陀螺儀雙相采樣前端放大器及陀螺儀信號(hào)采樣控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陀螺儀雙相采樣前端放大器，其包括連接陀螺儀傳感器模型電路的上極板連接端及下極板連接端的運(yùn)算放大器、連接于陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路之間的電源、接設(shè)于所述電源與運(yùn)算放大器回路之間的第一開關(guān)對(duì)及第二開關(guān)對(duì)、設(shè)置于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路中的多個(gè)充放電器件、時(shí)鐘源，充放電器件連接所述電源并根據(jù)第一開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行充電且根據(jù)第二開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行放電。本發(fā)明解決了現(xiàn)有陀螺儀電路前端放大器中間極板不能直接連接實(shí)地的問(wèn)題，對(duì)共模電壓漂移不敏感，能夠消除參考電容失配引入的誤差，可以降低電路的失調(diào)和低頻噪聲。本發(fā)明還公開了一種集成陀螺儀前端采樣放大器的信號(hào)采樣控制方法。
【專利說(shuō)明】陀螺儀雙相采樣前端放大器及陀螺儀信號(hào)采樣控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陀螺儀雙相采樣前端放大器電路及其信號(hào)控制原理。

【背景技術(shù)】
[0002]高精度陀螺儀和加速度計(jì)由于在精密導(dǎo)航、汽車電子、智能機(jī)器人、工業(yè)控制和消費(fèi)電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，而備受青睞。MEMS陀螺儀可等效為一對(duì)動(dòng)態(tài)的差分變化電容，其電容變化能夠反映待測(cè)物理量的變化，電容變化量一般10_18?10_12F，對(duì)電容讀出電路的靈敏度、分辨率和線性范圍都提出了較為苛刻的要求。現(xiàn)有陀螺儀的中間極板都是要接實(shí)地的，然而現(xiàn)有的陀螺儀讀出電路前端電容電壓轉(zhuǎn)換模塊一端接入電源Vdd，另一端接地，其中間極板不能直接連接地(如圖1常規(guī)技術(shù)的一種實(shí)施例所示)，中間極板接入電壓為Vdd/2 (Vcm)，而其大多數(shù)是通過(guò)連接一個(gè)超大電阻接地的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接連接實(shí)電源地來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在解決前述缺陷，設(shè)計(jì)一種陀螺儀雙相采樣前端放大器，以解決現(xiàn)有陀螺儀傳感器模型電路前端放大器中間極板不能直接連接實(shí)地的問(wèn)題。本發(fā)明陀螺儀前端放大器結(jié)構(gòu)通過(guò)雙相開關(guān)方式，對(duì)共模電壓漂移不敏感，并能夠消除參考電容失配引入的誤差，同時(shí)結(jié)合相關(guān)雙采樣技術(shù)，以降低本發(fā)明電路的失調(diào)和低頻噪聲。
[0004]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:陀螺儀雙相采樣前端放大器，它連接于陀螺儀傳感器模型電路，包括:連接所述陀螺儀傳感器模型電路的上極板連接端、下極板連接端的運(yùn)算放大器；連接于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路之間的至少一對(duì)電源；接設(shè)于所述電源與運(yùn)算放大器回路之間的第一開關(guān)對(duì)、第二開關(guān)對(duì)；以及設(shè)置于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路中的多個(gè)充放電器件，它們連接所述電源并根據(jù)第一開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行充電且根據(jù)第二開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行放電。其進(jìn)一步包括時(shí)鐘源，設(shè)計(jì)所述時(shí)鐘源以:設(shè)定第二時(shí)鐘T2，在此時(shí)閉合第一開關(guān)對(duì)以通過(guò)電源為充放電器件進(jìn)行充電，使運(yùn)算放大器采集第一采樣信號(hào)；設(shè)定第一時(shí)鐘T1，在此時(shí)閉合第二開關(guān)對(duì)使得所述充放電器件對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行放電，使運(yùn)算放大器采集第二采樣信號(hào)，隨后通過(guò)其差分輸出端輸出電壓信號(hào)給后續(xù)處理電路加以處理。
