本發(fā)明屬于角速度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于硅微音叉陀螺的集成測(cè)控單元。

背景技術(shù)：

基于硅微機(jī)械加工工藝的音叉陀螺具有體積小，可批量加工的特點(diǎn)，在中低精度應(yīng)用中具有廣泛的市場(chǎng)。

現(xiàn)有硅微音叉陀螺的微機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。質(zhì)量塊101與質(zhì)量塊102被彈性梁103，104，105，106，107，108支撐在錨點(diǎn)103上。質(zhì)量塊101，102可以在x，y兩個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)。定義x方向?yàn)轵?qū)動(dòng)方向，y方向?yàn)闄z測(cè)方向。通過(guò)在驅(qū)動(dòng)梳齒電容109，104，107，108上施加驅(qū)動(dòng)電壓從而產(chǎn)生靜電力。質(zhì)量塊101，102在靜電力的作用下反相運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有z軸角速度輸入時(shí)，由于哥氏加速度的作用，質(zhì)量101，102會(huì)在y方向受到哥氏力的作用，從而在檢測(cè)方向產(chǎn)生反相位移，通過(guò)檢測(cè)電容113，114，115，116可以讀出位移，從而計(jì)算出角速度的值。除去開環(huán)測(cè)量外，還可以通過(guò)檢測(cè)電容產(chǎn)生靜電力，將檢測(cè)方向的位移控制在0，通過(guò)靜電力的大小也可以計(jì)算出角速度的大小。

這種音叉陀螺具有雙質(zhì)量結(jié)構(gòu)，主要工作模態(tài)有驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)。驅(qū)動(dòng)模態(tài)主要指陀螺的兩個(gè)質(zhì)量塊在測(cè)控電路輸出的靜電力作用下，在驅(qū)動(dòng)方向上以反向方式保持穩(wěn)定幅度的振動(dòng)。當(dāng)有Z軸角速度輸入時(shí)，陀螺坐標(biāo)系內(nèi)會(huì)受到哥氏力的作用，檢測(cè)模態(tài)在哥氏力的作用下會(huì)產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)模態(tài)正交的位移，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)模態(tài)的位移可以計(jì)算出輸入角速度的值。

測(cè)控電路在陀螺中起重要的作用。首先驅(qū)動(dòng)模態(tài)的穩(wěn)幅振動(dòng)是由測(cè)控電路來(lái)控制的。其次，為了保證角速度的測(cè)量精度，信號(hào)的檢測(cè)，解調(diào)過(guò)程都需要高精度電路的支撐。在一個(gè)良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，陀螺輸出的噪聲很大程度上取決于測(cè)控電路的噪聲。為了抑制陀螺在溫度變化過(guò)程中性能的漂移，溫度補(bǔ)償電路也是必不可少的。

隨著測(cè)控電路集成的功能越來(lái)越多，基于分立器件的測(cè)控電路體積與功耗也不斷增加，給實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)到工程應(yīng)用中的轉(zhuǎn)換帶來(lái)較大的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于硅微音叉陀螺的集成測(cè)控單元，體積小、功耗低。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種用于硅微音叉陀螺的集成測(cè)控單元，包括跨阻式前置放大器、電荷式前置放大器、自動(dòng)增益控制器、第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬乘法器、數(shù)字模塊，所述自動(dòng)增益控制器的輸入端與跨阻式前置放大器的第一速度信號(hào)輸出端相連，其輸出端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，跨阻式前置放大電路的輸入端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸電連接，其第二速度信號(hào)輸出端與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述電荷式前置放大器的輸入端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測(cè)軸電連接，其位移信號(hào)輸出端與第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述模擬乘法器的速度信號(hào)輸入端與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，其移信號(hào)輸入端與第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，其輸出端為模擬解調(diào)信號(hào)輸出端，所述數(shù)字模塊的輸入端分別與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端和第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，其輸出端用于與嵌入式處理器相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

1、功耗低：本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)前置放大電路，能夠同時(shí)提供反映驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)的速度信號(hào)與位移信號(hào)，在保證了驅(qū)動(dòng)檢測(cè)的幅值與相位的測(cè)量精度的前提下降低了功耗；

2、體積小：集成度高，體積小。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明用于硅微音叉陀螺的集成測(cè)控單元的電原理框圖。

