操作的MEMS科里奥利振动陀螺仪

本文讨论了微机电系统的各种控制机制科里奥利振动陀螺仪(汇报),以及他们如何可以应用与商用现货HF2LI锁定放大器。

MEMS陀螺仪是一种微机械惯性装置,可用于测量旋转的角速率或取向的角度。的原理依赖于振动结构悬浮在一种科里奥利力可以作为质量检测经验一个旋转相对于惯性空间。

锁定放大器可以有效地感觉这些科里奥利力。此外,反馈控制通常用于增强振动性能,提高整体性能。为了实现高精度传感,许多控制循环并行运行和控制基础设施可能会变得复杂起来。

本文提供了实际的例子,实现闭环和开环控制的例子。如何执行一个基本的陀螺仪驱动方式控制使用锁相环(PLL)和自动增益控制(AGC)将解释道。

然后结合驱动方式控制闭环force-to-rebalance操作或开环传感。电-机械调幅还将解释道。

所有感兴趣的信号的振幅调制方案。拒绝寄生虫的影响,这可以提高陀螺仪的性能。

HF2LI提供了广泛的功能,使其成为强大的仪器驱动和描述加速度计,振动陀螺仪等MEMS振荡结构。的主要功能是内置信号调制和解调在许多并行的频率,锁相环,振幅控制和PID控制器。这两个50 MHz低噪声信号输入和输出对启用控制振动陀螺仪的驱动和感觉模式(图1)。

图1所示。苏黎世仪器HF2LI锁定放大器包含执行基本谐振器控制的基础设施以及先进的陀螺仪操作。

HF2LI锁定放大器的概述

仪器的内部结构的知识有助于理解HF2LI数字锁定放大器用于陀螺仪的应用程序。

图2。HF2LI解调原理的不同设置,总结在表1。底部的简化符号用于本文的示意图。

任何锁定放大器的最重要的组件是执行的窄带滤波信号的解调感兴趣的特定频率。解调结果,有一个精确的测量信号的相位和振幅即使信号似乎覆盖了噪音。

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,两个搅拌机,cartesian-to-polar转换器。选择输入信号乘以规范化发出一个六输入正弦振荡器,运营在一个定义的频率ω。

sin可能harmoicω,它可能阶段转移之前应用于搅拌机。两个搅拌机使用90º相互相移来确定输入信号的同步和不同相的组件,使计算输入信号的振幅和相位频率ω。

谐波和相移设置影响调制器的输出,并可以使用作为一个励磁信号设置。

表1总结了HF2LI解调器的所有设置。

表1。解调器参数

信号/参数	描述
输入选择	每个解调器可以被连接到两个信号的输入
Osc选择	每个解调器可以连接到任何的六个振荡器。
伤害	谐波,通常是“1”。倍频解调更高的谐波
相移吗?	振荡器之间的相位变化和输入/输出机
TC, BW	时间常数或低通滤波器的带宽
订单	筛选器顺序从1到8
解调器	X, Y, R,ϴ的测量信号
正弦信号输出	正弦信号的信号可以连接到任何两个信号输出

我们可以看到在图3中,有8个利用HF2LI解调器花。其中两个是用于锁相环操作,用户可以配置6个最灵活的方法。

输入和输出搅拌机,解调器的输入或输出可以连接到任何的两个物理输入和输出设备。来自不同的信号解调器花可以增加和添加的输出多路复用器。这允许将来自两个或多个信号调制器输出的总和。

振幅或频率调制和解调调制选项可以执行在HF2LI (HF2LI-MOD)。使用这个灯选项,振荡器的解调器驱动图2可以改变使解调器进行振幅解调。

在图4中,可以看出振荡器信号应用到解调器2和3现在和差异的两个频率之和。

因此,直接边带调幅信号的解调可以执行。例如,一个信号的载波频率f₁= 52赫兹的频率和振幅调制f₂= f₃= 2 kHz可以直接在边带调制频率52 + 2 kHz和52 - 2千赫。

