MEMS Coriolis振动陀螺仪的操作

本文讨论了MEMS Coriolis振动陀螺仪（CVG）的各种控制机制，以及如何用商业现成的HF2LI锁定放大器应用。

MEMS陀螺仪是一种微加工的惯性装置，可用于测量旋转角度或取向角度。该原理依赖于振动结构，其悬挂在诸如质量相对于惯性空间的旋转时可以检测到科里奥利力的方式。

锁定放大器可以有效地感知这些科里奥利力。此外，反馈控制一般用于增强振动特性，提高整体性能。为了实现高度精确的传感，许多控制回路并行运行，控制基础设施可能变得复杂。

本文提供了闭环和开环控制示例的实际实现示例。如何使用锁相环（PLL）和自动增益控制（AGC）进行基本陀螺仪驱动模式控制。

驱动模式控制与闭环力-再平衡操作或开环传感相结合。机电振幅调制也将被解释。

该方案中的所有感兴趣的信号被幅度调制。通过抑制寄生虫效应，这可以提高陀螺性能。

HF2LI提供了广泛的特征，使其成为驱动和表征加速度计，振动陀螺仪和其他MEMS振荡结构的强大仪器。主要特征是并行，PLL，幅度控制和PID控制器的许多频率下内置信号调制和解调。两种50 MHz低噪声信号输入和输出对使能控制驱动器和陀螺仪振动的感测模式（图1）。

图1所示。苏黎世仪器HF2LI锁相放大器集成了基本的谐振器控制和先进的陀螺仪操作的基础设施。

HF2LI锁相放大器概述

了解仪器的内部结构有助于理解HF2LI数字锁相放大器如何用于陀螺仪应用。

图2。HF2LI解调器的不同设置原理图，如表1所示。下面的简化符号在本文档的原理图中使用。

任何锁定放大器的最重要组成部分是解调器，其对特定频率围绕特定频率的感兴趣的信号执行非常窄的带滤波。作为该解调的结果，即使当信号似乎被噪声覆盖时，信号的精确测量信号和幅度也是如此。

图2显示了HF2LI解调器的基本结构。有一个振荡器输入选择器，一个信号输入选择器，两个低通滤波器，两个混频器和一个笛卡儿-极性转换器。所选的输入信号乘以由6个输入振荡器之一发出的正弦波，该输入振荡器工作在一个确定的频率ω。

正弦可能是ω的谐波，在应用到混频器之前，它可能被相移。采用两个相移90º的混频器来确定输入信号的同相和同相分量，从而可以计算出频率ω处的输入信号的幅值和相位。

谐波和相移设置会影响调制器输出，并且可以用作设置的激励信号。

表1提供了HF2LI解调器的所有设置的摘要。

表格1。解调器参数

信号/参数	描述
输入选择	每个解调器可以连接到两个信号输入中的任何一个
Osc选择	每个解调器都可以连接到这六个振荡器中的任何一个。
伤害	谐波,通常是“1”。乘频解调高次谐波
相移？	振荡器和输入/输出混频器之间的相位
TC, BW	时间常数或低通滤波器的带宽
命令	从1到8的过滤器订单
解调器	测量信号的x，y，r，θ
正弦输出	可以连接到两个信号输出中的任何一个的正弦信号

如图3所示，HF2LI中有8个双相解调器。其中两个用于锁相环操作，用户可以以最灵活的方式配置其中的六个。

通过输入和输出混频器，任何解调器的输入或输出都可以连接到设备的两个物理输入和输出中的任何一个。来自不同解调器的信号可以被输出多路复用器相乘并相加。这允许来自两个或多个调制器输出的信号被合并。

可以使用HF2LI中的调制选项（HF2LI-MOD）执行幅度或频率调制和解调。使用此调制选项，可以更改驱动图2的解调器的振荡器以使解调器执行幅度解调。

如图4所示，施加到解调器2和3的振荡器信号现在是两个频率的总和和差异。

因此，可以对调幅信号进行直接边带解调。例如，载波频率为f的信号₁= 52 kHz，调幅频率f₂= F._3.= 2 kHz可直接调制边带频率52 + 2 kHz和52 - 2 kHz。

传统上，需要串联的两个锁定放大器来执行该操作。而且，HF2LI中的调制和载波频率中的一个或两个可以用PLL控制或固定。这使得能够执行直接的边带解调，同时使用PLL在其自然谐振频率下运行谐振器。

