一种内置DDS激励的MEMS陀螺仪带宽检测系统

本发明属于mems惯性传感器性能测试，具体涉及一种mems陀螺仪带宽全自动测量方法，适用于消费级、车载、导航级 mems 微机械陀螺出厂批量标定与动态性能检测。

背景技术：

1、微机电陀螺是一种用于检测运动物体角速度或运动姿态角的惯性传感器，以科里奥利效应为基本原理，采用微机械加工技术将陀螺机械敏感结构集成到硅片衬底上，通过检测陀螺机械敏感结构上的科里奥利加速度来实现检测目标。带宽是评价微机电陀螺仪动态响应能力的核心指标，定义为陀螺标度因数幅值衰减至静态幅值 0.707（-3db）对应的输入交变频率，直接决定陀螺跟踪高速、高频角运动的能力，是产品出厂标定、动态性能验证的必测参数。

2、目前主流陀螺带宽检测方式分为机械振动激励法、外部电激励法两类。

3、机械振动激励法通过角振动台输出不同频率交变角运动，为陀螺提供物理旋转激励，采集对应输出以绘制幅频特性曲线。该方式存在固有局限：第一，通用角振动台最高输出频率仅100~150hz，无法满足上千赫兹高带宽陀螺的全频特性检测；第二，台体机械抖动、转速漂移会引入额外干扰，造成频响曲线测量误差；第三，高精度角振动台购置、维护成本高，批量产线部署硬件投入大。

4、为摆脱角振动台的频率上限与高成本缺陷，现有检测方案采用外部信号发生器输出多频正弦电信号，直接接入陀螺检测轴驱动电极，静电模拟哥氏力交变振动，通过多频点扫频采集陀螺输出，绘制标度因数幅频特性曲线，以- 3db衰减点对应频率作为陀螺带宽。该方案虽突破机械设备频率约束，但仍存在多项难以规避的缺陷：第一，测试系统必须额外配套独立信号发生器，多工位产线测试时模拟引线数量大幅增加，线缆耦合噪声会干扰陀螺微弱检测信号，降低频响曲线测量精度；第二，外部信号发生器与陀螺主控 fpga 分属两套独立硬件，激励切换、数据采集时序无法精准同步，每个频点均需预留较长稳定等待时长，批量测试效率低下；第三，扫频频率、幅值参数需要人工在信号发生器端手动设置，无法与陀螺内部采集链路联动，难以实现产线一键自动化测试。

技术实现思路

1、本发明提供一种内置dds（direct digital synthesizer直接数字频率合成器）激励的mems陀螺仪带宽测量系统，通过在陀螺fpga内部集成正弦扫频生成模块与片上数据缓存链路，无需外接信号发生器，以此解决现有带宽测试方案依赖外部激励仪器、时序难以同步、测试噪声大、自动化程度低，以及机械角振动台频率受限、成本高的技术问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种内置dds激励的mems陀螺仪带宽检测系统，包括：

4、串口命令模块，用于与上位机建立双向串口通信链路，将上位机下发的控制指令转发至串口命令解析模块；

5、串口命令解析模块对控制指令解析后输出两路控制信号，一路参数配置信号送入dds数字正弦序列生成模块，另一路采集触发信号送入触发fifo写控制模块；

6、dds数字正弦序列生成模块，用于生成不同频率下预设幅值的数字正弦序列送入信号合成单元；

7、信号合成单元，用于将三路闭环控制信号和数字正弦序列在数字域完成幅值、相位叠加，叠加后的综合数字波形输出至数模转换电路；

8、数模转换电路，用于将综合数字波形转换为模拟驱动电压，同步加载至 mems敏感结构的检测轴驱动电极，同时为陀螺仪提供常规闭环稳定驱动电压；

9、前置放大器，用于接收mems敏感结构输出的模拟电信号，完成信号放大与滤波；

10、模数转换电路，用于将连续模拟电压信号转换为数字采样信号，并传输至信号解调模块；

11、信号解调模块，用于接收的数字采样信号并完成同步解调运算，解调信号分为两路同步输出：第一路解调信号送入实时控制信号解算模块，第二路解调信号送入触发fifo写控制模块；