圖3為圖2中跨阻式前置放大器的電路示意圖。

圖4為圖2中電荷式前置放大器的電路示意圖。

圖5為圖2中自動(dòng)增益控制模塊的電原理框圖。

圖6為圖2中自動(dòng)增益控制模塊的電路示意圖。

圖7為圖6中整流電路的局部放大圖。

圖8為圖6中減法電路與比例積分電路的局部放大圖。

圖9為圖6中斬波器的局部放大圖。

圖10為圖5中可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娐肥疽鈭D。

圖11為圖2中三階低通型CRFF結(jié)構(gòu)ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電原理框圖。

圖12為驅(qū)動(dòng)頻率測(cè)量、數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償、解調(diào)和輸出環(huán)境原理圖。

圖13為SPI接口信號(hào)傳輸示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本發(fā)明用于硅微音叉陀螺的集成測(cè)控單元，用于如圖1所示的硅微音叉陀螺。

其包括跨阻式前置放大器202、電荷式前置放大器203、自動(dòng)增益控制器207、第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204、第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器205、模擬乘法器206、數(shù)字模塊214，

所述自動(dòng)增益控制器207的輸入端與跨阻式前置放大器202的第一速度信號(hào)輸出端相連，其輸出端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，跨阻式前置放大電路202的輸入端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸電連接，其第二速度信號(hào)輸出端與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204的輸入端相連，

所述電荷式前置放大器203的輸入端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測(cè)軸電連接，其位移信號(hào)輸出端與第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器205的輸入端相連，

所述模擬乘法器206的速度信號(hào)輸入端與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204的輸出端相連，其移信號(hào)輸入端與第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器205的輸入端相連，其輸出端為模擬解調(diào)信號(hào)輸出端，

所述數(shù)字模塊214的輸入端分別與第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204的輸出端和第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器205的輸出端相連，其輸出端用于與嵌入式處理器相連。

所述跨阻式前置放大器202，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)幅值并輸出運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)；

所述電荷式前置放大器203，用于測(cè)試陀螺檢測(cè)軸的振動(dòng)位移；

所述自動(dòng)增益控制器207，用于通過(guò)速度信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)節(jié)反饋信號(hào)的幅值，保持驅(qū)動(dòng)軸的振動(dòng)速度不變；

所述第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204、第二三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器205，用于將驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)或檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

所述模擬乘法器206，用于解調(diào)驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)與檢測(cè)位移信號(hào)，以得到模擬解調(diào)輸出信號(hào)；

所述數(shù)字模塊214，用于將數(shù)字信號(hào)濾波、頻率讀出、解調(diào)，溫度補(bǔ)償并輸出。

硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)201按照模態(tài)可以分為驅(qū)動(dòng)軸與檢測(cè)軸?？缱枋角爸梅糯箅娐?02檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)幅值并輸出運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)217，信號(hào)幅度自動(dòng)增益控制電路207通過(guò)速度信號(hào)217的幅值來(lái)調(diào)節(jié)反饋信號(hào)215的幅值，保持驅(qū)動(dòng)軸的振動(dòng)速度不變。陀螺檢測(cè)軸的振動(dòng)位移由電荷式前置放大器203來(lái)進(jìn)行測(cè)試，由203輸出的信號(hào)為檢測(cè)軸振動(dòng)位移信號(hào)。驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)與檢測(cè)位移信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬乘法器206解調(diào)后得到模擬解調(diào)輸出信號(hào)220，220經(jīng)低通濾波后可以作為陀螺的角速度輸出信號(hào)。電路除了模擬解調(diào)方式外還提供了數(shù)字解調(diào)與輸出。驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器202,203后被轉(zhuǎn)換為218與219的數(shù)字化信號(hào)。數(shù)字化后的信號(hào)在數(shù)字模塊中進(jìn)行濾波，頻率讀出，解調(diào)，溫度補(bǔ)償?shù)人惴ǖ挠?jì)算，最終結(jié)果由SPI接口輸出，可以直接與嵌入式處理器相連接。

如圖3所示，所述跨阻式前置放大器202包括第一差分運(yùn)算放大器307、第一反饋電容305、第二反饋電容306、第一偏值電阻303、第二偏值電阻304、第一寄生電容301、第二寄生電容302、第二差分運(yùn)算放大器314、第一前置電容308、第二前置電容309、第一反饋電阻312、第二反饋電阻313、第一補(bǔ)償電容310和與第二補(bǔ)償電容311；

所述第一差分運(yùn)算放大器307的輸入正端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸電連接，并通過(guò)第一寄生電容301接地，其輸入負(fù)端用于與硅微音叉陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸電連接，并通過(guò)第二寄生電容302接地，