图3。HF2LI输入和输出原理图，显示2个信号输入，2个信号发生器输出，6个双相解调器和2个锁相环路(如图所示的原理图需要HF2LI- pll和HF2LI- mf选项)。

图4。具有幅度调制的三个HF2LI解调器的示意图。利用HF2LI的调制选项，用户可以定义载波频率f1和幅度调制的边带频率f2和f3。结果，解调器2将在差频率f1-f2处的和频率f1 + f2和解调器3处运行（如果没有使用谐波）。这使得能够直接解调边带F1 + F2和F1-F2处的信号。任何振荡器频率f1，f2和f3都可以是动态的，从而由PLL或外部参考控制。

陀螺仪操作

本节将讨论使用HF2LI锁定放大器的MEMS陀螺仪的最重要的控制和传感模式。这将有助于更好地理解陀螺仪控制机制的基础知识，以及如何使用HF2LI锁定放大器来控制驱动和感知振动模式。

驱动模式控制

使用PLL，振动陀螺仪的振荡保持在驱动模式控制中的谐振。PID控制器用于保持机械幅度常数，或者CVG的性能可能由于温度漂移而降低。

图5提供了基本设置。HF2LI的输入和输出连接到陀螺仪的驱动模式。必须注意的是，可能需要额外的电路，这在图中没有显示，例如电流到电压的转换。

偏移量（v_抵消）通常应用于用于静电致动的驱动信号。可以使用外部电路或通过HF2LI前面板上的添加连接器添加此偏移，这非常方便。

锁相环锁定到驱动模式的共振频率。解调器1的调制器输出用于驱动模式的激励。相移Φ_X调制器被设定为最大化振动幅度。阶段φ._X一般是90度，除非信号相位受到陀螺仪电子器件的显著影响。

因此，当锁相环1控制振荡器1的频率时，关闭锁相环。此外，AGC回路保持励磁幅值不变。

AGC使用PID控制器将驱动模式振荡幅度进行比较和调节特定设定值。具有零相移的解调器2的解调器输出X作为PID控制器的输入操作。必须注意，第二解调器必须独立于调制器输出阶段设置解调相位（图2）。

图5。陀螺或通用谐振器驱动模式控制借助于锁相环和用于自动增益控制的PID控制器。PLL将谐振器保持在其天然共振频率。PID保持固定谐振器幅度。

感知模式开环控制

在最简单的陀螺仪仪器中，陀螺仪驱动模式控制应用于前一节中讨论的，而感觉模式是在开环中实现的。该方法是基本工作原理之一，应用广泛。这方面的一个例子是(Prikhodko 2012)和(Prikhodko 2013)。

图6显示了连接到陀螺仪感测模式输出的解调器3的输入。解调器3利用由PLL控制的振荡器1。为了确保解调器3的组件Y是与角速率成比例的科里奥利输出，并且解调器3的组件X是正交误差，解调器相移φ_Y调整了。

阶段φ._Y通常通过试验和错误设置，直到组件x对旋转不敏感（陀螺旋转时）。它可以基于模式匹配条件（驱动和感测模式的自然频率之间的差异）之间的-90度至90度。

振幅衰减时间常数τ_y（等式5）将陀螺仪响应时间限制为输入旋转，这限制了陀螺仪（Lynch 1998）的带宽。必须使用力对重新平衡控制来增加带宽（减小响应时间）并去除频率不匹配Δω对陀螺垢因子的效果，

图6。带闭环驱动模式和开环感测模式测量的陀螺仪控制。驱动模式通过PLL和AGC控制。陀螺仪输出是在感测模式下的振荡，其通过以与驱动模式的PLL以与PLL在相同的频率上运行的解调器测量。

力量重新平衡控制

(Lynch 1998)详细描述了速率测量陀螺仪的力-再平衡(FTR)操作模式。MEMS科里奥利振动陀螺仪的驱动和传感模式的四个控制回路如图7所示。具体来说，两个来自陀螺仪的输入信号(来自驱动和感知模式)被解调，以获得同相和正交(非同相)信号_x， C_x，S._y， C_y(注释可方便地从(Lynch 1998)中采用)。