一般来说,两个锁定放大器系列被要求执行这个操作。同样,一个或两个调制和载波频率的HF2LI可以控制或固定锁相环。这使得直接执行边带解调,同时运行使用锁相环谐振器在其自然共振频率。

图3。HF2LI输入和输出示意图显示2信号输入,2信号发生器输出,6利用解调器花和2锁相环(见示意图需要HF2LI-PLL和HF2LI-MF选项)。

图4。三个HF2LI的示意图与振幅调制解调器花。HF2LI调制选项,用户可以定义载频f1和f2和f3边带频率的振幅调制。因此,解调器2将运行频率和f1 + f2和解调器3差频f1-f2(如果没有使用谐波)。这使的直接解调信号显然f1 + f2和f1-f2。任何振荡器频率f1, f2和f3可以是动态的,因此,例如,由锁相环控制或外部引用。

陀螺仪操作

本节将讨论最重要的控制和传感模式MEMS陀螺仪使用HF2LI锁定放大器。这将提供一个更好地了解到陀螺仪控制机制的基本知识和如何使用HF2LI锁定放大器驱动的控制——和sense-modes振动。

驱动模式控制

使用锁相环,振动的振动陀螺仪维持在共振驱动方式控制。PID控制器是用来防止机械振幅恒定,或者汇报工作的性能可以degrad由于温度漂移。

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方式。必须指出可能需要额外的电路,这不是图所示如电流-电压转换。

一个偏移量(V_抵消)通常是应用于静电驱动的驱动信号。这抵消与外部电路可以添加或添加连接器HF2LI面板,这是非常方便。

锁相环锁的谐振频率驱动模式。解调器的调制器输出1是用于驱动方式的激励。的相移Φ_X振荡的振幅调制器将最大化。Φ阶段_X通常是90度,除非信号阶段显著影响陀螺仪的电子产品。

因此,这个循环关闭锁相环锁相环1控制振荡器的频率1。此外,激励振幅由AGC环路保持不变。

使用PID控制器AGC比较和规范驱动模式振荡幅度到特定的定位点。解调器的解调器输出X 2与零相移是一个PID控制器的输入。必须指出第二解调器必须设置独立解调相位调制器的输出阶段(图2)。

图5。陀螺仪或一般谐振器驱动方式控制通过锁相环路和自动增益控制的PID控制器。锁相环使其自然谐振频率的谐振器。PID保持固定的谐振器振幅。

感觉开环控制模式

在最简单的陀螺仪仪器,陀螺仪驱动方式控制应用在前一节中所讨论的,和sense-mode实现开环。这种方法的一个基本操作原则和广泛使用。这方面的一个例子(普里霍季科2012)和(2013年普里霍季科)。

图6显示了解调器的输入3连接到陀螺仪sense-mode输出。解调器3利用振荡器1,这是由锁相环控制。确保组件Y解调器3是科里奥利输出角速率成正比,和解调器的组件X 3正交误差,Φ解调器相转变_Y调整。

Φ阶段_Y通常是设定的试验和错误,直到组件旋转X不敏感(陀螺旋转时)。它可以-90度到90度之间基于模式匹配的条件(不同的自然频率驱动器,sense-mode)。

振幅衰减时间常数τ_y方程(5)限制了陀螺仪响应时间输入旋转,这限制了带宽的陀螺仪林奇(1998)。Force-to-rebalance控制必须使用增加的带宽(减少响应时间)和删除频率不匹配的影响Δω陀螺仪比例因子,

图6。陀螺仪控制闭环驱动方式和开环sense-mode测量。驱动模式是由一个锁相环和一个自动增益控制的方法。陀螺仪的输出是一个振荡的模式来衡量一个解调器运行在相同的频率锁相环的驱动方式。