所述第一差分運(yùn)算放大器307的輸出負(fù)端通過(guò)第一前置電容308與第二差分運(yùn)算放大器314的輸入正端相連，其輸出正端通過(guò)第二前置電容309與第二差分運(yùn)算放大器314的輸入負(fù)端相連，

所述第一反饋電容305與第一偏值電阻303并聯(lián)后，一端與第一差分運(yùn)算放大器307的輸入正端相連，另一端與第一差分運(yùn)算放大器307的輸出負(fù)端相連，

所述第二反饋電容306與第二偏值電阻304并聯(lián)后，一端與第一差分運(yùn)算放大器307的輸入負(fù)端相連，另一端與第一差分運(yùn)算放大器307的輸出正端相連，

所述第一反饋電阻312與第一補(bǔ)償電容310并聯(lián)后，一端與第二差分運(yùn)算放大器314的輸入正端相連，另一端與第二差分運(yùn)算放大器314的輸出負(fù)端相連，

所述第二反饋電阻313與第二補(bǔ)償電容311并聯(lián)后，一端與第二差分運(yùn)算放大器314的輸入負(fù)端相連，另一端與第二差分運(yùn)算放大器314的輸出正端相連。

直流電壓加載到陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的公共電極上；當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極上會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)電流Is+與Is-。第一級(jí)放大電路的幅頻曲線呈低通特性，內(nèi)部包括差分運(yùn)算放大器307，反饋電容305，306，偏值電阻303，304，寄生電容301，302，其輸出信號(hào)為與微機(jī)械驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容振動(dòng)位移同相的信號(hào)。第二級(jí)放大電路的幅頻曲線呈高通特性，內(nèi)部包括差分運(yùn)算放大器314，前置電容308，309，反饋電阻312，313，補(bǔ)償電容310與311，其輸出信號(hào)與微機(jī)械驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容振動(dòng)速度同相，稱為驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)。差分型前置放大電路整體表現(xiàn)出帶通特性，在以驅(qū)動(dòng)模特諧振頻率為中心的頻率范圍內(nèi)的具有平坦的幅度響應(yīng)曲線和相位響應(yīng)曲線。

如圖4所示，所述電荷式前置放大器203包括差分運(yùn)算放大器409、第一檢測(cè)電容401、第二檢測(cè)電容402、第一寄生電容403、第二寄生電容404、第一偏值電阻405、第二偏值電阻406、第一反饋電容407、第二反饋電容408；

所述差分運(yùn)算放大器409的輸入正端通過(guò)第一檢測(cè)電容401用于與硅微音叉陀螺的檢測(cè)模態(tài)公共電極相連，并通過(guò)第一寄生電容403接地，其輸入負(fù)端通過(guò)第二檢測(cè)電容402用于與硅微音叉陀螺的檢測(cè)模態(tài)公共電極相連，并通過(guò)第二寄生電容404接地，

所述第一偏值電阻405與第一反饋電容407并聯(lián)后，一端與差分運(yùn)算放大器409的輸入正端相連，另一端與差分運(yùn)算放大器409的輸出負(fù)端相連，

所述第二偏值電阻406與第二反饋電容408并聯(lián)后，一端與差分運(yùn)算放大器409的輸入負(fù)端相連，另一端與差分運(yùn)算放大器409的輸出正端相連。

直流電壓Vp加載到陀螺檢測(cè)模態(tài)的公共電極上；當(dāng)檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)時(shí)，檢測(cè)電容401，402反向變化，檢測(cè)電極上會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)電流Is+與Is-。放大電路的結(jié)構(gòu)包括差分運(yùn)算放大器409，反饋電容407，408，偏值電阻405，406，寄生電容403，404，其輸出信號(hào)為與微機(jī)械檢測(cè)電容振動(dòng)位移同相的信號(hào)。

如圖5所示，所述自動(dòng)增益控制器207包括第一斬波電路501、第二斬波電路503、第三斬波電路505、整流電路502、減法電路504、比例積分濾波電路506，可變?cè)鲆娣糯笃?07；

