用于通過解調相位誤差校正的陀螺儀零速率偏移漂移降低的系統和方法
【專利摘要】一種用于處理來自陀螺儀的信號的電路包括分別參考來自陀螺儀的同相和正交相位調制信號生成同相解調信號的第一解調器和生成正交相位解調信號的第二解調器。該電路包括數字處理器，其從解調器接收解調的同相和正交相位信號，并參照同相解調信號和正交相位解調信號生成對應于沿預定軸的陀螺儀的旋轉的輸出信號以從同步信號去除正交相位信號的一部分。
【專利說明】
用于通過解調相位誤差校正的陀螺儀零速率偏移漂移降低的 系統和方法
技術領域
[0001] 本公開大體涉及陀螺儀傳感器，并且更具體地，涉及用于校正來自陀螺儀傳感器 的輸出信號中的誤差的電路。
【背景技術】
[0002] 陀螺儀通常用于感測對象沿著一個或多個旋轉軸的旋轉或姿態。例如，陀螺儀已 經長期用于海軍艦艇、飛機和宇宙飛船中以識別船的旋轉并且用在穩定性控制系統中。更 近期地，陀螺儀已經被并入微機電(MEM)器件。盡管傳統陀螺儀繞軸旋轉，MEMS陀螺儀典型 地包括使用光刻工藝形成在適合于安裝到印刷電路板或與其他電子部件一起安裝的集成 電路中的振動元件。因為MEMS器件繞軸旋轉，振動元件的振蕩平面趨于保持恒定，并且來自 MEMS傳感器的經調制的電信號對應于用于MEMS器件繞軸的支撐件的姿態。一些MEMS器件包 括多個振動陀螺儀元件，其使能感測沿三維空間中的多個軸的旋轉。
[0003] 當前技術的MEMS陀螺儀被用在寬廣范圍的設備中，該設備包括但不限于，智能電 話、平板電腦和其他便攜式電子設備。例如，許多便攜式設備包括顯示在縱向或橫向的取向 中的文本和圖形的顯示屏幕。在移動電子設備中的MEMS陀螺儀生成對應于在橫向和縱向取 向之間的設備的旋轉的信號，并且在移動電子設備中的微處理器基于來自陀螺儀的信號調 整圖形顯示。在移動設備中的MEMS陀螺儀的附加用途包括，但不限于，用戶輸入和慣性導航 應用。
[0004] 雖然MEMS陀螺儀已在緊湊電子設備中變得流行，現有的MEMS陀螺儀的結構和操作 條件將誤差引入了在陀螺儀中生成的信號。例如，MEMS陀螺儀的不同的制造公差和波動的 操作溫度生成在來自陀螺儀中的振動感測元件的信號的輸出中的正交信號誤差。由于在機 械感測元件和從陀螺儀傳感器接收調制的模擬信號并生成適合于利用數字微處理器處理 的解調數字信號的電子部件中的延遲，引入解調相位誤差。用于減輕偏移漂移誤差的現有 解決方案包括復雜的閉環反饋電路，其增加了陀螺儀傳感器系統的成本、復雜性和電功率 消耗。因此，利用減少的偏移漂移誤差對處理振動陀螺儀傳感器中生成的信號的電路的改 進將是有利的。
【發明內容】
[0005] 在一個實施例中，傳感器電路生成對應于陀螺儀傳感器的輸出的輸出信號，其中 該傳感器電路去除來自陀螺儀的輸出信號的偏移漂移中的一些或全部。該電路包括:第一 解調器，被配置為從所述陀螺儀中的感測元件的輸出接收調制信號，所述第一解調器參考 所述調制信號生成同相解調信號；第二解調器，被配置為從所述陀螺儀中的所述感測元件 的輸出接收所述調制信號，所述第二解調器參考所述調制信號生成正交相位解調信號；以 及數字處理器，被配置為接收來自所述第一解調器的輸出的解調的同相信號和來自所述第 二解調器的輸出的解調的正交相位信號。所述數字處理器被配置為參照同相解調信號和正 交相位解調信號生成對應于所述陀螺儀沿預定軸的旋轉的輸出信號，以從所述同相信號去 除所述正交相位信號的一部分。
【附圖說明】
[0006] 圖1是在監測陀螺儀的一個或多個軸的輸出并去除來自陀螺儀輸出的偏移漂移誤 差的電路中的功能單元的方框圖。
[0007] 圖2是監測沿一個或多個軸的陀螺儀的輸出并去除來自陀螺儀輸出的偏移漂移誤 差的電路的不意圖。
【具體實施方式】
[0008] 下面的描述和附圖提供本文中公開的系統和方法的環境的大體理解，以及該系統 和方法的細節。在附圖中，類似的附圖標記通篇用于指明類似的元件。
[0009] 如本文所使用的，術語同相信號指的是來自傳感器(諸如陀螺儀傳感器)的承載對 應于在操作期間傳感器測量的屬性的來自傳感器的信息的信號。例如，來自振動型陀螺儀 的同相信號是對應于陀螺儀傳感器中的振動元件的運動的調制信號。
