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微機械陀螺儀
閱讀�15903時間�2011-01-17 14:17:43

  微機�陀螺儀是基于微機械�MEMS)技�(shù)工藝制程的陀螺儀,由于內(nèi)部無需集成旋轉(zhuǎn)部件,而是通過一個由硅制成的振動的微機械部件來檢測角速度,因此微機械陀螺儀非常容易小型化和批量生產(chǎn),具有成本低和體積小等特�。近年來,微機械陀螺儀在很多應用中受到密切地關�,例�,陀螺儀配合微機械加速度傳感�用于慣性導航、在�(shù)碼相機中用于�(wěn)定圖�、用于電腦的無線慣性鼠標等等�

原理

微機械陀螺儀

  微機械陀螺儀利用了哥氏力�(xiàn)�,其原理如圖1所�。當圖中的物體沿X軸做周期性振動或其他運動時,并且XY坐標系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉(zhuǎn)運動,就會在該物體上�(chǎn)生一個沿Y軸方向的哥氏�,其矢量可按�1計算�

  式中:F(t)是哥氏力,m是該物體的質(zhì)�,ΩZ是坐標系旋轉(zhuǎn)的角速度,是該物體的矢量速度�

  機械陀螺儀LY530AL,它采用了對稱的雙質(zhì)量塊�(jié)�(gòu),如�2所�。滑�1�1’是檢測�(zhì)量塊� 2�2’是�(qū)動質(zhì)量塊,并且檢測質(zhì)量塊是附著在�(qū)動質(zhì)量塊之上。受限于�(jié)�(gòu)�3,檢測質(zhì)量塊能夠被動的隨�(qū)動質(zhì)量塊沿驅(qū)動軸(X軸)運動,而在檢測軸(Y軸)方向,檢測質(zhì)量塊則能在哥氏力的作用下自由運動。所以檢測質(zhì)量塊會有兩個軸向運�,一個是隨驅(qū)動質(zhì)量塊沿X軸的受限被動運動,另一個是由哥氏力牽引著在Y軸的自由運動�4�4’)�5�5’)分別是驅(qū)動電極和檢測電極�

微機械陀螺儀原理2

  根據(jù)�1,哥氏力�(chǎn)生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振動速度為已知量,如果得到檢測質(zhì)量塊上的哥氏力加速度a(t),然后結(jié)合振動速度進行同步解調(diào),就可以檢測出XY坐標系的旋轉(zhuǎn)角速度。這就是微機械振動陀螺儀的基本工作過程。由于加速度的檢測方法較為簡�,而保持一個振幅和頻率都恒定的振動速度卻比較困�,所以振動速度χ(t)對角速度的檢出起著關鍵作��

主要參數(shù)

  微機械陀螺儀的重要參�(shù)包括:分辨率(Resolution�、零角速度輸出、靈敏度(Sensitivity)和測量范圍,這些參數(shù)是評判微機械陀螺儀性能的重要標志,同時也決定了該陀螺儀的應用環(huán)�。分辨率是指陀螺儀能夠檢測的最小的角速度,該參數(shù)和零角速度輸出其實是由陀螺儀的白噪聲決定,白噪聲一般用°/s/√Hz來表征,LY530AL的白噪聲只有�0.1°/s/√Hz。這三個參�(shù)著重說明該陀螺的�(nèi)部性能和其抗干擾能�,而對使用者而言,靈敏度更有實際的意義,其單位是mV/°/s,由此用戶可選用適合的ADC來與之匹配。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的的角速度,單位是°/s,不同的應用對陀螺儀的測量范圍有不同的要��

典型應用

  提供兩種接口:模擬或者數(shù)字接口(I2C/SPI�,可以通過管腳5來選擇所希望的接口方�。在上文中已�(jīng)提到,LY530AL需要一個鎖相環(huán)來同步驅(qū)動和檢測兩部分電�,C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一個二階低通濾波器�

微機械陀螺儀的典型應用

  如圖中所�,LY530AL在模擬輸出端集成了兩個一階片上濾波器用來濾除高頻信號:開關電容低通濾波器(截至頻率:400Hz)和一個有源濾波器。有源濾波器的電阻為180kΩ,已�(jīng)集成在芯片內(nèi)�,使用時需要外接電容CACT來設置截至頻率計算方法如�4。如果上述兩級低通還不能濾除高頻噪聲,LY530AL還支持外接ROPT和COPT�(gòu)成的低通濾波器。當LY530AL與ADC之間走線較長�,其中還可加入運算放大器增強其驅(qū)動能力來符合ADC對輸入信號的要求�

  對于便攜式設備而言,器件的功耗非常重�,直接影響其待機的時�。在使用其模擬接口時,LY530AL消耗電流典型值為�4.8mA,并還設置有一個PD管腳,控制其在待機時進入掉電模式,在該模式下消耗電流小�1μA。由于微機械陀螺儀�(nèi)部有振蕩的微機械部分,LY530AL還設有自測的功能,能夠自行檢測其�(nèi)部的微機械部分是否正�。在使用模擬接口時,通過ST管腳來啟動自測功�,這時芯片�(nèi)部會�(chǎn)生一個靜電力作用在微機械部分�,來模擬一定的哥氏力,輸出電壓也會隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內(nèi),說明芯片內(nèi)部的微機械結(jié)�(gòu)工作正常�

  微機械陀螺儀在新型鼠標或遙控器中的應�

  STM32-PRIMER2是STM的STM32開發(fā)工具,如圖所示,其配置了128×160像素的彩色觸摸屏顯示�、方向控制按鍵、USB接口、外部擴展連接器、MEMS加速度傳感器等,通過�(nèi)置的開源CircleOS軟件框架,用戶可以輕松地管理所有組�。為支持更多的外�,STM32-PRIMER2提供�20針的擴展連接�,其中包括一個UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口�,如�7所�� 同時其采用了STM公司的高精度加速度傳感器LIS3LV02DL,加速度分辨率可達到1mg。為驗證LY530AL的性能,通過STM32-PRIMER2�20針的擴展連接�,構(gòu)建如�8所示的測試系統(tǒng)�

微機械陀螺儀在新型鼠標或遙控器中的應用

  該評估系�(tǒng)無線通訊部分采用STM的藍牙收�(fā)模塊GS-BT2416C2通過UART接口和主處理器STM32F103VET6進行通訊;采用了兩顆LY530AL分別檢測Yaw和Pitch上的�(zhuǎn)�,一顆水平放�,另一顆垂直主板放置,分別通過SPI接口和主處理器進行通訊;三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來檢測遙控器在XYZ三個軸上的水平移動,主處理器STM32F103VET6負責�(shù)�(jù)的采集和處理�

  該評估系�(tǒng)�(jīng)藍牙與筆記本相連接進行驗證,其具有很好的靈敏度和響應速度,在使用過程中不存在光標漂移�(xiàn)象,完全可以取代傳統(tǒng)的鼠�。再與機頂盒連接測試時,相較于現(xiàn)有復雜的多按鍵遙控器,具有更好的直觀�,只需要利�3�5個按鍵,就可以對選單目錄進行操控�

維庫電子�,電子知識,一查百��

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