鎖相放大器應用介紹: MEMS 陀螺儀

應用介紹：

如今，基於微機電系統 (MEMS) 技術的陀螺儀可以縮小至適合裝入智慧手機的尺寸，功耗也極小。這樣的陀螺儀系統通常是通過檢測一個質量塊(mass block , proof mass)，在所有空間方向上的，振動來進行傳感，質量塊經過類似於彈簧的 MEMS 結構固定到安裝架上。MEMS 陀螺儀通常與加速度計組合在一起，這樣單台設備即可提供六維測量。

通常會利用驅動電極（其可確定驅動模態）迫使質量塊沿著一個方向進行週期性振動。一旦裝置進行旋轉運動，質量塊會在其旋轉參考面內受到科氏力：這表現為質量塊沿垂直於驅動模態定義的方向輕微位移，如圖所示。（通過所謂的傳感模態）傳感這種位移的幅度，可以得出旋轉的角速度。這種旋轉運動傳感裝置通常被稱為科氏振動陀螺儀 (CVG)。

測量策略:

要想利用 CVG 進行準確的旋轉測量，需要對驅動和傳感模態進行高水準控制。為此，通常要開發額外的專用積體電路 (ASIC)。

驅動模態控制

第一步是利用鎖相環 (PLL) 迫使質量塊沿驅動模態方向進行諧振振動。利用一個 PID 控制器可通過實現自動增益控制 (AGC)，來確保驅動模態的幅度保持不變。與此同時，兩個反饋回路可保證旋轉運動不會影響驅動模態。在幅度或頻率上的載波調製有助於抑制背景雜訊，而且可以降低寄生效應對陀螺測量的影響。另外，可以使用多個同步的解調器和一個參數掃描器進行參量諧振。

開環傳感模態配置

在開環配置中，解調器的輸出變數之一用來監測傳感模態；要達到角速度與振幅成正比，需要手動調整感測器模態相位。然而，傳感模態的幅度衰減時間常數，由質量因數和諧振頻率所決定，限制了陀螺儀對於輸入旋轉的回應時間。

閉環傳感模態配置

對傳感模態進行閉環控制可以縮短裝置的回應時間，提高 CVG 的頻寬和動態範圍。閉環系統會產生一個回饋力，對傳感模態下的運動進行抑制。這種強制平衡式方法通過施加的回饋力的幅度可以直接獲取輸入角速度。閉環傳感模態配置需要四個控制環路，其中的三個環路依賴於 PID 控制器來構建回饋信號。
 

HF2LI 鎖相放大器

選擇Zurich Instruments的優勢
 

1. 通過使用Zurich Instruments的鎖相放大器，可在您的裝置上無縫實施和測試上述所有陀螺儀控制方案，無需進行耗時且成本高昂的 ASIC 開發。例如，HF2LI  鎖相放大器提供 50 kHz 的 PLL 頻寬，因此可以顯著降低 CVG 操作的複雜性，特別是在閉環傳感配置中。對於需要更快操作速度和更高控制頻寬的傳感應用，UHFLI  鎖相放大器可將 HF2LI 的能力擴展到最高 600 MHz 的頻率（300 kHz 的 PLL 頻寬）。
 

2. 得益於 LabOne 軟體所提供的時域和頻域工具，可以對驅動和傳感模態行為進行表徵，包括所有關鍵測試。
 

3. Zurich Instruments的類比電子產品可進行差分電壓或電流測量（通過結合使用 HF2LI 與 HF2TA 電流放大器）；並且提供多個輸入級，以最大限度減少輸入雜訊並提高週期性信號的信噪比。
 

4. Zurich Instruments 提供 USB 或 GbE 連接所實現的快速數位資料傳輸，可以輕鬆記錄測量結果，而無需額外的資料獲取卡。

Zurich Instruments 的鎖相放大器（Lock-in Amplifier）在 MEMS 陀螺儀（Micro-Electro-Mechanical Systems Gyroscope）中的應用非常關鍵，因為它能大幅提升訊號讀取的準確性與穩定性。

應用流程範例

• 驅動震盪：使用 Zurich Instruments 的內建信號產生器來驅動 MEMS 陀螺儀的震盪模態。
• 科氏力感測：旋轉時產生橫向振動（Coriolis 模態），這些微小訊號進入鎖相放大器。
• 鎖相解調：根據驅動頻率進行解調，濾除背景雜訊，只留下科氏分量。
• 角速度量測：透過相位與振幅變化，精準計算旋轉速率。

適用場景

• MEMS 陀螺儀開發與研究（特別是在學術或實驗室中）
• 陀螺儀校正系統
• 高精度角速度感測器的性能分析

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