C4 driving capacitor;A1 conditioner of differential capacitor; A2 differential amp.;S/H1,S/H2 simple-holder; U1 SCM

圖5為采集與驅動(dòng)框圖?？刂茣r(shí)序由U1完成。為了精確控制時(shí)序，采用時(shí)鐘頻率較高的DSP器件，本實(shí)驗采用的是TMS320F2810?？刂茣r(shí)序如圖6所示，采樣時(shí)序脈沖發(fā)生在振動(dòng)質(zhì)量塊過(guò)靜態(tài)平衡點(diǎn)。實(shí)驗過(guò)程：通過(guò)顯微鏡觀(guān)察初步確定諧振頻率范圍；在零轉速條件下，通過(guò)改變驅動(dòng)頻率尋找機械耦合最大的頻率，并在有轉速條件下，搜索信號輸出最大的驅動(dòng)頻率，雙方面驗證找到機械諧振頻率；在零轉速條件下搜索到機械耦合最小的同步采樣時(shí)刻。在這個(gè)時(shí)刻一般有轉速時(shí)的敏感信號也接近最大值。初步試驗結果：驅動(dòng)周期3017Hz，轉臺轉速0.1Hz，10次平均，數字輸出信號跳動(dòng)1%。

圖 6 控制時(shí)序
Fig. 6 control order

各脈沖可通過(guò)片上外設PWM接口送出，基本上不耗費軟件時(shí)間。對于確定的硅微陀螺，一旦最初的搜索、標定完成后，脈沖時(shí)序便成為固定常數。正常運行時(shí)，軟件僅完成簡(jiǎn)單的補償修正工作。進(jìn)一步還可以考慮用SOC器件，把S/H1、S/H2、A2、A/D、PWM、CPU等功能由一只芯片完成。

四、結束語(yǔ)

任何硅微陀螺都不可避免地存在機械耦合干擾，本文分析指出存在干擾影響最小的可供對敏感信號采樣時(shí)刻。這個(gè)采樣時(shí)刻靠近敏感信號的峰值點(diǎn)。結合以前文章[]所提出的采樣時(shí)關(guān)斷驅動(dòng)信號方法，可提高硅微陀螺的性能。筆者認為，由于各微陀螺儀諧振頻率的差異，直接檢測質(zhì)量塊過(guò)平衡點(diǎn)時(shí)刻的方法還需研究。這將是以后進(jìn)一步的研究。