有机械耦合的电容式硅微陀螺敏感信号读取

L2、R2、C2分别代表敏感轴方向的质量、阻尼和刚度。V2等效为驱动力。

C1、C2两端电压等效为驱动方向和敏感方向位移。V1代表转动角速度。A1对驱动方向位移的微分得到速度，A11乘法运算后得到科氏力。A13将刚度耦合与科氏力合成为敏感轴方向的驱动力。通过这个模型可以仿真不同条件下的敏感输出与驱动力V2的相位关系。也可以研究刚度耦合与敏感输出的相位关系。图4的近似仿真，主要是用于电路设计讨论。

三、采样方法设计

根据以上分析，应该在机械耦合最小时采集敏感信号。由于正反向振动机械耦合可能不一致，机械耦合最小时刻应分别选取。利用振动时机械运动的惯性，在采样时关断驱动电压信号，消除电耦合干扰。

图 5 采集与驱动框图
G 微陀螺机械振动块；C1、C2 敏感电容； C3、C4 驱动电容；A1 差动电容调理电路；A2 差动放大器； S/H1、S/H2 采样保持器；U1 采集控制单片机
Fig. 5 sample and driver block
G vibration block of micromachined gyroscope;C1,C2 sensing capacitor; C3,C4 driving capacitor;A1 conditioner of differential capacitor; A2 differential amp.;S/H1,S/H2 simple-holder; U1 SCM

图5为采集与驱动框图。控制时序由U1完成。为了精确控制时序，采用时钟频率较高的DSP器件，本实验采用的是TMS320F2810。控制时序如图6所示，采样时序脉冲发生在振动质量块过静态平衡点。实验过程：通过显微镜观察初步确定谐振频率范围；在零转速条件下，通过改变驱动频率寻找机械耦合最大的频率，并在有转速条件下，搜索信号输出最大的驱动频率，双方面验证找到机械谐振频率；在零转速条件下搜索到机械耦合最小的同步采样时刻。在这个时刻一般有转速时的敏感信号也接近最大值。初步试验结果：驱动周期3017Hz，转台转速0.1Hz，10次平均，数字输出信号跳动1%。

图 6 控制时序
Fig. 6 control order

各脉冲可通过片上外设PWM接口送出，基本上不耗费软件时间。对于确定的硅微陀螺，一旦最初的搜索、标定完成后，脉冲时序便成为固定常数。正常运行时，软件仅完成简单的补偿修正工作。进一步还可以考虑用SOC器件，把S/H1、S/H2、A2、A/D、PWM、CPU等功能由一只芯片完成。

四、结束语

任何硅微陀螺都不可避免地存在机械耦合干扰，本文分析指出存在干扰影响最小的可供对敏感信号采样时刻。这个采样时刻靠近敏感信号的峰值点。结合以前文章[]所提出的采样时关断驱动信号方法，可提高硅微陀螺的性能。笔者认为，由于各微陀螺仪谐振频率的差异，直接检测质量块过平衡点时刻的方法还需研究。这将是以后进一步的研究。