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感測器/MEMS  

類比電路實現MEMS陀螺儀測量系統

上網時間: 2007年08月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  陀螺儀  微控制器 

Leon Foucault在1852年發明了全球首個陀螺儀,這種傳統的機械式陀螺儀如圖1所示。Foucault認為,利用固定位置上的旋轉物體可以測量地球的旋轉。在理論上,他的想法是正確的,但當時他只能讓物體保持旋轉數分鐘的時間,因此不足以觀察到地球的顯著運動。不過隨著電氣馬達的發明,陀螺儀突然變得切實可行了,因為馬達能讓物體無限地旋轉下去。在這種理論下,人類發明了電動迴轉羅盤,並很快地應用在船隻和飛機上。

微機電系統(MEMS)技術的快速發展,已經能讓製造商在微型晶片上製造出完整的陀螺裝置。不僅如此,隨著時間的推移,MEMS陀螺儀價格正變得越來越便宜,體積也越來越小。技術的發展和價格的降低使得整合式MEMS陀螺儀能應用於許多領域。

雖然傳統的陀螺儀主要用於測量角位移,但目前的MEMS陀螺儀可用來測量以度/秒為單位的角速度。圖1展示了傳統的陀螺儀工作原理,為角慣性屬性。當一個旋轉物體,如旋轉陀螺在其旋轉軸方向變化方面出現很強的慣性時,可以很容易觀察到這種屬性。

這種現象跟我們能騎自行車的道理是一樣的。圖1所示裝置的中間,有一個圓盤正在高速旋轉。這種旋轉將使圓盤產生巨大的慣性。當裝置旋轉時,中間的圓盤會停留在相同的角位置。此時可以很容易測出圓環和固定旋轉圓盤之間夾角的變化。陀螺儀的旋轉部份也能有效地用於保持角取向不變,因此陀螺儀在羅盤中獲得了很好的應用。

MEMS陀螺儀原理

MEMS陀螺儀比傳統陀螺儀更有用,因為它們一般測量的是角速度而不是角位移。角速度測量更加有用,因為隨著時間的累積,能夠間接測量出角位移和速度。

有許多技術可用來檢測MEMS陀螺儀的角速度。這些技術通常都有一個共同點,即它們是以振動塊(vibrating mass),而非旋轉塊(rotating mass)為基礎。振動塊能抵制振動軸向的變化,即使與它相連的結構正在旋轉。因此,使用振動而非全程旋轉可獲得同樣的旋轉檢測效果,而全程旋轉在MEMS設備中更難實現。

MEMS陀螺儀的物理現象是柯氏力效應(Coriolis Effect)。這種現象是當一個物體在旋轉的參考座標(reference frame)中作線性方向運動時所產生的(圖2)。假設你站在正在旋轉的旋轉木馬上,所處位置標示為t1。如果你決定經直線向外邊走,你就能體會到柯氏力效應。

圖1. 傳統機械式陀螺儀。<p><p>
圖1. 傳統機械式陀螺儀。

圖2. 柯氏力效應中呈現的速度和加速向量。<p><p>
圖2. 柯氏力效應中呈現的速度和加速向量。

我們可透過物理知識瞭解到,旋轉木馬上的任何點都有一個瞬時速度Ωr,其中Ω是旋轉速度,r是旋轉木馬上該點的半徑。因此圖2中每個藍色速度向量都有一個Ωr的等級,如果你站在其中任何點上,你會擁有相同的切向速度。紅色的等速向量代表了徑向速度,是你走向外邊的速度。當你接近外邊時,你的切向速度會增加。如此將從柯氏力效應獲得一半的加速效果,其值等於Ωv,其中v代表徑向速度。

柯氏力加速的第二部份來自加速向量(標示為綠色)。如果看一下t1和t2處的紅色速度向量,你會注意到它們的強度是相同的,但它們的方向不同。這種速度向量的方向變化意味著綠色向量的方向上必定存在切向加速。這種加速就是柯氏力加速的另外一半,同樣等於Ωv。因此,如果將兩個獨立的加速向量加在一起,你就可以得到2Ωv。如果你的品質是m,這種加速將對你施加2Ωvm的力。該力會在旋轉木馬上產生強度相同、方向相反的反作用力,其值等於-2Ωvm。因為這是負值,因此該力的方向與旋轉方向相反。

