用可編程模擬電路實現(xiàn)MEMS陀螺儀測量系統(tǒng)

上升時間方程式如下：

解決方案是增加某種有源電路來穩(wěn)定連接到AGND的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可以用DAC代替，并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之間的差值，如果差值是負的(放大器輸入電壓低于AGND)，那么DAC的輸出電壓將會上升；如果差值是正的，DAC的輸出電壓就會降低。當使用處理器時，還可以實現(xiàn)軟件控制環(huán)路，以便顯著增加系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

在增加ADC和DAC后，上述電路很快就變得不實用了。目前已有一些現(xiàn)成的器件可以用來提供實現(xiàn)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。采用Cypress的PSoC完成的電路實現(xiàn)如圖5所示。

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(xiàn)。要求是采用截止頻率為250Hz的四極濾波器。四極濾波器極耗資源，因為它需要兩個采用相同濾波器的相同通道。幸運的是，混合信號器件內(nèi)部的delta-sigma (Δ-Σ) ADC通常都有內(nèi)置的sinc²數(shù)字濾波器。在采用CY8C29466時，這些濾波器具有兩極響應(yīng)，截止頻率(fc)等于采樣頻率的33%。因此將兩極開關(guān)電容低通濾波器(LPF)與Δ-Σ ADC級聯(lián)起來可以提供與四極濾波器相同的響應(yīng)，這種實現(xiàn)方法如圖6所示。

圖6. 增益和濾波器實現(xiàn)。

最后一個還未滿足的要求是陀螺儀信號需要放大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的額外增益可以通過改變開關(guān)電容濾波器中的反饋電容值在低通濾波器中實現(xiàn)。增益配置同樣如圖6所示。

最后一步是復制這個電路，使兩個通道能被交替測量。大家知道，ADC sinc²數(shù)字濾波器的截止頻率取決于采樣率，而采樣率標準是1ksps。當每個通道采樣頻率為1ksps時，數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)為330Hz，而指標要求是250Hz，這又表明了什么呢？表明了在這些應(yīng)用場合，雙極響應(yīng)足夠超出250Hz到約400Hz，因此該解決方案非常適合這種應(yīng)用。

圖像防抖電路的最終實現(xiàn)如圖7所示。其中還有兩部分值得提一下：在ADC前面的模擬復用器(mux)和傳動控制模塊。當ADC運行在單個通道上時，最高運行速度為10ksps，不過由于是復用的，因此采樣率實際上要除以6。由于ADC使用兩級管線式架構(gòu)，因此每個通道的前兩個樣本沒什么用，可以被丟棄。

圖7. 完整的圖像防抖電路。

在工作過程中，第一個通道先被采樣三次，在第三次采樣結(jié)束后，復用電路馬上切換到第二個通道。同樣，在第二個通道的第三次采樣結(jié)束后，復用電路立即切換回第一個通道。另外，可以通過編程ADC時鐘讓輸出數(shù)據(jù)速率為6ksps，這樣每個通道的采樣速率就是1ksps。

圖7中還增加了執(zhí)行器控制電路。執(zhí)行器控制電路可以是：1)驅(qū)動兩個馬達的控制信號，或2)將抖動位移報告給圖像處理器的串行通信總線。如果執(zhí)行裝置是馬達，控制信號可以是重新定位圖像傳感器的脈寬調(diào)制器(PWM)。串行通信方法可能使用I2C或SPI將圖像傳感器偏離原始參照系的位移報告給圖像處理器。圖像處理器再通過改變圖像處理器捕獲數(shù)字照片的圖像傳感器面積來修正參照系的變化。