微機(jī)械陀螺的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，依托現(xiàn)代微機(jī)械加工技術(shù)制作的微機(jī)械陀螺(MEMS陀螺)已經(jīng)成為現(xiàn)代陀螺的代表。微機(jī)械陀螺外部接口電路可分為驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)電路維持陀螺可動(dòng)梳齒沿驅(qū)動(dòng)方向以固有頻率做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，并保持振幅的穩(wěn)定;檢測(cè)電路則把由輸入角速度引起的梳齒間電容變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電信號(hào)，處理得到輸入角速度大小。

　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率相等，即陀螺工作在諧振狀態(tài)時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)幅度最大，電容變化量也最大，檢測(cè)靈敏度最高。然而，硅是一種熱敏材料，外界環(huán)境因素的細(xì)微變化，驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率以及品質(zhì)因素會(huì)隨著發(fā)生漂移。如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率不能保持恒定，將導(dǎo)致振幅的變化，進(jìn)而影響陀螺的檢測(cè)精度。因此設(shè)計(jì)一個(gè)能夠跟隨驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率變化并維持恒定振幅的驅(qū)動(dòng)電路是至關(guān)重要的，也成為微機(jī)械陀螺接口電路設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

　　本文以北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的803電容式靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了它的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路分析與設(shè)計(jì)

　　閉環(huán)驅(qū)動(dòng)原理

　　電容式微機(jī)械陀螺是一個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)，其中存在電信號(hào)和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化。電容式微機(jī)械陀螺工作的基本前提是使其在驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)起來(lái)，然后才能感知輸入角速度。本文中研究的陀螺是采用靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)方式工作，使陀螺可動(dòng)梳齒做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而靜電力由外部的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提供。

　　由于電容式微機(jī)械陀螺的開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，受外界環(huán)境因素的變化影響較大，不能夠確保陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振振幅的穩(wěn)定性，導(dǎo)致陀螺在開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下靈敏度低[1]。因此，為了提高陀螺的靈敏度和穩(wěn)定性，提出了閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路方案。其基本思想是：通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率和幅度，反饋以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的頻率和幅度，來(lái)提高陀螺運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　電容式微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)電路主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：自激驅(qū)動(dòng)方式和鎖相環(huán)方式。

　　實(shí)現(xiàn)方式分析

　　(1)自激驅(qū)動(dòng)方式

　　由于陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)是一個(gè)二階振蕩系統(tǒng)，其等效電氣模型可通過(guò)線性器件模型來(lái)加以分析。所以，類似于電子正弦波振蕩器，陀螺驅(qū)動(dòng)同樣可以利用自激振蕩的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。自激振蕩形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率小于驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率時(shí)，AGC使環(huán)路的增益變大，閉環(huán)系統(tǒng)失去穩(wěn)定，從而使驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度增大;同理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率大于驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率時(shí)，環(huán)路的增益變小，使驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度減小;系統(tǒng)環(huán)路增益最終保持恒定值，達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

　　自激驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容變化被C-V轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)信號(hào)解調(diào)塊解調(diào)成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)幅度，然后由AGC反饋回路根據(jù)檢測(cè)的振動(dòng)幅度調(diào)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率向驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率靠攏。

　　(2)鎖相環(huán)方式

　　鎖相環(huán)(PLL)由鑒相器(PD)、低通濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，VCO除輸出外還反饋到PD，構(gòu)成一個(gè)閉合的相位反饋控制系統(tǒng)[2]。其原理框圖如圖2所示。

　　鎖相環(huán)(PLL)本質(zhì)上是一個(gè)相位負(fù)反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè)中心頻率可跟蹤目標(biāo)信號(hào)頻率的窄帶帶通濾波器，因此鎖相環(huán)具有跟蹤功能。

閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)

