对陀螺仪的基于相位的测量与控制制造技术

陀螺仪包括谐振器、换能器和比较器。比较器被设计为从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。

Phase based measurement and control of gyroscopes

A gyroscope consists of a resonator, a transducer, and a comparator. The comparator is designed to receive the input signal from the transducer and compare the input signal with the reference signal to produce the output signal. The transformation of the rising edge of the output signal and the descending edge are basically synchronized with the motion of the resonator along the sensor axis of the transducer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对陀螺仪的基于相位的测量与控制
本专利技术的实施例涉及基于信号相位的用于陀螺仪的感测和控制方案。
技术介绍
微机电系统(MEMS)是由一个或多个与集成电路(IC)耦合的机械部件组成的微型设备。MEMS陀螺仪(或陀螺仪)是被设计为测量角速率的MEMS设备。例如，足够准确的陀螺仪将能够测量地球的旋转速率(度/小时)。MEMS陀螺仪在诸如手机、平板电脑，照相机等消费电子产品中越来越普遍。为了被包括在这样的应用中，陀螺仪必须遵守关于功耗、物理尺寸和性能的严格要求。MEMS陀螺仪通常包含具有多个称为模式的振动自由度的微型机械谐振器。三轴MEMS陀螺仪可以包含一个驱动模式和三个感测模式。在这种设备中，驱动模式被利用驱动致动器在设备的特征频率处驱动至谐振，并且三个感测模式的在诸如滚动、俯仰和偏航的正交方向中定向的运动被利用感测换能器进行测量。当暴露于外部施加的角速率时，驱动模式的一些振荡运动使感测模式中的一个或多个机械振荡。因此，可以通过测量感测模式的运动来确定角速率。提供MEMS陀螺仪设计的示例可以在美国专利No.6,626,039中找到，其公开内容整体上通过引用并入本文。MEMS陀螺仪的整体信噪比(S/N)很大程度上由模拟前端(AFE)电路的动态范围和噪声特点决定。一般而言，降低AFE噪声需要增加的功耗。因此，MEMS陀螺仪通常在功耗和性能之间表现出权衡。MEMS陀螺AFE通常由放大器前端和高阻抗反馈网络组成，从而提供高增益。电阻反馈网络提供简单的无源网络，但遭受热噪声的影响。开关电容网络必须被主动复位，并遭受在量值上类似于电阻器热噪声的噪声折叠效应的影响。不管所选择的反馈网络如何，输出都最多只限于放大器的电源电压轨(Vss，Vdd)，从而最终限制能够实现的动态范围。
技术实现思路
在本文给出的实施例中，描述了陀螺仪的各种感测和控制方案。感测和控制方案可以使用模拟前端(AFE)和反馈控制电路来实现。本文给出的测量和控制方案避免了功耗和性能之间的通常折衷，从而实现了低功耗和低噪声操作。这是用在低功耗、低噪声和小尺寸下操作的、基于相位的AFE电路以及大大增加S/N的基于相位的闭环操作来实现的。在实施例中，陀螺仪包括谐振器、换能器和比较器。比较器被设计为从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。在另一个实施例中，陀螺仪包括致动器、换能器、比较器和驱动模块。比较器从换能器接收输入信号并将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号。驱动器模块接收输出信号并产生施加到致动器的驱动信号。在另一个实施例中，陀螺仪包括谐振器、相位检测和反馈控制电路，并且响应于外部施加的角速率而表现出相移。反馈信号被施加到谐振器，以抵消相移，从而维持恒定(或零)相位。