微機械陀螺的閉環(huán)驅動電路的設計與實現

　　引言

　　在科學技術突飛猛進的今天，依托現代微機械加工技術制作的微機械陀螺(MEMS陀螺)已經成為現代陀螺的代表。微機械陀螺外部接口電路可分為驅動電路和檢測電路兩個部分：驅動電路維持陀螺可動梳齒沿驅動方向以固有頻率做簡諧振動，并保持振幅的穩(wěn)定;檢測電路則把由輸入角速度引起的梳齒間電容變化轉化成相應大小的電信號，處理得到輸入角速度大小。

　　驅動信號的頻率和驅動模態(tài)的固有頻率相等，即陀螺工作在諧振狀態(tài)時，此時驅動模態(tài)振動幅度最大，電容變化量也最大，檢測靈敏度最高。然而，硅是一種熱敏材料，外界環(huán)境因素的細微變化，驅動模態(tài)的固有頻率以及品質因素會隨著發(fā)生漂移。如果驅動信號的頻率不能保持恒定，將導致振幅的變化，進而影響陀螺的檢測精度。因此設計一個能夠跟隨驅動模態(tài)固有頻率變化并維持恒定振幅的驅動電路是至關重要的，也成為微機械陀螺接口電路設計最關鍵的環(huán)節(jié)之一。

　　本文以北京微電子技術研究所自主研發(fā)的803電容式靜電驅動微機械陀螺為研究對象，重點分析了它的閉環(huán)驅動電路，對關鍵電路模塊進行了分析和設計實現。

　　閉環(huán)驅動電路分析與設計

　　閉環(huán)驅動原理

　　電容式微機械陀螺是一個機電耦合系統(tǒng)，其中存在電信號和機械振動信號的相互轉化。電容式微機械陀螺工作的基本前提是使其在驅動方向振動起來，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動電容檢測方式工作，使陀螺可動梳齒做簡諧振動，而靜電力由外部的驅動電路來提供。

　　由于電容式微機械陀螺的開環(huán)驅動電路，受外界環(huán)境因素的變化影響較大，不能夠確保陀螺驅動模態(tài)諧振振幅的穩(wěn)定性，導致陀螺在開環(huán)驅動電路驅動下靈敏度低[1]。因此，為了提高陀螺的靈敏度和穩(wěn)定性，提出了閉環(huán)驅動電路方案。其基本思想是：通過檢測驅動模態(tài)的振動頻率和幅度，反饋以調整驅動電壓的頻率和幅度，來提高陀螺運行的穩(wěn)定性。

　　電容式微機械陀螺驅動電路主要有兩種實現方式：自激驅動方式和鎖相環(huán)方式。

　　實現方式分析

　　(1)自激驅動方式

　　由于陀螺的驅動模態(tài)是一個二階振蕩系統(tǒng)，其等效電氣模型可通過線性器件模型來加以分析。所以，類似于電子正弦波振蕩器，陀螺驅動同樣可以利用自激振蕩的方法來實現。自激振蕩形成了一個閉環(huán)系統(tǒng)：當驅動模態(tài)的振動頻率小于驅動模態(tài)的固有頻率時，AGC使環(huán)路的增益變大，閉環(huán)系統(tǒng)失去穩(wěn)定，從而使驅動模態(tài)的振動幅度增大;同理，當驅動模態(tài)的振動頻率大于驅動模態(tài)的固有頻率時，環(huán)路的增益變小，使驅動模態(tài)的振動幅度減小;系統(tǒng)環(huán)路增益最終保持恒定值，達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

　　自激驅動系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。微機械陀螺的驅動檢測電容變化被C-V轉換模塊檢測出來，通過信號解調塊解調成相應的驅動振動幅度，然后由AGC反饋回路根據檢測的振動幅度調相應的驅動信號，使驅動信號頻率向驅動模態(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，構成一個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)本質上是一個相位負反饋的自動控制系統(tǒng)，相當于一個中心頻率可跟蹤目標信號頻率的窄帶帶通濾波器，因此鎖相環(huán)具有跟蹤功能。