　　我們重點(diǎn)分析C-V轉(zhuǎn)換電路和AGC反饋回路。

　　C-V轉(zhuǎn)換電路

　　本文中研究的微機(jī)械陀螺包括驅(qū)動(dòng)模態(tài)的兩個(gè)差分檢測(cè)電極和檢測(cè)模態(tài)的兩個(gè)差分檢測(cè)電極。這兩對(duì)電極敏感的都是電容的變化，C-V轉(zhuǎn)換電路主要是將微弱的電容變化量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓信號(hào)量，其特性對(duì)陀螺的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)精度都有很大的影響，特別對(duì)硅微陀螺的檢測(cè)電路至關(guān)重要。 圖3為C-V轉(zhuǎn)換電路原理圖，載波信號(hào)V連接到差動(dòng)電容的公共極板，電容的另外兩端分別接兩個(gè)電荷放大器。從圖中看，C1、C2右端為驅(qū)動(dòng)檢測(cè)極板，左端為公共極板。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)時(shí)有C1=C0+ΔC，C2=C0-ΔC其中C0 是靜止時(shí)極板間電容， 是變化電容。同時(shí)，在電路中使C3-C4=Cf。則由計(jì)算可知：

　　V1、V2分別接差分放大器的兩端，電路如圖4。

　　得到：

　　其中，是差分放大器的共模增益。

　　至此，驅(qū)動(dòng)極板間電容變化量被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被轉(zhuǎn)換為電壓輸出，完成了C-V轉(zhuǎn)換。AD620AN差分增益：，取RG=10kΩ，可得G=5.94。這對(duì)示波器信號(hào)顯示是不夠的，所以后面還需接放大器。

　　在該檢測(cè)電路前一級(jí)放大器中，輸入端為虛地，所以差動(dòng)電容到放大器輸入端的分布電容對(duì)檢測(cè)影響很小[3]。而差分放大電路能抑制共同噪聲，并且抑制了零點(diǎn)漂移。

AGC反饋回路

　　AGC電路的基本原理是隨著輸入信號(hào)幅度的變化產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)變化的直流電壓(AGC電壓)，利用這一電壓去控制某種可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)[4]。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)減小;當(dāng)輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)增加。我們需要將驅(qū)動(dòng)檢測(cè)信號(hào)輸入AGC反饋電路，產(chǎn)生相應(yīng)的直流電壓，將其與參考電壓比較，來(lái)控制波形信號(hào)發(fā)生器[5]。電路如圖5所示:

　　圖5中，輸入信號(hào)經(jīng)電阻R1、R2分壓后送往運(yùn)放U1的同相輸入端，二極管D1對(duì)運(yùn)放U1的輸出信號(hào)分壓信號(hào)整流后，經(jīng)過(guò)一個(gè)形濾波電路得到一個(gè)負(fù)向的AGC電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)放U2放大后送往場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極。

　　當(dāng)輸入信號(hào)的幅值較大時(shí)，相應(yīng)地得到了較大的AGC電壓，運(yùn)放U2輸出較大的負(fù)壓至場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極，增大了場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源漏極間的電阻，從而減小了運(yùn)放U1的放大倍數(shù)。反之，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值較小時(shí)，AGC電壓也較小，運(yùn)放U2輸出也小，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源漏極間的電阻很低，使運(yùn)放U1得到較大的放大倍數(shù)，從而在U1的輸出端得到幅值較大的信號(hào)。

　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)由300mV逐漸增加到2.5V時(shí)，運(yùn)放U1的輸出信號(hào)都能基本穩(wěn)定在1.5V。通過(guò)調(diào)整電阻R9和R10的阻值，就能在U1的輸出端得到不同幅值的輸出信號(hào)。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)微機(jī)械陀螺的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)途徑主要分為自激驅(qū)動(dòng)方式和鎖相環(huán)方式。設(shè)計(jì)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路可保證陀螺始終工作在諧振頻率，從而保證優(yōu)異的系統(tǒng)性能。但是，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)需要檢測(cè)陀螺振動(dòng)情況，對(duì)電路要求較高，而且電路體積大，這需要在以后的工作中改進(jìn)的地方。