抵消相移所需的反馈的量值提供对从外部施加的角速率的测量。附图说明并入本文并构成说明书的一部分的附图图示了本专利技术的实施例并且，与说明书一起进一步用来解释本专利技术的原理并使相关领域的技术人员能够制作和使用本专利技术。图1图示了根据实施例的谐振器系统的框图。图2A-2E图示了根据一些实施例的、使用一个或多个比较器的基于相位的陀螺仪测量方案。图3A图示了根据实施例的比较器的工作循环(duty-cycled)的操作。图3B图示了根据实施例的、使用工作循环的比较器的陀螺仪测量和控制方案。图4A-4C图示了根据一些实施例的、具有反馈的陀螺仪控制方案。图5A和5B图示了根据一些实施例的、基于相位的闭环陀螺仪的图。图5C图示了根据实施例的、用于图5A-5B中的示例的示例波形。将参考附图描述本专利技术的实施例。具体实施方式虽然讨论了具体的配置和布置，但应当理解的是，这仅仅是为了说明的目的而进行的。相关领域的技术人员将认识到的是，在不背离本专利技术的精神和范围的情况下，可以使用其它配置和布置。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，本专利技术也可以在各种其它应用中被采用。要注意的是，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特点，但是每个实施例可能不必然包括该特定的特征、结构或特点。而且，这种短语不一定是指相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特点时，无论是否明确描述，结合其它实施例实现这种特征、结构或特点都将在本领域技术人员的知识范围内。图1图示了根据实施例的示例陀螺仪系统100。陀螺仪系统100包括谐振器102、至少一个换能器104以及与换能器104对接的电路106。换能器104表示一个或多个换能器。谐振器102可以是MEMS谐振器，诸如像微制造的音叉、体声波(BAW)谐振器、表面声波(SAW)谐振器或一些其它类型的谐振器。在这里，多自由度MEMS陀螺仪谐振器被用来识别谐振器，但应该理解的是，也可以使用其它谐振器结构。换能器104可以是能够将一种形式的能量变换成另一种形式的能量的任何部件。例如，换能器104可以产生与机械运动成比例的电信号。这种换能器可以被称为传感器。在另一个示例中，换能器104可以产生与接收到的电信号成比例的力。这种换能器可以被称为致动器。典型的陀螺仪包括一个或多个驱动致动器连同在正交方向定向的多个感测换能器，以测量滚动、俯仰和偏航。通常，两个驱动致动器沿着驱动模式轴在相反的方向上定向，并且两个感测换能器沿着每个感测模式轴在相反的方向上定向。换能器104可以被认为是谐振器102的集成的部分，或者它可以被认为是电路106的组成部分。电路106可以是与换能器104直接交互的前端电路。根据实施例，电路106包括检测谐振器102沿着换能器104的感测轴的运动的比较器。电路106可以包括所有模拟部件、模拟和数字部件的混合，或使用模数转换器的所有数字部件。在谐振器102是MEMS谐振器的示例中，电路106可以被单片集成在用来制造谐振器102的同一个半导体基板中。最大化电路106的信噪比带来整个谐振器系统100的更好性能。本文进一步描述电路106的各种实施例。电路106的输出108可以被一个或多个附加电路接收。在一个示例中，输出108可以被反馈到谐振器102，用于控制谐振器102的致动器，以提供闭环反馈。在陀螺仪谐振器的情况下，由感测轴换能器检测到的运动不一定局限于单一模式的运动。由于感测轴换能器通常测量驱动模式的部件(无论是否是有意的)而产生正交。为了实现和维持振荡驱动模式运动并将振荡感测模式信号转换成可使用的输出，一些陀螺仪可以使用被称为锁相环(PLL)的系统。PLL将高频振荡器(或等同物)与驱动模式运动同步。同步的时钟为驱动模式激励的生成以及振荡感测模式输出的解调提供时间基础。解调的目的是去除正交并提供与感兴趣的频带(例如，小于1kHz)中的角速率成比例的输出信号。但是，振荡器相对于机械谐振器的任何异步都会导致最终输出中的显著错误。根据实施例，基于相位的陀螺仪体系架构不依赖PLL或高频同步的振荡器。相反，机械谐振器为驱动系统和感测系统都提供其自己的时间基础，并且为电气系统提供时间基础所需的任何振荡器都可以与机械谐振器的运动异步。