信号C._x和s_x为驱动模式振动的解调器输出的同相Y和同相X分量。同样的，信号也是_y和c_y是感测模式解调器的异相y和相位X组件。

当解调阶段Φ_X和Φ_Y，这些信号的物理意义为:c_x代表驱动模式幅度，s_x为驱动模式阶段，c_y代表科里奥利幅度（与旋转速率成比例），以及s_y代表正交错误。

这四个信号用作四个控制环的输入，包括PLL。虽然使用了PID控制器，但通常不采用差分术语D。来自PID的控制信号累积以获得一个驱动输出，馈回陀螺仪进行感测模式控制。

驱动模式控制与前一节中讨论的控制相同。通过调节解调器4的调制器输出2的幅度(90度相移)，PID控制器2保持解调器3的输出Y为零。

类似地，通过调节解调器2的调制器输出2的幅度(0度相移)，PID控制器3保持解调器3的输出X为零。

FTR模式扩展了陀螺仪的带宽，超越了通常受振幅衰减时间常数限制的开环感知模式的限制。P增益和I增益控制FTR环路的带宽。FTR比例因子更稳定，因为它不依赖于频率失配(与开环比例因子相比)。

图7。带有闭环驱动模式和闭环检测模式的陀螺控制。此模式通常称为重新平衡（FTR）。对于FTR，通过反馈控制抑制了感测模式的速率和正交输出。必要的反馈力是角度旋转速率的量度。

载体调制

在陀螺仪的应用中，载波频率调制方案被用于提高检测灵敏度(Trusov 2007)。背景噪声和寄生效应的贡献被载波调制所拒绝。

的hf2li.特别适用于此任务，因为它是具有足够基础设施的唯一数字锁定放大器，用于完全控制驱动器和感测模式，包括载波调制。

图8。采用载波调制时的陀螺仪驱动模式控制。谐振频率为f的陀螺仪信号_Res用载波频率f调制幅度_c．结果，感兴趣的信号被移位到频率f_c+ F._Res和F._c-F_Res．所示的设置(i)锁定边带f_c+ F._Res通过锁相环，(ii)直接在f处解调边带_c+ F._Res，（iii）计算激发频率f_Res来自F._c+ F._Res和F._c借助于Mod选项，并且（IV）激发F的陀螺仪驱动模式_Res带有增益控制(AGC)。

除了先前呈现的控制循环之外，频率f的载波信号_c（比陀螺仪谐振运动高的数量级）用于与寄生电容馈电分离。图8显示了解调器在这种情况下如何运行。

该方法被称为机电幅度调制（EAM），并且在例如，（Prikhodko 2011，Prikhodko 2012）中使用。该方法的实现需要在两个驱动器和读取方向上的陀螺仪运动信号的侧带解调，在（Prikhodko 2011）中使用的四重质量陀螺（Qmg）的情况下通常为2kHz调制频率和载波信号选择在52 kHz。

如图8,9和10所示，来自信号发生器的52kHz载波信号被馈送到陀螺仪。虽然第一个锁定放大器输入用于驱动模式信号从陀螺仪拾取，第二个输入用于读出的感测模式信号。

第一个输出用于控制驱动模式，第二个输出用于控制感觉模式。两种模式都在陀螺仪的固有振荡频率附近产生输出信号，在这种情况下是2 kHz左右。

同时控制三个变量：C_x(振幅),c_y(率)和s_y(正交)对于闭环陀螺仪的运行是必不可少的。这是通过使用三个PID控制器(不包括锁相环)，调制器产生的反馈信号的频率振荡器1和三个不同的相移相对于其他。

解调器3测量驱动模式振荡和PID 1的幅度控制它。解调器6测量感测模式振荡的速率和正交，PID 2和PID 3分别控制这两个方面。

如果解调器3和6的解调相位被设为零和Φ_Y（在上一节中解释），解调器3的分量X是幅度，解调器6的分量Y是速率，并且解调器6的分量X是正交。

解调后，这三个分量被送入pid，使振幅保持在一个恒定的水平，速率信号和求积在零。对PID输出的输出进行调制(即通过控制振荡器信号的输出幅度)，以形成反馈信号。

在陀螺仪的前端电子设备中假设可忽略不计的相移，并且具有90度相移的解调器2的调制器输出用于速率和幅度反馈。对于正交空转，使用具有0度相移的解调器5的调制器输出。最后，在将控制信号馈送回陀螺仪之前，概括了调制输出。