[0005]進(jìn)一步地，陀螺儀傳感器模型電路較佳地包括設(shè)于陀螺儀表頭上的上極板連接端、中間極板連接端及下極板連接端，其中所述中間極板連接端連接實(shí)地。其中上極板連接端連接第一電源(Vh)或第二電源(')，所述下極板同樣連接端連接第一電源或第二電源。上、下極板連接端根據(jù)中間極板成對(duì)稱式設(shè)置，在中間極板處電勢(shì)為零。
[0006]其中，在電源(包括第一、第二電源，或者一個(gè)電源提供的兩個(gè)高低電位，例如高電平設(shè)為電源電壓，低電平設(shè)為電源地電壓)與上極板連接端、下極板連接端之間設(shè)置有開關(guān)對(duì)，用于在第一電源時(shí)，控制開關(guān)對(duì)閉合來(lái)對(duì)第一、第二傳感器等效電容充電，在第二電源時(shí)，斷開其中的一部分開關(guān)對(duì)而閉合另一部分開關(guān)對(duì)，使得傳感器等效電容根據(jù)第二電源提供的電位差向后級(jí)電路釋放電荷，即根據(jù)陀螺儀自身感測(cè)到的慣性力偏向進(jìn)行放電。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，所述充放電器件包括至少一對(duì)電容器。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一對(duì)電源包括提供第一電壓Vh的第一電源，及提供第二電壓 '的第二電源，其中所述第一電源通過(guò)第一開關(guān)對(duì)的閉合為所述陀螺儀傳感器模型電路、充放電器件進(jìn)行充電；所述第二電源通過(guò)第二開關(guān)對(duì)的閉合接入充放電器件以使之放電而使運(yùn)算放大器產(chǎn)生控制電壓。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括一對(duì)可調(diào)電源，用于為所述充放電器件提供第三電壓 Vu, V
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括第三開關(guān)對(duì)，耦合于所述充放電器件與運(yùn)算放大器之間，在時(shí)鐘源設(shè)定的第三時(shí)間周期T2a內(nèi)得以閉合而使運(yùn)算放大器輸出復(fù)位。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述至少一對(duì)電源與運(yùn)算放大器的連接回路上設(shè)置中性接地點(diǎn)，即與前述中間極板的等電勢(shì)位置處均接地設(shè)置。
[0012]基于前述方案，本發(fā)明還公開了一種集成陀螺儀前端采樣放大器的信號(hào)采樣控制方法，包括步驟:1)通過(guò)時(shí)鐘源提供第二時(shí)鐘T2，此時(shí)控制第一開關(guān)對(duì)閉合，以使得第一電源為充放電器件、陀螺儀傳感器模型電路提供第一電壓Vh以進(jìn)行充電；2)通過(guò)時(shí)鐘源在所述第一時(shí)鐘T1后提供第二時(shí)鐘T2，此時(shí)控制第二開關(guān)對(duì)閉合，以使得第二電源為充放電器件、陀螺儀傳感器模型電路提供第二電壓\以使之進(jìn)行放電；3)提供第三時(shí)鐘T2a，此時(shí)閉合第三開關(guān)對(duì)而使運(yùn)算放大器輸出復(fù)位；4)通過(guò)可調(diào)電容、充放電器件向運(yùn)算放大器進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，使得所述運(yùn)算放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓控制信號(hào)加以輸出。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中,所述第一時(shí)鐘T1、第二時(shí)鐘T2與第三時(shí)鐘T2a各不相同。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，步驟I)進(jìn)一步包括步驟:通過(guò)一對(duì)可調(diào)電源為所述充放電器件提供第三電壓Vu, Vd。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1示意性繪示出常規(guī)技術(shù)的一種中間極板接入VDD/2(Vcm)的陀螺儀前端放大器的電路原理圖；