12、实时控制信号解算模块，用于根据解调信号的幅值、相位解算出三路闭环控制信号：驱动轴agc 稳幅控制信号、正交误差校正控制信号和力平衡反馈控制信号；

13、触发fifo写控制模块，用于接收触发信号与信号解调模块输出的陀螺测量数据，将多组陀螺采样数据持续写入先进先出队列fifo模块；

14、先进先出队列fifo模块用于缓存单频点下多组陀螺采样数据，缓存完成后将采样数据、采集状态信号输出至陀螺数据打包模块；

15、陀螺数据打包模块，用于接收先进先出队列fifo模块输出的缓存数据、采集状态，将当前测试频点、激励幅值、多组陀螺原始采样值封装为标准数据帧，封装完成后将数据帧传输至串口命令模块，由串口命令模块回传至上位机；

16、上位机，用于遍历全部扫频频点的存储数据，对每个频点多组陀螺采样数据求取均值，根据输入输出线性模型计算各频点对应的标度因数；以0hz静态标度因数作为基准，绘制横坐标为频率、纵坐标为标度因数的幅频特性曲线，在曲线中查找标度因数幅值衰减至基准值为0.707倍对应的频率数值，该频率数值即为mems陀螺仪带宽。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

18、（1）本发明在陀螺仪fpga 内部集成dds数字正弦序列生成模块，可直接生成不同频率、幅值的数字激励信号，无需额外配置外部激励仪器，简化测试系统硬件组成，规避外部模拟传输线路引入的信号干扰。

19、（2）本发明在fpga内部配套设置fifo缓存、数据打包、串口交互逻辑，激励输出、信号采集、数据上传流程可通过上位机指令统一时序控制，实现全流程自动化运行，缩短单次测试耗时。

20、（3）测试激励在数字域与陀螺驱动稳幅、正交校正、力平衡控制信号同步叠加输出，陀螺闭环工作状态不受干扰，测试工况与器件实际工作状态保持一致，测量数据能够真实反映器件动态频响特性。

21、（4）本发明仅通过更新fpga 内部数字逻辑实现全部测试功能，无需改动陀螺仪模拟前端、电极、数模/模数转换硬件结构，适配现有量产陀螺仪产品，可覆盖宽频率区间的带宽检测，完整输出标度因数随频率变化的幅频曲线。

1.一种内置dds激励的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，所述解析模块完成串口指令解析，向dds数字正弦序列生成模块下发零位采集指令或扫频范围、频点间隔、幅值配置参数与同步触发信号；当下发零位采集指令时，dds数字正弦序列生成模块不生成正弦序列，此时得到的陀螺数据为零位输出信号；当下发是频率与幅值参数指令时，dds数字正弦序列生成模块会生成首个频点、幅值固定的数字正弦序列，当当前频点的数据完成本地存储后，dds数字正弦序列生成模块自动更新内部频率控制字，切换至下一测试频点，重复执行激励加载、数据缓存、打包上传流程，直至遍历全部预设扫频频点。

3.根据权利要求1所述的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，所述信号解调模块包括第一乘法器、第一滤波器、第三乘法器、第二滤波器、第四乘法器、第三滤波器；所述实时控制信号解算模块包括第一pid控制器、第二乘法器、第二pid控制器、第三pid控制器以及第五乘法器；

4.根据权利要求1所述的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，所述信号解调模块、触发 fifo 写控制模块、先进先出队列 fifo 模块全部运行在同源时钟域。

5.根据权利要求1所述的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，所述模数转换电路采用fpga输出的50mhz同步时钟作为工作基准时钟，adc 的采样、量化、数字数据输出时序均由该 50mhz同步时钟驱动。

6.根据权利要求1所述的mems陀螺仪带宽检测系统，其特征在于，所述输出线性模型如下：