所述整流電路502的輸入端通過(guò)第一斬波電路501與跨阻式前置放大器202的第一速度信號(hào)輸出端相連，其輸出端與減法電路504的比較輸入端相連，減法電路504的基準(zhǔn)輸入端通過(guò)第二斬波電路503與基準(zhǔn)電壓相連，其輸出端通過(guò)第三斬波電路505與比例積分濾波電路506的輸入端相連，比例積分濾波電路506的輸出端用于可變?cè)鲆娣糯笃?507)相連，可變?cè)鲆娣糯笃?507)的另一組輸入端用于與第一速度信號(hào)輸出端相連，可變?cè)鲆娣糯笃?507)的輸出端與硅微音叉陀螺驅(qū)動(dòng)電極(109,110,111,112)相連。整流電路提取陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)速度的振蕩幅度，減法電路將該幅度信號(hào)與設(shè)置的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較誤差經(jīng)過(guò)比例積分濾波器后產(chǎn)生幅度控制電壓用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩電路的環(huán)路增益實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅振蕩。斬波器利用信號(hào)調(diào)制原理消除整流電路及減法電路中的閃頻噪聲對(duì)驅(qū)動(dòng)幅度控制精度的影響。

如圖6所示為自動(dòng)增益控制模塊的電路圖。

電阻516及517用來(lái)提取驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)的共模電壓作為斬波器的一個(gè)基準(zhǔn)，斬波器518、519實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)制。整流電路由一對(duì)二選一電壓跟隨器520和521構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)與輸入斬波器相兼容。整流電路520、521輸出的驅(qū)動(dòng)位移幅度信號(hào)通過(guò)減法電路與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)幅度進(jìn)行比較。斬波器522將基準(zhǔn)電壓同樣調(diào)制到高頻，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路523、524將減法器輸入信號(hào)由電壓域轉(zhuǎn)化至電流域進(jìn)行相減比較，斬波器525將誤差電流信號(hào)解調(diào)至低頻域后通過(guò)比例積分濾波電路526轉(zhuǎn)化為幅度控制電壓對(duì)振蕩器環(huán)路增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖7所示為圖6中整流電路的局部放大圖。

電阻542、543提取驅(qū)動(dòng)速度的共模電平做為斬波器544、545的參考輸入。546、547為二選一電壓跟隨器，其輸出只跟隨信號(hào)較大輸入端的輸入信號(hào)，因此可實(shí)現(xiàn)整流功能。同時(shí)546、547中的晶體管均偏置在亞閾值區(qū)，因此該整流電路具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。由于采用了差分結(jié)構(gòu)，該整流電路還可較好的抑制溫度對(duì)其幅度提取精度的影響。

如圖8所示為圖6中減法電路與比例積分電路的局部放大圖。

減法電路的輸入級(jí)537、538將幅度及基準(zhǔn)輸入電壓轉(zhuǎn)化為電流輸入。在電壓/電流轉(zhuǎn)換電路中利用電阻534、535代替了尾電流源晶體管，消除了該部分電路閃頻噪聲的干擾，同時(shí)在輸入晶體管532、533前增加了放大器531及反饋電阻網(wǎng)絡(luò)527-530，降低了電壓/電流轉(zhuǎn)換電路增益隨532、533跨導(dǎo)變化的影響，因此該電壓/電流轉(zhuǎn)化電路從根源上消除了來(lái)自偏置電流閃頻噪聲的干擾。共模反饋電路539為減法電路提供必要的共模電平，斬波器540將誤差電流信號(hào)解調(diào)至低頻并經(jīng)過(guò)比例積分濾波器541產(chǎn)生幅度控制電壓。

圖9所示為圖6中斬波器的局部放大圖。

斬波器兩對(duì)互補(bǔ)型MOS開關(guān)構(gòu)成，斬波控制信號(hào)通過(guò)控制開關(guān)陣列的導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的頻率調(diào)制。每對(duì)MOS開關(guān)由NMOS549、551與PMOS550、552組成，互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)有利于降低MOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻，改善其動(dòng)態(tài)特性。

圖10所示為圖5中可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娐穲D。

該電路由一對(duì)差分結(jié)構(gòu)的跟隨器構(gòu)成，其中位于下方的晶體管556、558、560、562偏置在線性區(qū)用作壓控電阻，幅度控制信號(hào)調(diào)節(jié)其等效電阻。555、557、559、561偏置在飽和區(qū)，553與554為兩個(gè)支路提供必要的偏置電流，輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)幅度正比于驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)與幅度控制信號(hào)的乘積。該電路結(jié)構(gòu)由于將下側(cè)的晶體管556、558、560、562偏置在線性區(qū)，節(jié)省了較大的電壓裕度，因此該電路更加適合在低電源電壓情況下工作，同時(shí)有利于提供較大的初始增益，利于陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的快速起振。