[0016]圖2概括性繪示出本發(fā)明實(shí)施例的前端放大器的電路原理圖；
[0017]圖3為本發(fā)明時(shí)鐘源所提供的時(shí)鐘信號(hào)示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明前端放大器處于時(shí)鐘T2下的等效電路圖；
[0019]圖5為本發(fā)明前端放大器處于時(shí)鐘T1下的等效電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]參照?qǐng)D2，一個(gè)陀螺儀傳感器模型電路實(shí)施例的中間極板連接實(shí)地且具有單電源供電，包括陀螺儀表頭上設(shè)置的上極板連接端Stop，中間極板連接端Scto和下極板連接端Sb0to其中，上極板連接端Stop連接第一電源Vh(設(shè)為電源電壓)或第二電源'(設(shè)為電源地電壓)，下極板連接端Sbrt同樣對(duì)稱地連接第一電源或第二電源，其中在上極板連接端Stop與中間極板連接端S&之間。
[0021]進(jìn)一步地在圖2中，一個(gè)雙相采樣前端放大器連接于陀螺儀傳感器模型電路，它較佳地包括正、負(fù)輸入端各自連接所述陀螺儀傳感器模型電路的上極板連接端S_、下極板連接端Sbtrt的運(yùn)算放大器A ;連接于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器A之間的電源；接設(shè)于所述電源與運(yùn)算放大器A之間的第一開關(guān)對(duì)、第二開關(guān)對(duì)；以及充放電器件，連接于所述電源，并根據(jù)第一開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行充電且根據(jù)第二開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行放電。在圖2中,第二開關(guān)對(duì)包括相互根據(jù)電路的橫向中心對(duì)稱設(shè)置的S2u、S2d、S4u> S4d> S7u> S7d、S9u>S9d，第一開關(guān)對(duì)包括Slu、Sld、

S3U、S3d、S5U^ S5d、Sgu Λ Sgd Λ S10u Λ S1QdO 而且，充放電器件包括圖中所示的以各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)對(duì)稱設(shè)置的電容器。
[0022]其中，上極板連接端Stop與開關(guān)Slu連接，開關(guān)Slu的另一端連接直流電壓VH。開關(guān)S2u的一端與上極板連接端Sttjp連接，另一端連接開關(guān)S3u的一端、開關(guān)S4u的一端以及電容器Clu的一端。開關(guān)S3u的另一端連接可調(diào)電壓Vu ;電容器Clu的另一端連接實(shí)地；開關(guān)S4u的另一端連接開關(guān)S5u的一端、電容器C2u的一端、電容器C3u的一端及電容器C4u的一端。開關(guān)S5u的另一端連接實(shí)地。電容器C2u的另一端連接開關(guān)S6u的一端及開關(guān)S7u的一端，開關(guān)S6u的另一端連接電壓VH，開關(guān)S7u的另一端連接電壓\。電容器C3u的另一端連接運(yùn)算放大器A的反向輸入端及開關(guān)S8u的一端。開關(guān)S8u的另一端連接開關(guān)S9u的一端及運(yùn)算放大器A的正向輸出端￥。_。電容器C4u的另一端連接開關(guān)S9u的另一端及開關(guān)Sltlu的一端。開關(guān)S10u的另一端連接模擬地。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，中間極板連接端S&連接電源實(shí)地。相對(duì)應(yīng)地，在電源VH、Vl與運(yùn)算放大器A的連接回路上，即Slu與Sld、S5u與S5d之間相對(duì)應(yīng)地設(shè)置接地點(diǎn)，即與前述中間極板的等電勢(shì)位置處均接地設(shè)置。