力量——平衡控制

林奇(1998)描述了force-to-rebalance(功能处理量)模式速率陀螺仪测量的操作细节。四个控制回路的驱动,sense-modes MEMS科里奥利振动陀螺仪可以看到在图7中。具体地说,两个输入信号的陀螺仪(从动力和感觉模式)是获得同步和解调in-quadrature(不同相的)信号_xc_x,年代_yc_y(符号方便采用了林奇(1998))。

c的信号_x和s_x不同相的Y和同相X分量的解调器输出驱动方式振动。同样,年代的信号_y和c_y不同相的Y和同相sense-mode解调器的X分量。

当解调阶段Φ_X和Φ_Y设置为前面解释的,这些信号的物理意义是:c_x驱动方式振幅,年代代表_x代表驱动方式阶段,c_y代表科里奥利振幅(与转速成比例)和s_y代表正交误差。

这四个信号作为四个控制回路的输入,其中包括一个锁相环。虽然使用PID控制器,微分项D通常不使用。PID控制信号的积累来获得一个驱动器输出,这是美联储sense-mode控制陀螺仪。

驱动方式控制是一样的在前一节中讨论。通过调节解调器的振幅调制器输出的2 4(90度相移),PID控制器2维护解调器3的输出Y为零。

同样通过调节解调器的振幅调制器输出的2 2(0度相移),PID控制器3 X解调器3的输出为零。

功能处理量模式扩展了陀螺仪的开环sense-mode带宽超出了限制,通常由振幅衰减时间常数限制。P,我收益循环功能处理量的带宽控制。功能处理量的比例因子更稳定,因为它不依赖于频率不匹配(与开环比例因子)。

图7。陀螺仪闭环驱动方式和闭环控制模式。这种模式通常被称为力平衡(功能处理量)。与功能处理量、速率和意义上的正交输出模式抑制了反馈控制的手段。必要的反馈力的测量角位移。

载波调制

在陀螺仪的应用程序中,一个载波频率调制方案用于提高检测灵敏度(Trusov 2007)。寄生效应的背景噪音和贡献被载波调制。

的HF2LI尤其适合这个任务,因为它是唯一的数字锁定放大器驱动的完全控制所需的足够的基础设施和感觉模式包括载波调制。

图8。陀螺仪驱动方式控制载波调制时使用。陀螺仪信号的共振频率f_Res振幅调制和载波频率f_c。因此,兴趣转移到频率f的信号_c+ f_Res和f_c- f_Res。显示设置(我)锁边带f_c+ f_Res通过锁相环,(2)直接解调的边带f_c+ f_Res(3)计算励磁频率f_Res从f_c+ f_Res和f_c通过国防部选项,及(iv)激发陀螺仪驱动模式f_Res与控制(AGC)。

除了前面提供的控制回路,一个载波信号在频率f_c(一个数量级高于陀螺谐振运动)用于分离寄生电容馈通。图8显示了解调器如何在这种情况下运作。

这种方法被称为机电调幅(像),和用于如(普里霍季科普里霍季科2011年,2012年)。这个方法的实现需要边带陀螺仪运动信号的解调动力和方向,以防quadruple-mass的陀螺仪(评分)中使用(2011年普里霍季科)通常是在2 kHz调制频率和载波信号选择在52赫兹。

我们可以看到在图8中,9日和10日,52赫兹的载波信号从一个信号发生器是美联储陀螺。而首次采用锁定放大器的输入驱动方式的信号陀螺仪传感器,第二个输入用于sense-mode信号读出。

第一个输出用于控制驱动方式,和第二输出用于控制sense-mode。两种模式生成输出信号在陀螺仪的自然振荡频率大约是2千赫。

同时控制三个变量:c_x(振幅),c_y(率)和s_y(正交)闭环陀螺仪操作至关重要。这是通过使用3 PID控制器(不含锁相环)、调节器产生反馈信号频率的振荡器1和三个不同的相对相移。

解调器3措施驱动方式振荡的振幅和PID 1控制它。的速度和正交解调器6措施sense-mode振荡,以及PID 2和PID 3控制这两个方面,分别。

如果解调器花3和6的解调阶段设定为零和Φ_Y(在前一节中解释),解调器3是振幅的组件X, Y组件的解调器6是速度,和解调器的组件X 6是正交的。

解调后,这三个组件是美联储pid,维持振幅恒定的水平,速度信号和求积为零。PID输出调制的输出(即通过控制振荡器的输出振幅信号),以形成一个反馈信号。

微不足道的相移被假定在陀螺仪前端的电子产品,和解调器的调制器输出2 90度相位偏移利用速度和振幅反馈。交调零,调制解调器5和0度的输出相移。最后,在控制信号反馈到陀螺仪,调制输出总结。

