硅微機械陀螺信號偏置電路設計

徐紅薇 張福學 張增平

【摘要】針對工程設計及硅微機械陀螺的技術要求，在原有的陀螺輸出信號的基礎上零位偏置，由雙極性陀螺信號變為單極性陀螺信號，并把應用環境中的+12V單電源供電設計成正負雙電源供電。根據傳遞函數，設計了電路，對電路進行了Pspice仿真，仿真結果顯示電路設計正確，最后設計了PCB，經測試符合技術要求。

【關鍵詞】硅微機械陀螺;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

硅微機械陀螺儀是慣性導航技術中經常用到的傳感器，它具有體積小，重量輕，靈敏度高等眾多優點[1]。本設計中用到的陀螺是一種利用旋轉載體自身角速度驅動的陀螺，通過垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產生的哥氏力來敏感載體的俯仰或偏航角速度。如圖1所示，陀螺輸出信號時一個雙極性信號，而應用中需要將雙極性信號變為單極性信號，電源為單電源供電，而且保證相關技術指標達到要求，為此，下文對陀螺信號進行了理論分析，設計了傳輸函數，制備了樣機。

圖1 零位偏置前陀螺輸出信號

1.原理分析

無驅動結構微機械陀螺結構如圖2所示，它由四個陶瓷電極和一個硅擺組成四個電容，坐標系oxyz固定于傳感器的質量塊上，是硅擺芯片繞軸擺動的角速度，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 無驅動結構硅微機械陀螺結構

陀螺固定在旋轉載體上，當陀螺隨著載體以的角速度自旋的同時又以Ω角速度偏航（俯仰）時，硅擺產生周期性變化的變化頻率等于旋轉載體滾動頻率的哥氏加速度，沿軸輸出角振動，從而引起硅質量塊與四個電極構成的四個電容的變化。通過信號檢測電路與信號處理電路，可以產生與被測角速度成正比的雙極性電壓信號，從而達到測量的目的。更改電路參數，可以將輸出調整為Vpp=2V偏。

本次設計是將輸出信號的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法電路實現，用陀螺輸出與V偏=2.5V直流信號相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺輸出信號。2.5V的直流信號可以由應用環境中的+12V電源通過電壓轉換芯片得到。此外，本次設計與之前信號處理電路中都用到了雙電源供電芯片，因此還另需將+12V轉換為-12V，實現雙電源供電。

2.電路設計

綜合上述分析，本設計主要分為三個部分，第一部分，+12V轉為-12V;第二部分，+12V轉為+2.5V，第三部分，2.5V與陀螺信號的相加電路，以下分別對這三部分電路進行設計分析。

2.1 正負電源設計

由于轉體內部單電源供電，而陀螺信號處理電路中用到OP27運算放大器等雙電源供電的器件，所以需要進行單電源到雙電源的轉換。選擇電壓轉換芯片既要考慮在誤差允許范圍內滿足功能實現，又要盡量滿足電路簡潔，便于小尺寸PCB上布線。通過比較，選擇Maxim公司ICL7662EBA芯片實現+12V轉換為-12V，如圖3所示，此應用中只需在芯片周圍外接兩個極性電容便可實現。而正電源則用原有的+12V電源。ICL7662的輸入輸出關系如公式（1）所示。

（1）

如此實現正負12V的電壓給電路供電。

圖3 ICL7662實現電壓轉換原理圖

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，當輸入電壓小于10V時，6腳需接地，此次應用中輸入電壓為+12V，所以不需6腳接地。

2.2 電壓轉換電路

第二部分為12V轉2.5V的電路，選用TI公司的TL431芯片的典型應用電路，TL431為三端可編程穩壓二極管，三個引腳分別為陽極，陰極和參考電壓。TL431參考電壓公差等級有A，B，和標準等級三個等級，在此選用公差最小的B等級，公差為0.5%，它的工作溫度為-40℃～+125℃，工作電流范圍寬達1-100mA，動態電阻典型值為0.22Ω，輸出雜波低，其符號可以等效為圖4所示。

圖4 TL431等效符號

用于穩壓的典型電路如圖5所示。

圖5 TL431電路連接

圖6 TL431仿真

其中輸入輸出關系可以用（下轉第155頁）（上接第153頁）式（2）表示：

（2）

其中為內部2.5V基準源，因此當R1為0歐電阻時，輸出為式（3）所示。

（3）

TL431部分的仿真結果如圖6所示。

2.3 偏置電路設計

第三部分是2.5V直流信號和陀螺信號的加法電路，實現陀螺信號2.5V的零位偏置。電路設計如圖7所示。

第一個OP27運放實現反相相加電路，傳遞函數為：

（4）

其中分別為陀螺信號和2.5V直流信號，第二個OP27運放實現反相比例運算電路，用于改變電壓極性，其傳遞函數如式（5）所示，為最后輸出，兩部分電路串聯起來，最終實現同相相加的目的。

（5）

因為有：

（6）

所以：

（7）

Pspice仿真結果如圖8所示。

仿真結果與預期效果一致，說明設計思路正確。模擬加法電路要用到集成運算放大器，本設計屬于精密儀器中的應用，且傳感器的敏感電路部分涉及到微弱信號的檢測，所以要求運算放大器失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。此處運算放大器選用OP27，OP27是一款低噪音精密運算放大器，其噪聲功率譜密度為3nV/√Hz，失調電壓為10uV，且具有高共模抑制比和高開環增益等優點，是精密儀器儀表中常用的一種運放。

圖8 加法電路Pspice電路仿真結果

圖9 轉接板PCB三維顯示

圖10 TL431輸出結果

圖11 加轉接板后陀螺輸出信號

3.實驗驗證

基于以上分析設計，設計了PCB板并加工制作，與原有陀螺信號處理板之間通過接插件連接，PCB三維顯示如圖9所示。于精密三軸轉臺上進行實驗驗證。經試驗測得TL431輸出為圖10所示，當內框旋轉頻率為15Hz，偏航角速度為180°/s。時，最后陀螺輸出信號如圖11所示，可見與圖1相比，陀螺輸出信號零位向上偏置約2.5V。實驗測量數據結果如表1所示。

表1 實驗驗證結果

4.結論

本次設計任務主要由正負雙電源設計，2.5V穩壓信號的獲取以及加法電路三大部分組成，本文分別對這三部分的理論計算，仿真驗證，與實驗結果進行了討論，發現三者結果基本一致。誤差主要來源于芯片的器件誤差與環境影響，在允許范圍之內。因此本次設計理論正確，且能實際利用到工程實踐。

參考文獻

[1]張福學，王宏偉，張偉，毛旭，張楠.利用旋轉載體自身驅動的硅微機械陀螺[J].壓電與聲光，2005，27（2）：109-115.

[2]明亮，汪銀年，王家光，張福學.一種硅微機械陀螺小信號檢測電路的設計[J].北京機械工業學報，2006，21（4）：20-25.

基金項目：北京傳感器重點實驗室開放課題（編號：5026035202）;現代測控技術教育部重點實驗室開放課題資助項目。

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