硅微機(jī)械陀螺信號(hào)偏置電路設(shè)計(jì)

徐紅薇 張福學(xué) 張?jiān)銎?/p>

【摘要】針對(duì)工程設(shè)計(jì)及硅微機(jī)械陀螺的技術(shù)要求，在原有的陀螺輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上零位偏置，由雙極性陀螺信號(hào)變?yōu)閱螛O性陀螺信號(hào)，并把應(yīng)用環(huán)境中的+12V單電源供電設(shè)計(jì)成正負(fù)雙電源供電。根據(jù)傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了電路，對(duì)電路進(jìn)行了Pspice仿真，仿真結(jié)果顯示電路設(shè)計(jì)正確，最后設(shè)計(jì)了PCB，經(jīng)測(cè)試符合技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】硅微機(jī)械陀螺;偏置電路;Pspice;PCB

Abstract：To meet the need of engineering design and technical requirements of silicon microgyroscope，a new design has been made tooffset the zero position frombipolar signal tounipolar signal.The +12V single power supply has been made to ±12V double power supply.According to the transfer function，circuit has been designed and Pspice simulation has been made.The simulationresult shows that the design is correct.PCB has been produced and meets the demands aftermeasurement.

Key words：silicon microgyroscope;bias circuit;Pspice;PCB

引言

硅微機(jī)械陀螺儀是慣性導(dǎo)航技術(shù)中經(jīng)常用到的傳感器，它具有體積小，重量輕，靈敏度高等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)中用到的陀螺是一種利用旋轉(zhuǎn)載體自身角速度驅(qū)動(dòng)的陀螺，通過(guò)垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產(chǎn)生的哥氏力來(lái)敏感載體的俯仰或偏航角速度。如圖1所示，陀螺輸出信號(hào)時(shí)一個(gè)雙極性信號(hào)，而應(yīng)用中需要將雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，電源為單電源供電，而且保證相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，為此，下文對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了傳輸函數(shù)，制備了樣機(jī)。

圖1 零位偏置前陀螺輸出信號(hào)

1.原理分析

無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由四個(gè)陶瓷電極和一個(gè)硅擺組成四個(gè)電容，坐標(biāo)系oxyz固定于傳感器的質(zhì)量塊上，是硅擺芯片繞軸擺動(dòng)的角速度，是載體繞軸的自旋角速度，Ω是載體繞軸的偏航（俯仰）角速度。

圖2 無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)

陀螺固定在旋轉(zhuǎn)載體上，當(dāng)陀螺隨著載體以的角速度自旋的同時(shí)又以Ω角速度偏航（俯仰）時(shí)，硅擺產(chǎn)生周期性變化的變化頻率等于旋轉(zhuǎn)載體滾動(dòng)頻率的哥氏加速度，沿軸輸出角振動(dòng)，從而引起硅質(zhì)量塊與四個(gè)電極構(gòu)成的四個(gè)電容的變化。通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路與信號(hào)處理電路，可以產(chǎn)生與被測(cè)角速度成正比的雙極性電壓信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)量的目的。更改電路參數(shù)，可以將輸出調(diào)整為Vpp=2V偏。

本次設(shè)計(jì)是將輸出信號(hào)的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法電路實(shí)現(xiàn)，用陀螺輸出與V偏=2.5V直流信號(hào)相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺輸出信號(hào)。2.5V的直流信號(hào)可以由應(yīng)用環(huán)境中的+12V電源通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片得到。此外，本次設(shè)計(jì)與之前信號(hào)處理電路中都用到了雙電源供電芯片，因此還另需將+12V轉(zhuǎn)換為-12V，實(shí)現(xiàn)雙電源供電。

2.電路設(shè)計(jì)

綜合上述分析，本設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，第一部分，+12V轉(zhuǎn)為-12V;第二部分，+12V轉(zhuǎn)為+2.5V，第三部分，2.5V與陀螺信號(hào)的相加電路，以下分別對(duì)這三部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 正負(fù)電源設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)體內(nèi)部單電源供電，而陀螺信號(hào)處理電路中用到OP27運(yùn)算放大器等雙電源供電的器件，所以需要進(jìn)行單電源到雙電源的轉(zhuǎn)換。選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片既要考慮在誤差允許范圍內(nèi)滿足功能實(shí)現(xiàn)，又要盡量滿足電路簡(jiǎn)潔，便于小尺寸PCB上布線。通過(guò)比較，選擇Maxim公司ICL7662EBA芯片實(shí)現(xiàn)+12V轉(zhuǎn)換為-12V，如圖3所示，此應(yīng)用中只需在芯片周?chē)饨觾蓚€(gè)極性電容便可實(shí)現(xiàn)。而正電源則用原有的+12V電源。ICL7662的輸入輸出關(guān)系如公式（1）所示。