[0024]在另一個(gè)實(shí)施例中，下極板連接端Sbtrt與開關(guān)Sld連接，開關(guān)Sld的另一端連接電壓νΗ。開關(guān)S2d的一端與下極板連接端Sbtrt連接,另一端連接開關(guān)S3d的一端、開關(guān)S4d的一端以及電容器Cld的一端。開關(guān)S3d的另一端連接可調(diào)電壓Vd ；電容器Cld的另一端連接實(shí)地；開關(guān)S4d的另一端連接開關(guān)S5d的一端、電容器C2d的一端、電容器C3d的一端及電容器C4d的一端。開關(guān)S5d的另一端連接實(shí)地。電容器C2d的另一端連接開關(guān)S6d的一端及開關(guān)S7d的一端，開關(guān)S6d的另一端連接電壓Vh,開關(guān)S7d的另一端連接電壓\。電容器C3d的另一端連接運(yùn)算放大器A的正向輸入端及開關(guān)S8d的一端。開關(guān)S8d的另一端連接開關(guān)S9d的一端及運(yùn)算放大器A的反向輸出端Vwtn。電容器C4d的另一端連接開關(guān)S9d的另一端及開關(guān)Sltld的一端。開關(guān)Sltld的另一端連接模擬地。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)S2u、S2d、S4u、S4d、S7u、S7d、S9u、S9d均由一個(gè)時(shí)鐘源(圖2中不必要繪示出)時(shí)鐘信號(hào)T1控制，開關(guān)Slu、Sld、S3u、S3d、S5u、S5d、S6u、S6d、S10u, Slod均由時(shí)鐘信號(hào)T2控制。而在另一個(gè)實(shí)施例中，其中開關(guān)S8U、S8d均由時(shí)鐘信號(hào)T2a控制。
[0026]圖3為本發(fā)明的時(shí)鐘輸入信號(hào)時(shí)序圖。從圖3中的時(shí)序圖可以看出，第二時(shí)鐘T2高電平時(shí)的下降沿與第一時(shí)鐘!\的上升沿具有非重疊時(shí)間I，第三時(shí)鐘T2a與第二時(shí)鐘1~2在下降沿具有非重疊時(shí)間II，第一時(shí)鐘T1、第二時(shí)鐘T2與第三時(shí)鐘T2a長(zhǎng)度各不相同，由模擬器件的特性決定。
[0027]當(dāng)?shù)诙r(shí)鐘信號(hào)T2 為高電平時(shí)，控制開關(guān) Slu、Sld、S3u、S3d、S5u、S5d、S6u、S6d、S10u, Slod,S8u及S8d處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的電路工作狀態(tài)為如圖4所示的等效電路。此時(shí)電容器CS1、CS2、C2u、C2d連接Vh，開始集聚電荷；電容器Clu、Cld分別連接可調(diào)電壓Vu、Vd，開始集聚電荷；電容器C4u、C4d連接模擬地端，開始集聚電荷；從而電容器C3U、C3d的電荷量保持不變；運(yùn)算放大器A處于復(fù)位狀態(tài)。
[0028]當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)T1為高電平時(shí)，控制開關(guān)S2u、S2d、S4u、S4d、S7u、S7d、S9u、S9d處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的電路工作狀態(tài)為如圖5所示的等效電路。此時(shí)，第二電壓'為0V，接入電容器，使得電容器CS1、CS2、C2u、C2d、Clu、Cld、C4u、C4d上聚集的電荷量均處于放電，向電容器C3u、C3d上轉(zhuǎn)移電荷。運(yùn)算放大器A將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)由差分輸出端Vtjutn輸出。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例僅為示意性描述技術(shù)效果，其所要求保護(hù)的范圍是由所附權(quán)利要求書加以限定的。
【權(quán)利要求】
1.一種陀螺儀雙相采樣前端放大器，連接于陀螺儀傳感器模型電路，其特征在于包括:連接所述陀螺儀傳感器模型電路的上極板連接端、下極板連接端的運(yùn)算放大器； 連接于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路之間的至少一對(duì)電源； 接設(shè)于所述電源與運(yùn)算放大器回路之間的第一開關(guān)對(duì)、第二開關(guān)對(duì)； 以及設(shè)置于所述陀螺儀傳感器模型電路與運(yùn)算放大器回路中的多個(gè)充放電器件，充放電器件連接所述電源并根據(jù)第一開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行充電且根據(jù)第二開關(guān)對(duì)的閉合進(jìn)行放電； 