图9。陀螺仪控制与闭环驱动模式和力-再平衡(FTR)，当载波调制时。

图9中的原理图假设施加的力和共振位移之间有90度的相移，即在解调器2中调制器输出的相位被设置为90度。

如果该相位关系受到陀螺仪的前端电子设备的显着影响，则可以实现图10中的示意图。与图9中提出的AC正交核相比，当将DC电压施加到专用陀螺电极时，可以实现正交校正。

PID 3的输出反馈通过辅助输出正交优化电极辅助,而不是反馈动态信号通过输出2(图9)。这样做可以解调器的调制器输出2,它可以设置为任意Φ驱动阶段_X，幅度最大。速率信号现在由解调器5的调制器输出，调制阶段为90度。

图10。陀螺仪控制具有力 - 重新平衡，载波调制和直流正交调谐。

全角读数

不同于速率测量模式具有预定的振动轴，角度测量模式(全角度)要求振动模式的自由进动。使用全角度读数，陀螺仪可以在没有驱动力引起的误差下操作。

为了获得（Prikhodko 2011）和（Prikhodko 2013）的结果，实施了图10中描绘的全角读数。如第5章（Prikhodko 2013），解调组件C_x，S._x， C_y，S._y利用陀螺仪接收信号的二次不变量来计算二次不变量。然后用它来求进动角θ(t)的直接值(Lynch 1998)。

全角度操作用于开环（Prikhodko 2011）。为了开始振动，具有2kHz操作频率的陀螺仪与锁相环静电驱动到抗相谐振运动中，然后突然关闭，然后突然关闭（由图11中的Init开关指示）。

为了检测驱动模态和传感模态的振荡并测量进动角，采用带边带解调的EAM技术。角度是由解调组件c离线计算出来的_x，S._x， C_y，S._y使用计算机。

图11。带开环读出的全角度模式载波调制陀螺仪。

HF2LI用户的好处

由于多个控制回路必须并行运行，因此控制振动陀螺仪是一项复杂的任务。低噪声电子和高精度是实现最大性能的必要条件。由于它将所需的灵活性和精度结合在一个单一的仪器HF2LI锁定放大器非常适合陀螺控制。

有两个低噪声输入，两个PLL，两个信号发生器，四个通用PID控制器和六个双相锁放大器可用，并且可以组合以实现所需的功能。

在一个HF2LI仪器中提供了许多用PLL控制驱动和感测模式振动的特征，可在一个HF2LI仪器中获得用于最佳性能的正交控制回路，力量重新平衡控制和载波调制技术。这使得HF2LI在分离来自有用的同步组分（代表CVG中的Coriolis响应）的正交组分的锁定放大器中最精确的锁定放大器。

除了所提到的特色外，HF2LI还提供了一组工具，可以帮助实验者分析测量设置并快速找到正确的参数。所有这些功能都存在于用户界面软件中。

• 锁相环顾问:模拟器ro找到锁相环参数
• ZoomFFT:共振频率附近的频谱。系统扰动，如地面问题和锁相环稳定性可以在这里调试。
• 示波器：提供原始输入和输出信号
• PID调谐器：用于检测PID参数的模拟器
• 分光镜:提供振幅和频率信号的瞬态视图。帮助设置PID参数，并在测量时监控设备。
• 清扫器:有助于找到谐振频率和适当的相移所需的设置锁相环上的谐振
• Q系数通过频率扫描或衰减时间测量测量

除了HF2LI，苏黎世仪器还提供UHFLI锁定放大器。包括设置为HF2LI的高度相似的特征，UHFLI可以在高达600MHz的频率下操作。UHFLI的最小时间常数较低，而其PID控制器更快。这使得适用于需要更高控制带宽的应用。

确认

该应用笔记是与Igor Prikhodko共同编写的，他曾是加州大学欧文分校微系统实验室的成员，现在就职于美国马萨诸塞州威尔明顿市的Analog Devices公司。

我们还要感谢A. A.Trusov，A. M. Shkel和S. A.Zotov来自加州大学欧文大学的Microsystems实验室，以获得关于CVG和支持的洞察力讨论。

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这些信息已经从苏黎世仪器提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

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