（1）

如此實(shí)現(xiàn)正負(fù)12V的電壓給電路供電。

圖3 ICL7662實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換原理圖

Maxim公司的ICL7662EBA芯片為八腳貼片式封裝，輸入工作溫度范圍為-40℃～+85℃，輸入電壓范圍為4.5V～20V，其中要注意的是6腳，當(dāng)輸入電壓小于10V時(shí)，6腳需接地，此次應(yīng)用中輸入電壓為+12V，所以不需6腳接地。

2.2 電壓轉(zhuǎn)換電路

第二部分為12V轉(zhuǎn)2.5V的電路，選用TI公司的TL431芯片的典型應(yīng)用電路，TL431為三端可編程穩(wěn)壓二極管，三個(gè)引腳分別為陽(yáng)極，陰極和參考電壓。TL431參考電壓公差等級(jí)有A，B，和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)三個(gè)等級(jí)，在此選用公差最小的B等級(jí)，公差為0.5%，它的工作溫度為-40℃～+125℃，工作電流范圍寬達(dá)1-100mA，動(dòng)態(tài)電阻典型值為0.22Ω，輸出雜波低，其符號(hào)可以等效為圖4所示。

圖4 TL431等效符號(hào)

用于穩(wěn)壓的典型電路如圖5所示。

圖5 TL431電路連接

圖6 TL431仿真

其中輸入輸出關(guān)系可以用（下轉(zhuǎn)第155頁(yè)）（上接第153頁(yè)）式（2）表示：

（2）

其中為內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，因此當(dāng)R1為0歐電阻時(shí)，輸出為式（3）所示。

（3）

TL431部分的仿真結(jié)果如圖6所示。

2.3 偏置電路設(shè)計(jì)

第三部分是2.5V直流信號(hào)和陀螺信號(hào)的加法電路，實(shí)現(xiàn)陀螺信號(hào)2.5V的零位偏置。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

第一個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相相加電路，傳遞函數(shù)為：

（4）

其中分別為陀螺信號(hào)和2.5V直流信號(hào)，第二個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算電路，用于改變電壓極性，其傳遞函數(shù)如式（5）所示，為最后輸出，兩部分電路串聯(lián)起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)同相相加的目的。

（5）

因?yàn)橛校?/p>

（6）

所以：

（7）

Pspice仿真結(jié)果如圖8所示。

仿真結(jié)果與預(yù)期效果一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)思路正確。模擬加法電路要用到集成運(yùn)算放大器，本設(shè)計(jì)屬于精密儀器中的應(yīng)用，且傳感器的敏感電路部分涉及到微弱信號(hào)的檢測(cè)，所以要求運(yùn)算放大器失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。此處運(yùn)算放大器選用OP27，OP27是一款低噪音精密運(yùn)算放大器，其噪聲功率譜密度為3nV/√Hz，失調(diào)電壓為10uV，且具有高共模抑制比和高開(kāi)環(huán)增益等優(yōu)點(diǎn)，是精密儀器儀表中常用的一種運(yùn)放。

圖8 加法電路Pspice電路仿真結(jié)果

圖9 轉(zhuǎn)接板PCB三維顯示

圖10 TL431輸出結(jié)果

圖11 加轉(zhuǎn)接板后陀螺輸出信號(hào)

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上分析設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了PCB板并加工制作，與原有陀螺信號(hào)處理板之間通過(guò)接插件連接，PCB三維顯示如圖9所示。于精密三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得TL431輸出為圖10所示，當(dāng)內(nèi)框旋轉(zhuǎn)頻率為15Hz，偏航角速度為180°/s。時(shí)，最后陀螺輸出信號(hào)如圖11所示，可見(jiàn)與圖1相比，陀螺輸出信號(hào)零位向上偏置約2.5V。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4.結(jié)論

本次設(shè)計(jì)任務(wù)主要由正負(fù)雙電源設(shè)計(jì)，2.5V穩(wěn)壓信號(hào)的獲取以及加法電路三大部分組成，本文分別對(duì)這三部分的理論計(jì)算，仿真驗(yàn)證，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)三者結(jié)果基本一致。誤差主要來(lái)源于芯片的器件誤差與環(huán)境影響，在允許范圍之內(nèi)。因此本次設(shè)計(jì)理論正確，且能實(shí)際利用到工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

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[2]明亮，汪銀年，王家光，張福學(xué).一種硅微機(jī)械陀螺小信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：20-25.

基金項(xiàng)目：北京傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：5026035202）;現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：徐紅薇（1988—），女，河北衡水人，碩士研究生，主要從事傳感器信號(hào)處理方面研究。