微机械陀螺仪

微机械陀螺利用科里奥利力现象,其原理如图1所示。

当图中的物体沿X轴进行周期性振动或其他运动时,XY坐标系沿Z轴以Ωz的角速度旋转。

轴,在物体上产生沿Y轴方向的科里奥利力,其矢量可以根据公式1计算。

其中:F(t)是科里奥利力,m是物体的质量,ΩZ是坐标系旋转的角速度,即物体的矢量速度。

机械陀螺仪LY530AL采用对称的双质量结构,如图2所示。

滑块1和1'是检测质量块,2和2'是驱动质量块,检测质量块连接在驱动块上。

在结构构件3的作用下,检测质量可以沿着驱动轴(X轴)被驱动质量被动地移动,而在检测轴(Y轴)中,被测量质量可以在科里奥利力的作用下自由移动。

因此,检测质量具有两个轴向运动,一个是沿着X轴与驱动质量的受限被动运动,另一个是通过科里奥利力的Y轴的自由运动。

图4(4')和5(5')分别是驱动电极和检测电极。

根据等式1,由科里奥利力产生的加速度是a(t)=2ΩZ×。

振动速度是已知量。

如果获得检验质量上的科里奥利力加速度a(t),然后结合振动速度同步解调,则可以检测XY坐标系的旋转角速度。

这是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。

由于加速度的检测方法相对简单,难以保持恒定振幅和频率的振动速度,因此振动速度χ(t)在角速度检测中起关键作用。

微机械陀螺的重要参数包括分辨率,零角速度输出,灵敏度(灵敏度)和测量范围。

这些参数是判断微机械陀螺性能的重要指标,也决定了陀螺仪的应用环境。

分辨率是指陀螺仪可以检测到的最小角速度。

该参数和零角速度输出实际上由陀螺仪的白噪声决定。

白噪声通常以°/ s /√Hz为特征。

LY530AL的白噪声仅为0.1°。

/ S /√Hz的。

这三个参数强调陀螺仪的内部性能及其抗干扰能力。

对于用户而言,灵敏度更实用。

单位为mV /°/ s,因此用户可以选择合适的ADC进行匹配。

测量范围是指陀螺仪可以以°/ s为单位测量的最大角速度。

不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求。

提供两种接口:模拟或数字(I2C / SPI),可通过引脚5选择以选择所需的接口。

如上所述,LY530AL需要一个锁相环来同步驱动和检测两部分电路。

C1,C2和R1是锁相环所需的二阶低通滤波器。

如图所示,LY530AL在模拟输出端集成了两个一阶片上滤波器,用于滤除高频信号:开关电容低通滤波器(关断频率:400 Hz)和有源滤波器。

有源滤波器的电阻为180kΩ,集成在芯片内部。

使用时,需要一个外部电容CACT来设置截止频率计算方法,如公式4所示。

如果上述两级低通不能滤除高频噪声,LY530AL还支持一个低通滤波器组成外部ROPT和COPT。

当LY530AL和ADC之间的走线很长时,可以添加运算放大器以增强其驱动能力,以满足ADC的输入信号要求。

对于便携式设备,设备的功耗非常重要,直接影响待机时间。

当使用其模拟接口时,LY530AL消耗4.8mA的典型电流,并且还配备了一个PD引脚,用于控制它在待机期间进入掉电模式,其中电流消耗小于1μA。

由于微机械陀螺仪内部具有振荡微机械部件,因此LY530AL还具有自检功能,可以检测内部微机械部件是否正常。

使用模拟接口时,ST引脚激活自检功能。

此时,在芯片内部产生静电力以作用在微机械部件上以模拟某个科里奥利力,并且输出电压也改变。

如果电压变化的值在一定范围内,则芯片内部的微机械结构正常工作。

新型鼠标或遥控器中的微机械陀螺仪STM32-PRIMER2是STM最新的STM32开发工具,如图所示,它配备了128×160像素彩色触摸屏显示器,方向控制按钮,USB接口,外置扩展连接器, MEMS加速度计等,内置开源CircleOS软件框架,用户可以轻松管理所有组件。

为了支持更多外设,STM32-PRIMER2提供了一个20引脚扩展连接器,包括UART接口,SPI,音频I2S接口和ADC输入接口,如图7所示。

同时,它采用STM的高精度加速度传感器LIS3LV02DL,加速度分辨率可达1mg。

为了验证LY530AL的性能,使用STM32-PRIMER2的20针扩展连接器构建了如图8所示的测试系统。

评估系统的无线通信部分使用STM蓝牙收发器模块GS-BT2416C2通过UART接口与主处理器STM32F103VET6通信;两个LY530AL分别用于检测Yaw和Pitch上的旋转,一个水平放置,另一个垂直主板分别通过SPI接口与主处理器放置和通信;三轴加速度计LIS3LV02DL用于检测遥控器在XYZ三轴上的水平移动,主处理器STM32F103VET6负责数据采集和处理。

通过将蓝牙与笔记本连接来验证评估系统。

它具有良好的灵敏度和响应速度,使用过程中没有光标漂移,可以完全取代传统鼠标。

连接到机顶盒时,它比现有的复杂多按钮遥控器更直观。

您只需使用3到5个按钮来控制菜单。

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