[0010] 如本文所使用的，術語正交信號指的是具有與同相信號的正交相位(90°相位偏 移）的來自傳感器的另一信號。正交相位信號也被稱為正交誤差信號。理想的是，同相信號 與正交相位信號完全分離。然而，在實際電路中，相位偏移誤差可能使得難以測量僅同相信 號。
[0011]如本文所使用的，術語相位偏移誤差指的是由傳感器信號的生成和傳感器信號的 測量之間的時間延遲產生的在來自陀螺儀傳感器的信號的測量中的誤差。在測量來自傳感 器的信號的電路中的陀螺儀或其他部件的感測元件中的固有延遲產生相位偏移誤差。相位 偏移誤差導致正交相位信號的一部分在時間上移位而與同相信號的一部分重疊。因此，相 位偏移誤差導致正交相位誤差信號的一部分的包括被包括在測量的同相信號中，這可能導 致在陀螺儀的輸出的測量中不可接受的大的誤差。相位延遲誤差在個體陀螺儀傳感器和測 量電路之間變化，并且可以隨著時間的推移而變化，這歸因于在安裝基板上的陀螺儀傳感 器的物理配置并且歸因于環境因素如背景溫度。如下面更詳細地描述的，信號處理電路測 量同相和正交相位信號兩者，并從同相信號的測量結果去除正交相位信號的一部分，以減 少或消除該相位偏移誤差在來自陀螺儀傳感器的測得信號中產生的測量誤差。
[0012]圖1是包括陀螺儀傳感器102和同相正交相位(I / Q)解調器120的系統100的功能 圖，該解調器120解調來自陀螺儀傳感器102的調制輸出信號。在陀螺儀中，振動構件以預定 頻率振蕩以生成同相調制力104,其產生對應于陀螺儀傳感器的旋轉的同相速率信號。陀螺 儀102還經歷正交相位力108,其從同相力104相移90° (31/2弧度）。每當陀螺儀感測元件102 在工作，正交相位力108產生在感測質量116中的振蕩。當陀螺儀感測元件102旋轉時，同相 力104還產生除了正交相位力108以外的感測質量116的振蕩，作為由圖1中的節點112所描 繪的矢量和。感測質量116在陀螺儀傳感器102中振蕩，并且在感測質量116上的電極與在陀 螺儀傳感器102中的固定電極形成電容器。當陀螺儀傳感器102旋轉時，同相力104和正交相 位力1〇8(它們被在節點112處被加和以用于圖1中的圖示目的）二者引入不同于感測質量 116的自然振蕩的感測質量116的調制運動。感測質量116的調制運動生成能夠使用電氣電 路來測量的在陀螺儀傳感器102中的調制電容信號。
[0013] 感測質量116通過傳遞函數Hs(j ω )來表征。感測質量116響應于速率和正交力而 振蕩。當被陀螺儀的旋轉期間在感測質量116中產生振蕩運動的速率和正交力作用時，感測 質量116經歷振蕩中的延遲。該延遲產生相位偏移誤差，其導致在同相信號104的測量期間 測量到正交相位信號1 〇 8的一部分。相位偏移誤差利用以下等式來逼近： Φ % #€^)/(TVr)，其中Το是預定的參考溫度，而Τ是陀螺儀的當前工作溫度。Φ(Τ〇)的 值是在參考溫度To下通過校準過程憑經驗識別的，諸如在制造陀螺儀期間或通過校準過 程。函數/(?.轉近似為/:(?燈·'浐其中，。(）=13也1'()和^=6{>。了。4..；^;/ + ??//；/…系數bQ，bdPao. . .an的數值是在陀螺儀在參考溫度To下工作時測量 來自陀螺儀的樣本的校準過程期間憑經驗識別的。
[0014] 在本系統100中，同相解調器124生成對應于來自感測質量116的輸出信號的同相 分量的解調信號。在圖1的配置中，同相模塊132引入單位增益到來自解調器124的解調的同 相信號。在另一配置中，同相模塊132的增益對應于的值，而不是單位增益。正交相 位解調器128生成解調正交相位信號參的相變對應于所識別的相位誤差#。因此，相 位偏移誤差校正模塊136將解調正交相位信號乘以貨=··_#的縮放因子，其對應于所識別的 相位誤差.，具有用于從對應的同相信號減去解調正交相位信號的一部分的負（_)縮放因 子。I / Q解調器120去除由于相位延遲誤差而被包括在所測量的同相信號中的正交相位信 號的一部分。加法器140從組合的同相和縮放的正交相位解調信號生成輸出信號。在圖1的 實施例中，加法器140生成同相解調信號和縮放的正交相位解調信號之間的差。在另一配置 中，當縮放因子夢=1取代在圖1中圖示的#:=·· Φ縮放因子時，加法器單元140是生成同 相信號和縮放的正交相位信號之間的差的減法單元。