为了充分利用基于相位的方法，根据实施例，可以使用比较器前端(CFE)电路来代替通常由具有非常高增益的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陀螺仪，包括：谐振器；换能器；以及比较器，被配置为：从换能器接收输入信号，将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号，其中输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.13 US 14/710,9911.一种陀螺仪，包括：谐振器；换能器；以及比较器，被配置为：从换能器接收输入信号，将输入信号与参考信号进行比较，以产生输出信号，其中输出信号的上升沿变换和下降沿变换基本上与谐振器沿着换能器的感测轴的运动同步。2.如权利要求1所述的陀螺仪，其中输出信号是混合信号波形(MSW)。3.如权利要求1所述的陀螺仪，其中换能器的感测轴与谐振器的驱动模式对准。4.如权利要求1所述的陀螺仪，其中换能器的感测轴与谐振器的感测模式对准。5.如权利要求1所述的陀螺仪，其中参考信号包括与输入信号共享的至少一个共模误差。6.如权利要求5所述的陀螺仪，其中共模误差是电压源噪声。7.如权利要求5所述的陀螺仪，其中共模误差由温度变化造成。8.如权利要求1所述的陀螺仪，其中比较器从比较器外部的参考源接收参考信号。9.如权利要求1所述的陀螺仪，其中比较器从比较器内的参考源接收参考信号。10.如权利要求1所述的陀螺仪，还包括：第一开关，被配置为打开或闭合换能器与比较器的输入端之间的电气通路；以及第二开关，被配置为打开或闭合陀螺仪的致动器与外部信号源之间的电气通路。11.如权利要求10所述的陀螺仪，其中第一开关经由第一控制信号被控制，使得第一开关在输出信号的上升沿变换期间和下降沿变换期间闭合，并且第一开关在输出信号具有基本上恒定的电压的时段期间打开。12.如权利要求1所述的陀螺仪，其中比较器在输出信号具有基本上恒定的电压的时段期间断电。13.如权利要求10所述的陀螺仪，其中第二开关经由第二控制信号被控制，使得第二开关在输出信号的上升沿变换和下降沿变换期间打开，并且第二开关在输出信号具有基本上恒定的电压的时段期间闭合。14.如权利要求13所述的陀螺仪，其中外部信号源产生信号，该信号被配置为当第二开关闭合时经由致动器造成谐振器的运动。15.如权利要求1所述的陀螺仪，其中参考信号在比较器的第二输入端处从陀螺仪的第二换能器接收。16.如权利要求15所述的陀螺仪，其中第一换能器和第二换能器被配置为感测关于标称地反平行的感测轴的运动。17.如权利要求1所述的陀螺仪，其中输出信号是第一输出信号，并且所述陀螺仪还包括：第二换能器；以及第二比较器，被配置为：从第二换能器接收第二输入信号，比较第二输入信号与第二参考信号，以产生第二输出信号，其中第二输出信号的上升沿变换和下降沿变换与谐振器沿着第二换能器的感测轴的运动基本上同步，以及其中第一输出信号与第二输出信号之间的相移与外部施加的角速率成比例。18.如权利要求17所述的陀螺仪，还包括相位检测模块，所述相位检测模块被配置为接收第一输出信号和第二输出信号并且产生一个或多个附加输出信号，所述一个或多个附加输出信号具有与第一输出信号与第二输出信号之间的相移成比例的脉冲宽度。19.如权利要求18所述的陀螺仪，还包括信号处理模块，所述信号处理模块被配置为：接收所述一个或多个附加输出信号；对接收到的一个或多个附加输出信号执行信号处理功能；以及产生与外部施加的角速率成比例的经处理的输出信号。20.如权利要求18所述的陀螺仪，其中所述一个或多个附加输出信号包括互补的输出信号，其中第一互补输出信号的脉冲宽度相对于第二输出信号的相位与第一输出信号的相位成比例，并且第二互补输出信号的脉冲宽度相对于第一输出信号的相位与第二输出信号的相位成比例。21.如权利要求17所述的陀...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·德沃尔，
申请(专利权)人：凯奥尼克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US