用可編程模擬電路實(shí)現MEMS陀螺儀測量系統

上升時(shí)間方程式如下：

解決方案是增加某種有源電路來(lái)穩定連接到AGND的放大器的正輸入端電壓。要想達到這個(gè)目的，饋入電阻底部的AGND可以用DAC代替，并在放大器的正輸入端連接一個(gè)ADC。以AGND為參考的ADC可用來(lái)測量放大器輸入與AGND之間的差值，如果差值是負的(放大器輸入電壓低于A(yíng)GND)，那么DAC的輸出電壓將會(huì )上升；如果差值是正的，DAC的輸出電壓就會(huì )降低。當使用處理器時(shí)，還可以實(shí)現軟件控制環(huán)路，以便顯著(zhù)增加系統的響應時(shí)間。

在增加ADC和DAC后，上述電路很快就變得不實(shí)用了。目前已有一些現成的器件可以用來(lái)提供實(shí)現這些電路的理想解決方案，如ADI的ADuC系列和Cypress公司的PSoC系列。采用Cypress的PSoC完成的電路實(shí)現如圖5所示。

圖5. 改進(jìn)的啟動(dòng)電路。

既然上升時(shí)間問(wèn)題解決了，我們可以接著(zhù)進(jìn)行低通濾波器的實(shí)現。要求是采用截止頻率為250Hz的四極濾波器。四極濾波器極耗資源，因為它需要兩個(gè)采用相同濾波器的相同通道。幸運的是，混合信號器件內部的delta-sigma (Δ-Σ) ADC通常都有內置的sinc²數字濾波器。在采用CY8C29466時(shí)，這些濾波器具有兩極響應，截止頻率(fc)等于采樣頻率的33%。因此將兩極開(kāi)關(guān)電容低通濾波器(LPF)與Δ-Σ ADC級聯(lián)起來(lái)可以提供與四極濾波器相同的響應，這種實(shí)現方法如圖6所示。

圖6. 增益和濾波器實(shí)現。

最后一個(gè)還未滿(mǎn)足的要求是陀螺儀信號需要放大100V/V倍，而可編程增益放大器(PGA)的最大增益只有48V/V。因此還需要增加一級放大器才能滿(mǎn)足100V/V的要求，而2.1V/V或6.44dB的額外增益可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)電容濾波器中的反饋電容值在低通濾波器中實(shí)現。增益配置同樣如圖6所示。

最后一步是復制這個(gè)電路，使兩個(gè)通道能被交替測量。大家知道，ADC sinc²數字濾波器的截止頻率取決于采樣率，而采樣率標準是1ksps。當每個(gè)通道采樣頻率為1ksps時(shí)，數字濾波器的截止頻率設為330Hz，而指標要求是250Hz，這又表明了什么呢？表明了在這些應用場(chǎng)合，雙極響應足夠超出250Hz到約400Hz，因此該解決方案非常適合這種應用。

圖像防抖電路的最終實(shí)現如圖7所示。其中還有兩部分值得提一下：在A(yíng)DC前面的模擬復用器(mux)和傳動(dòng)控制模塊。當ADC運行在單個(gè)通道上時(shí)，最高運行速度為10ksps，不過(guò)由于是復用的，因此采樣率實(shí)際上要除以6。由于A(yíng)DC使用兩級管線(xiàn)式架構，因此每個(gè)通道的前兩個(gè)樣本沒(méi)什么用，可以被丟棄。

圖7. 完整的圖像防抖電路。

在工作過(guò)程中，第一個(gè)通道先被采樣三次，在第三次采樣結束后，復用電路馬上切換到第二個(gè)通道。同樣，在第二個(gè)通道的第三次采樣結束后，復用電路立即切換回第一個(gè)通道。另外，可以通過(guò)編程ADC時(shí)鐘讓輸出數據速率為6ksps，這樣每個(gè)通道的采樣速率就是1ksps。

圖7中還增加了執行器控制電路。執行器控制電路可以是：1)驅動(dòng)兩個(gè)馬達的控制信號，或2)將抖動(dòng)位移報告給圖像處理器的串行通信總線(xiàn)。如果執行裝置是馬達，控制信號可以是重新定位圖像傳感器的脈寬調制器(PWM)。串行通信方法可能使用I2C或SPI將圖像傳感器偏離原始參照系的位移報告給圖像處理器。圖像處理器再通過(guò)改變圖像處理器捕獲數字照片的圖像傳感器面積來(lái)修正參照系的變化。