[0015] 圖2是包括被電連接到振動型陀螺儀的輸出以減少或消除在陀螺儀的輸出信號中 的相位延遲誤差的I / Q解調器的系統200的一個實施例的示意圖。該系統200包括陀螺儀 感測元件202、感測通道208Α、208Β和208C、電容至電壓轉換器220、幅度調節器224、鎖相環 (PLL)228、溫度傳感器236和數字處理設備244。
[0016] 在系統200中，感測元件202是例如在移動電子設備中使用的MEMS陀螺儀或任何其 他合適的振動型陀螺儀之類的振動型陀螺儀。在圖2的實施例中，感測元件202包括感測繞 三個感測軸204A、204B和204C旋轉的感測元件，每一個感測元件被配置為生成對應于振動 元件的運動以及分別沿著x、y和z軸中的每個的陀螺儀的對應旋轉的信號。x、y和z軸對應于 在物理世界中的旋轉的三個正交軸。在另一個實施例中，陀螺儀僅包括一個軸或布置在多 個軸上的多個感測元件的不同配置。驅動軸206接收在感測軸204A、204B和204C中的每個的 振動構件中生成振蕩的電驅動信號。驅動軸206以預定頻率驅動感測質量，以使能軸204A-204C中的每個以預定頻率振蕩。
[0017] 在圖2,感測通道208A被電連接到感須_204A的輸出。感須彳通道208A包括電容至 電壓轉換器210,其響應于來自感測軸204A的調制電容輸出而生成電壓信號。在一個實施例 中，PLL 228使用形成有低相位噪聲屬性的寬帶II型半導體PLL來實施，以防止正交誤差信 號與解調時鐘信號的相互混合。在系統200中，感測通道208B和208C以與感測通道208A同樣 的方式被配置為生成分別對應于來自感測軸204B和204C的解調信號的數字數據。感測通道 208A進一步包括I / Q解調器，其包括同相解調器212和正交相位解調器216。同相解調器 212和正交相位解調器216兩者被電連接到電容至電壓轉換器210的輸出以接收來自感測軸 204A的調制輸出電壓信號。在圖2的實施例中，同相解調器212和正交相位解調器216被實 施為響應于來自PLL 228的同相和正交相位輸出的切換信號而對電容至電壓轉換器210的 輸出進行解調的斬波電路。如下面更詳細描述的，同相解調器212被連接到PLL 228的同相 輸出，以及正交相位解調器216被連接到PLL 228的正交輸出，其具有與同相輸出信號的3T/2 弧度(90°)的相位偏移。同相解調器212和正交相位解調器216生成分別對應于來自感測軸 204A的調制輸出信號的同相和正交相位分量的解調的模擬信號。模數轉換器(ADC)214和 218生成分別對應于解調器212和216的輸出的數字輸出數據。在一個實施例中，ADC 214和 218是Δ -Σ (delta-sigma)調制器，該調制器包括單比特四階ADC 214和二階ADC 218,其對 來自解調器212和216的模擬信號過采樣。
[0018] 在系統200中，該驅動軸206從幅度調節器電路224接收電驅動信號。幅度調節器電 路224控制用于感測元件202中的驅動軸206的電驅動信號的幅度，其將感測元件202的振蕩 的幅度維持在預定水平。該PLL 228和幅度調節器224控制在閉環配置中的驅動軸206,其中 驅動軸206的輸出被供應給電容至電壓轉換器220,電容至電壓轉換器220生成對應于驅動 軸206的振蕩的輸出電壓。PLL 228從電容至電壓轉換器220接收輸出信號，并生成跟蹤信號 輸出，以控制到驅動軸206的信號的頻率和相位。該PLL 228生成時變信號，該時變信號跟蹤 陀螺儀感測元件202中的移動構件的振蕩的固有頻率。PLL 228生成同相輸出信號，其控制 幅度調節器224的操作以操作驅動軸206,并且來自PLL 228的同相輸出信號還控制同相解 調器212 JLL 228包括相位延遲電路，其生成具有與同相信號的V2弧度(90°)的移位相位 的移位正交相位輸出，以控制正交相位調制器216的操作。