如果你準備走回到旋轉木馬的中心,那麼所有數學運算都是一樣的,除了紅色速度向量現在指向裡面,使它們呈現相反的符號。此時你的反作用力最終等式是-2Ω(-v)m,或2Ωvm。因此如果你往裡面走,你在旋轉木馬上產生的反作用力強度將保持不變,方向則與旋轉方向保持一致。

為了展示MEMS陀螺儀的運作,可用徑向行動的微型振動塊來代替旋轉木馬上的人,並利用在上方安裝陀螺儀的任何結構來代替旋轉木馬,如圖3所示。

圖3. MEMS陀螺儀的實現。<p><p>
圖3. MEMS陀螺儀的實現。

微型塊m將前後振動,因此產生相同頻率的垂直柯氏力。這些力的強度等於±2Ωvm,並直接與整個系統的角速度Ω成正比。這些力將導致圖3所示元件的白色部份從一邊投入另一邊,這些位移可以被檢測為電容的變化。

此時,陀螺儀所需的就是用相關電路檢測電容的振盪,並將它轉換為電壓,再經整流後輸出直流電壓。這種電路的目的是將旋轉速度轉換為電壓。一些陀螺儀製造商正在將所有功能整合到單一封裝中,實現小型、高效但價格較高的解決方案。也有些MEMS陀螺儀製造商為了降低產品價格,採用了最簡單的訊號調理方法,因此需要使用外部電路實現訊號調整和準確測量。

MEMS陀螺儀的應用

最便宜和被廣泛使用的MEMS陀螺儀使用了盡可能少的類比電路,且基本上不包含數位電路。這些陀螺儀的輸出阻抗相對較高,輸出訊號中存在著較大值的直流偏置。因此,減少直流偏置和提高輸入電路阻抗的重擔落在了系統設計師身上。

如今,MEMS陀螺儀被廣泛用於各種消費性設備,如數位相機的影像防震、筆記型電腦的硬碟保護和數位羅盤等。陀螺儀還在汽車的電子穩定控制(ESC)系統中獲得了良好應用。隨著工業和消費性機器人的發展,陀螺儀將可望在這兩個市場大顯身手,並有助於滿足在組裝線上提高自動化程度的要求。在機器人中,陀螺儀將有助於自動控制系統控制機器人手腳的行動和平衡。

影像防震訊號調理電路

在影像防震應用中,陀螺儀有助於糾正拍照者的手部抖動。當拿相機的手抖動時,影像感測器也會抖動,使拍到的影像模糊不清。在這種應用中,須用到兩個陀螺儀,以確定x和y軸的抖動幅度。訊號調理電路和處理器則測量陀螺儀的輸出,並送出校正訊號,以動態地改變影像感測器的參考座標。

實現這類功能的基本要求如下:

四極低通濾波器:fc=250Hz

差分或單端增益:100

ADC採樣率:1ksps/通道

ADC解析度:10位元

滿足上述要求的電路有許多種,挑戰來自於使電路更具性價比,並足夠小到能裝配到非常緊密的數位相機中。即使你設計的電路很小很便宜,但仍需要有足夠高的性能,確保它不會影響系統性能。除了滿足上述要求外,瞭解設定功能也有助於使設計決策更簡單化。

訊號調理電路的第一級很重要,因為一些低價陀螺儀的輸出阻抗非常高。另外,在影像防震應用中,由於一些與偏置有關的問題,訊號的直流部份並沒有功能價值,這一點相當重要。

圖4所示的電路描述了在單端陀螺儀應用中的一個公共設計問題。

圖4. 單端陀螺儀的輸入電路。<p><p>
圖4. 單端陀螺儀的輸入電路。

輸入電路由以下零組件組成:有一定輸出阻抗(Zout)的陀螺儀、隔直電容、連接到類比地(AGND)的電阻(用於將交流耦合的輸入訊號中心置於AGND),以及以AGND為參考的放大器。使用隔直電容而不用軟體濾波器的原因是陀螺儀輸出偏置電壓(最高100mV)將被放大100倍,會使放大器的輸出接近滿幅電壓。

為了避免測量誤差超過5%,陀螺儀和隔直電容的複合阻抗應至少小於浮動電阻的20倍。假設Zout=40kΩ,容性電抗為3.2kΩ(1μF@最低有效頻率50Hz),總阻抗是40.1kΩ,那麼,要求電阻值為803kΩ(相當於806kΩ1%)是比較合理的。