還包括時(shí)鐘源，設(shè)計(jì)所述時(shí)鐘源以:設(shè)定第二時(shí)鐘T2,在此時(shí)閉合第一開關(guān)對(duì)以通過(guò)電源為充放電器件進(jìn)行充電，使運(yùn)算放大器采集第一采樣信號(hào)；設(shè)定第一時(shí)鐘T1，在此時(shí)閉合第二開關(guān)對(duì)使得所述充放電器件對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行放電，使運(yùn)算放大器采集第二采樣信號(hào)，隨后通過(guò)其差分輸出端輸出電壓信號(hào)給后級(jí)處理電路加以處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀雙相采樣前端放大器，其特征在于:所述陀螺儀傳感器模型電路包括設(shè)于陀螺儀表頭上的上極板連接端、中間極板連接端及下極板連接端，其中所述中間極板連接端連接實(shí)地，所述上極板連接端和下極板連接端分別接至電源，且根據(jù)中間極板成對(duì)稱式設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀雙相采樣前端放大器，其特征在于:所述至少一對(duì)電源包括提供第一電壓Vh的第一電源，及提供第二電壓\的第二電源，其中所述第一電源通過(guò)第一開關(guān)對(duì)的閉合為所述陀螺儀傳感器模型電路、充放電器件進(jìn)行充電；所述第二電源通過(guò)第二開關(guān)對(duì)的閉合接入充放電器件以使之放電而使運(yùn)算放大器產(chǎn)生控制電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陀螺儀雙相采樣前端放大器，其特征在于:進(jìn)一步包括一對(duì)可調(diào)電源，用于為所述充放電器件提供第三電壓Vu, VD。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀雙相采樣前端放大器，其特征在于:在所述至少一對(duì)電源與運(yùn)算放大器的連接回路上設(shè)置中性接地點(diǎn)，即與前述中間極板的等電勢(shì)位置處均接地設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀雙相采樣前端放大器，其特征在于:進(jìn)一步包括第三開關(guān)對(duì)，耦合于所述充放電器件與運(yùn)算放大器之間，在時(shí)鐘源設(shè)定的第三時(shí)間周期T2a內(nèi)得以閉合而使運(yùn)算放大器復(fù)位。
7.一種基于權(quán)利要求1的陀螺儀雙相采樣前端放大器的陀螺儀信號(hào)采樣控制方法，其特征在于包括步驟: 1)通過(guò)時(shí)鐘源提供第二時(shí)鐘T2，此時(shí)控制第一開關(guān)對(duì)閉合，以使得第一電源為充放電器件、陀螺儀傳感器模型電路提供第一電壓Vh以進(jìn)行充電； 2)通過(guò)時(shí)鐘源在所述第一時(shí)鐘T1后提供第二時(shí)鐘T2，此時(shí)控制第二開關(guān)對(duì)閉合，以使得第二電源為充放電器件、陀螺儀傳感器模型電路提供第二電壓\以使之進(jìn)行放電； 3)提供第三時(shí)鐘T2a，此時(shí)閉合第三開關(guān)對(duì)而使運(yùn)算放大器復(fù)位； 4)通過(guò)陀螺儀傳感器模型電路、充放電器件向運(yùn)算放大器進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，使得所述運(yùn)算放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓控制信號(hào)加以輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陀螺儀信號(hào)采樣控制方法，其特征在于在步驟I)中進(jìn)一步包括:通過(guò)一對(duì)可調(diào)電源為所述充放電器件提供第三電壓Vu, VD。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陀螺儀信號(hào)采樣控制方法，其特征在于:所述第一時(shí)鐘T1、第二時(shí)鐘T2與第三時(shí)鐘T2a時(shí)長(zhǎng)各不相同。
【文檔編號(hào)】G01C19/5776GK104197922SQ201410373278
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李榮寬, 薛曉軍, 周駿 申請(qǐng)人:嘉興市納杰微電子技術(shù)有限公司