[0019]在系統200中，驅動軸206和解調器212和216都是由來自單個PLL 228的輸出信號 驅動。如上所述，感測軸204A-204C以及系統200中的其他部件在來自感測元件202的同相和 正交相位輸出信號中引入相位偏移誤差。來自PLL 228的同相和正交相位信號也被供應給 解調器212和216。現有技術感測電路嘗試從同相信號過濾或分離正交相位信號，由于僅同 相信號包括來自陀螺儀200中的感測元件的有用信息。然而，在系統200中，來自感測元件 202的信號的正交相位分量不被丟棄。替代地，正交相位解調器216和ADC 218生成對應于解 調正交相位信號的數字數據。如下面更詳細描述的，根據在系統200中的相位偏移誤差來縮 放解調正交相位信號，并且縮放的正交相位信號分量被從輸出信號的同相分量去除，以減 少或消除輸出信號中的相位偏移誤差的影響。
[0020] 在系統200中，溫度傳感器236包括溫度感測元件238和ADC 240。在一個實施例中， 溫度感測元件238是與絕對溫度成比例(PTAT)傳感器元件。溫度感測元件238生成對應于感 測元件202的溫度的模擬信號，并且ADC 240將模擬信號轉換成供處理器244附加處理的數 字數據。在一個實施例中，ADC 240是遞增操作的二階Δ - Σ調制器。溫度傳感器236提供用 于識別正交相位解調信號數據的縮放因子的溫度數據。測得的同相信號和正交相位誤差信 號之間的相位偏移誤差和對應的重疊的大小取決于感測元件202的溫度。
[0021] 在系統200中，數字處理器244被體現為被配置為接收來自同相ADC 214、正交相位 ADC 218和溫度傳感器ADC 240的數字解調信號數據的微處理器、微控制器、數字信號處理 器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)或任何其他數字處理設備。在一 個實施例中，包括機械感測元件202、感測通道208A-208C、溫度傳感器236、幅度調節器224、 PLL 228和數字后端244的整個系統200被集成到使用例如CMOS工藝、MEMS工藝的單個物理 封裝中。附加實施例包括系統200的機械、模擬電氣和數字電子部件的組合。在圖2的實施例 中，數字處理器244進一步被配置為從感測通道208B和208C中的ADC接收數據，以使能分別 監測在感測元件202中的感測軸204B和204C。
[0022]圖2描繪數字處理器244執行以生成對應于來自感測元件202的信號的數字輸出數 據的操作的示意性配置。在圖2的實施例中，處理器244將低通濾波器248、250和252分別應 用于來自溫度傳感器236、同相解調器212和正交相位解調器216的數字數據。處理器244利 用乘法器256將溫度傳感器236的濾波輸出讀數乘以常數值 C1，并利用加法器260加上常數 值co。常數co和(^的值是預定常數，其存儲在與數字處理器244相關聯的存儲器中，并在上文 參考函數/(:??被描述。加法器260的輸出對應于/(ΤφΓ)方程的結果，其中T是從溫度 傳感器236接收的感測元件202的電容溫度讀數。處理器244包括乘法器264,其將加法器260 的輸出乘以對應于來自濾波器252的正交相位解調信號的數字數據，以生成對應于解調的 正交相位信號數據的縮放版本的數字數據。如上所述，乘法器264還引入負因子(W = Φ) 到乘法處理，以產生對應于解調的正交相位信號數據的負縮放值。
[0023] 數字處理器244使用加法器268將來自濾波器250的同相信號的數字數據與乘法器 264的縮放正交相位誤差信號輸出相加以生成組合的輸出信號。來自加法器268的組合輸出 信號對應于測得的同相信號和縮放的正交相位誤差信號之間的差。因此，由于在系統200中 的相位偏移誤差引入正交相位誤差信號的一部分到同相信號中，數字處理器244利用加法 器268從同相解調信號數據中去除正交相位分量。如上所述，數字處理器244基于來自溫度 傳感器236的溫度數據并且參照用于陀螺儀感測元件202的校正數據來動態地調整縮放因 子，以補償在系統200的工作期間發生的相位偏移誤差的變化。在一個實施例中，數字處理 器244執行作為軟件程序的部分的所存儲的程序指令來執行濾波器248、250和252、乘法器 256和264、以及加法器260和268的功能。