图9。陀螺仪控制闭环驱动方式和force-to-rebalance(功能处理量),当载波调制。

图9中的示意图假定有一个90度的相移之间的作用力和位移共振,即相位调制器的输出在解调器2设置为90度。

图10中的示意图可以实现如果这个相位关系是影响陀螺仪的前端电子学。交流相比,正交阵列天线在图9中,提出正交修正可以实现直流电压时的专用陀螺仪电极。

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,振幅最大。率信号现在nul调制器的输出与调制解调器5阶段的90度。

图10。与force-to-rebalance陀螺仪控制,直流正交载波调制和调优。

角读出

与速度测量模式已预定的轴振动,振动模式的自由进动角中需要测量模式(角)。使用角读出,一个陀螺仪可以没有错误操作引起的一种驱动力量。

为了获得的结果(普里霍季科2011)和(2013年普里霍季科),实现角读出图10所示。见第五章(普里霍季科2013),c解调组件_x,年代_xc_y,年代_y陀螺仪传感器的信号是用来计算二次不变量。这被用来发现的直接价值进动角θ(t)林奇(1998)。

角操作是用于开环(普里霍季科2011)。为了开始振动,2 kHz频率操作的陀螺仪是静电驱动到反相共振与锁相环运动,当时突然关闭(init开关在图11)。

为了检测动力和意义上的振荡模式和测量进动角,一个像与边带解调技术。c的角是离线计算解调组件_x,年代_xc_y,年代_y使用一台电脑。

图11。与载波调制陀螺角和开环读出模式。

HF2LI用户受益

多个控制回路必须并行运行,控制振动陀螺仪是一项复杂的任务。低噪声电子和高精度达到最大的性能至关重要。因为它结合了所需的灵活性和精度在一个单一的工具,HF2LI锁定放大器是理想的陀螺仪控制。

两个低噪声输入,两个锁相环,两个信号发生器,四个通用PID控制器,和六个利用锁定放大器是可用的,并且可以结合来实现所需的功能。

众多功能用于控制驱动和感觉模式振动与自然谐振器频率锁相环锁定,正交控制回路,force-to-rebalance控制,最优性能和载波调制技术可以在一个HF2LI乐器。这使得HF2LI最准确的锁定放大器的分离从有用的同相分量正交分量(代表汇报科里奥利反应),这是商业上可用。

除了提到的特色,HF2LI提供了一组工具,能够帮助实验者分析测量和快速找到合适的参数设置。所有这些功能都是在用户界面软件。

• 锁相环顾问:模拟器ro找到锁相环参数
• 在共振频率ZoomFFT:频谱。地面系统扰动等问题和锁相环的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调节器:模拟器来检测PID参数
• 分光镜:提供了瞬时振幅和频率的信号。有助于设置PID参数测量和监控设备的时候。
• 清洁工:有助于找到所需的共振频率和适当的移相共振的锁相环
• 品质因数测量通过扫频或测量衰减时间

除了HF2LI,苏黎世的仪器还提供了UHFLI锁定放大器。HF2LI组成一个高度相似的特性集,UHFLI可以在频率600 MHz。的最小时间常数UHFLI较低,而其PID控制器更快。这使它适合应用在更高的带宽控制是必需的。

确认

本应用笔记写一起Igor普里霍季科,前加州大学欧文的微系统实验室,现在在模拟设备,Inc .威尔明顿马,美国。

我们也要感谢a . a . Trusov a . m . Shkel和s a Zotov微系统实验室的加州大学欧文的深刻讨论关于汇报工作和支持。

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这些信息已经采购,审核并改编自苏黎世仪器提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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