如果上述電路只在影像防震功能啟動時才被加電(在即將照相之前),就需要考慮RC電路的上升時間。在這種情況下,我們可以假設4T或98%是足夠的上升幅度,此時電路將在3.2s後工作(見等式1),這個結果是不可接受的。

上升時間方程式為:

解決方案是增加某種主動電路來穩定連接到AGND放大器的正輸入端電壓。要想達到這個目的,饋入電阻底部的AGND可用DAC代替,並在放大器的正輸入端連接一個ADC。以AGND為參考的ADC可用來測量放大器輸入與AGND之間的差,如果差值為負(放大器輸入電壓低於AGND),那麼DAC的輸出電壓將會上升;如果差值為正,DAC的輸出電壓就會降低。當使用處理器時,還可以實現軟體控制迴路,以便顯著增加系統的響應時間。

在增加ADC和DAC後,上述電路很快就變得不實用了。目前已有一些現成的元件可以用來提供實現這些電路的理想解決方案,如ADI的ADuC系列和Cypress公司的PSoC系列。採用Cypress的PSoC完成的電路如圖5所示。

圖5. 改進的啟動電路。<p><p>
圖5. 改進的啟動電路。

既然上升時間問題解決了,我們可以接著進行低通濾波器的實現。要求是採用截止頻率為250Hz的四極濾波器。四極濾波器極耗資源,因為它需要兩個採用相同濾波器的相同通道。幸運的是,混合訊號元件內部的delta-sigma(Δ-Σ) ADC通常都有內建的sinc2數位濾波器。在採用CY8C29466時,這些濾波器具有兩極響應,截止頻率(fc)等於採樣頻率的33%。因此將兩極開關電容低通濾波器(LPF)與Δ-Σ ADC串聯起來,可提供與四極濾波器相同的響應,這種實現方法如圖6所示。

圖6. 增益和濾波器實現。<p><p>
圖6. 增益和濾波器實現。

最後一個還未滿足的要求是陀螺儀訊號需放大100V/V倍,而可編程增益放大器(PGA)的最大增益只有48V/V。因此還需要增加一級放大器才能滿足100V/V的要求,而2.1V/V或6.44dB的額外增益可透過改變開關電容濾波器中的反饋電容值,在低通濾波器中實現。增益配置同樣如圖6所示。

最後一個步驟是複製這個電路,使兩個通道能被交替測量。眾所周知,ADC sinc2數位濾波器的截止頻率取決於採樣率,而採樣率標準是1ksps。當每個通道採樣頻率為1ksps時,數位濾波器的截止頻率設為330Hz,而指標要求是250Hz,這又顯示了什麼呢?顯示了在這些應用場合,雙極響應足夠超出250Hz到約400Hz,因此該解決方案非常適合這種應用。

影像防震電路的最終實現如圖7所示。其中還有兩部份值得一提:在ADC前面的類比多工器(mux)和傳動控制模組。當ADC執行在單通道上時,最高執行速度為10ksps,不過由於是多工的,因此採樣率實際上要除以6。由於ADC使用兩級管線式架構,因此每個通道的前兩個樣本沒有用處,可以被丟棄。

在工作過程中,第一個通道先被採樣三次,在第三次採樣結束後,多工電路馬上切換到第二個通道。同樣,在第二個通道的第三次採樣結束後,多工電路立即切換回第一個通道。另外,可透過編程ADC時脈,讓輸出數據速率達到6ksps,這樣每個通道的採樣速率就是1ksps。

圖7中還增加了致動器控制電路。致動器控制電路可以是驅動兩個馬達的控制訊號,或是將抖動位移報告給影像處理器的串列通訊匯流排。如果致動裝置是馬達,控制訊號可以是重新定位影像感測器的脈寬調變器(PWM)。串列通訊方法可能使用I2C或SPI,將影像感測器偏離原始參考座標的位移報告給影像處理器。影像處理器再透過改變影像處理器擷取數位照片的影像感測器面積來修正參考座標的變化。

圖7. 完整的影像防震電路。<p><p>
圖7. 完整的影像防震電路。

作者:Patrick Prendergast

Ben Kropf

PSoC業務部應用工程師

Cypress Semiconductor





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