圖11所示為圖2中三階低通型CRFF結(jié)構(gòu)ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電原理框圖。

所述第一三階ΣΔ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器204包括第一積分器601、第二積分器602、第三積分器604、第一前饋器605、第二前饋器606、反饋器603、加法器607和比較器608；

所述第一積分器601的輸入端與跨阻式前置放大器202的輸出端相連，其輸出端與第二積分器602的信號(hào)輸入端相連，所述第三積分器604的輸入端與第二積分器602的輸出端相連，其輸出端通過(guò)反饋器603與第二積分器602的比較輸入端相連，所述第三積分器604的輸出端還通過(guò)第二前饋器606與加法器607的第一輸入端相連，所述加法器607的第二輸入端與第二積分器602的輸出端相連，其第三輸入端通過(guò)第一前饋器605與第一積分器601的輸出端相連，其第四輸入端與跨阻式前置放大器202的輸出端相連，所述加法器607的輸出端通過(guò)比較器608與第一積分器601的輸入端相連。

ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用三階低通型CRFF結(jié)構(gòu)，由三級(jí)具有雙相關(guān)采樣功能的積分器601、602、604組成。三級(jí)積分器的輸出及輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前饋環(huán)節(jié)605、606后輸入至加法器607進(jìn)行加權(quán)，加法器的輸出經(jīng)過(guò)一位比較器608后實(shí)現(xiàn)1bit數(shù)字化，該數(shù)字量反饋至第一級(jí)積分器601輸入端與輸入信號(hào)相抵消。第三級(jí)積分器604的輸出經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)603反饋至第二級(jí)積分器的輸入端。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣比為64，采樣頻率為1MHz，帶寬為8kHz，在帶寬內(nèi)具有三階量化噪聲整形功能。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器針對(duì)陀螺工作頻率附近(6kHz)的量化噪聲進(jìn)行了零極點(diǎn)優(yōu)化處理，對(duì)6kHz附近的量化噪聲具有陷波效果，進(jìn)一步提高了其信噪比。利用該ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器可對(duì)陀螺的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)前放輸出交流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

圖12為驅(qū)動(dòng)頻率測(cè)量、數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償、解調(diào)和輸出環(huán)境原理圖。

圖13為SPI接口信號(hào)傳輸示意圖。

由于硅材料楊氏模量所固有的溫度系數(shù)，硅微陀螺儀的驅(qū)動(dòng)頻率可精確的表征陀螺敏感結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度，利用該頻率信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償可解決在溫變環(huán)境下陀螺儀存在的溫度滯回問(wèn)題。如圖12所示，陀螺驅(qū)動(dòng)檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)倍頻及濾波后輸入至頻率測(cè)量電路609，頻率測(cè)量電路通過(guò)外部基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果在每個(gè)輸入信號(hào)周期結(jié)束時(shí)更新一次，將兩次連續(xù)計(jì)數(shù)的差值作為待測(cè)信號(hào)頻率的表征，該原理的頻率測(cè)量電路具有一階噪聲整形功能，可有效的提高計(jì)數(shù)精度，降低所需要的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率。CIC濾波器610對(duì)頻率測(cè)量電路的4bit輸出進(jìn)行降采樣處理，濾波后頻率輸出信號(hào)為12bit。陀螺驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器后的輸出經(jīng)過(guò)611、612的4階CIC濾波器以實(shí)現(xiàn)對(duì)3階噪聲整形特性ADC輸出的降采樣濾波，防止發(fā)生噪聲混疊，濾波后輸出數(shù)據(jù)為18bit。驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)軸的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)降采樣濾波后經(jīng)過(guò)乘法器613后實(shí)現(xiàn)角速度解調(diào)，解調(diào)后輸出數(shù)據(jù)為24bit。SPI接口614的時(shí)鐘頻率為4MHz，SPI接口信號(hào)如圖13所示。其中SPI_MO1輸出解調(diào)后的角速度信號(hào)(24bit)[0：23]及驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)所表征的溫度信號(hào)(12bit)[24：35]；SPI_MO2輸出驅(qū)動(dòng)[0：17]及檢測(cè)[18：35]軸解調(diào)前的ADC輸出信號(hào)，各18bit。通過(guò)該SPI接口可實(shí)現(xiàn)陀螺與上位機(jī)的通訊。