[0024]本領域的技術人員將認識到，可以對上述具體實施方案做出許多修改。因此，所附 的權利要求并不限于圖示和以上描述的特定實施例。如原始給出的以及如它們可能被修改 的權利要求包含在此公開的實施例和教導的變型、替代、修改、改進、等同物和實質等同物， 包括目前無法預料或無法認識的并且例如可以由
【申請人】/專利權人及他人產生的那些。
【主權項】
1. 一種用于處理來自陀螺儀的信號的電路，包括： 第一解調器，被配置為從所述陀螺儀中的感測元件的輸出接收調制信號，所述第一解 調器參考所述調制信號生成同相解調信號； 第二解調器，被配置為從所述陀螺儀中的所述感測元件的輸出接收所述調制信號，所 述第二解調器參考所述調制信號生成正交相位解調信號；以及 數字處理器，被配置為接收來自所述第一解調器的輸出的解調的同相信號和來自所述 第二解調器的輸出的解調的正交相位信號，所述數字處理器被配置為： 參照同相解調信號和正交相位解調信號生成對應于所述陀螺儀沿預定軸的旋轉的輸 出信號，以從所述同相信號去除所述正交相位信號的一部分。2. 如權利要求1所述的電路，所述數字處理器被進一步配置為： 生成對應于所述正交相位信號的數據乘以縮放因子的乘積的縮放數據，以減小數字數 據的絕對值； 利用對應于在對應于所述同相信號的數據和所述縮放數據之間的差的另一數據生成 所述輸出信號。3. 如權利要求2所述的電路，還包括： 溫度傳感器，被配置為生成對應于所述陀螺儀的溫度的信號。4. 如權利要求3所述的電路，所述溫度傳感器還包括： 與絕對溫度成比例(PTAT)傳感器元件;和 第三ADC，其電連接到所述PTAT傳感器元件的輸出并且被配置為生成對應于由所述 PTAT生成的信號的數字溫度數據。5. 如權利要求3所述的電路，其中所述數字處理器可操作地連接到所述溫度傳感器的 輸出，并且所述數字處理器被進一步配置為： 從所述溫度傳感器接收對應于所述陀螺儀的溫度的數據； 參考所述陀螺儀的溫度調整所述縮放因子;和 將對應于所述正交相位信號的數據乘以調整后的縮放因子，以減小對應于所述正交相 位信號的數字數據的絕對值。6. 如權利要求1所述的電路，還包括： 鎖相環電路，其可操作地連接到所述第一解調器和所述第二解調器，所述鎖相環被配 置為： 接收對應于在所述陀螺儀中的驅動軸的運動的信號； 生成第一信號以控制所述第一解調器，所述第一信號是響應于來自所述驅動軸的信號 以預定頻率利用第一相位生成的;和 以所述預定頻率利用第二相位生成第二信號來控制所述第二解調器，所述第二相位與 所述第一相位不同。7. 如權利要求6所述的電路，其中所述第二相位與所述第一相位不同大約V 2弧度。8. 如權利要求6所述的電路，還包括： 電容至電壓轉換器，其電連接到在所述陀螺儀中的所述驅動軸的輸出；并且 所述鎖相環電路電連接到所述電容至電壓轉換器的輸出，以使所述鎖相環電路能夠接 收來自在所述陀螺儀中的所述驅動軸的信號。9. 如權利要求1所述的電路，還包括： 電容至電壓轉換器，其電連接到在所述陀螺儀中的所述感測元件的輸出； 所述第一解調器電連接到所述電容至電壓轉換器的輸出，以接收來自所述電容至電壓 轉換器的調制信號;并且 所述第二解調器電連接到所述電容至電壓轉換器的輸出，以接收來自所述電容至電壓 轉換器的調制信號。10. 如權利要求1所述的電路，還包括： 第一模數轉換器(ADC)，其電連接到所述第一解調器的輸出且被配置為生成對應于所 述同相解調信號的數字數據； 第二模數轉換器(ADC)，其電連接到所述第二解調器的輸出且被配置為生成對應于所 述正交相位解調信號的數字數據;并且 所述數字處理器連接到所述第一 ADC的輸出以接收對應于所述同相解調信號的數字數 據，并且所述數字處理器連接到所述第二ADC的輸出以接收對應于所述正交相位解調信號 的數字數據。11. 如權利要求10所述的電路，其中所述第一ADC和所述第二ADC是Δ - Σ調制器。
【文檔編號】B81B7/02GK105874303SQ201480058557
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年8月19日
【發明人】C·D·伊澤科維
【申請人】羅伯特·博世有限公司