檢波電路、檢波方法以及物理量測定裝置的製作方法
2023-05-30 13:50:46 1
專利名稱：檢波電路、檢波方法以及物理量測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢波電路、檢波方法以及物理量測定裝置。
背景技術：
本發明申請人對振動型陀螺儀的應用進行了各種研究，包括在汽車車體旋轉速度反饋式車輛控制方法中，將振動型陀螺儀用於旋轉速度傳感器等。在這種系統中，轉向輪的方向是依據方向盤的旋轉角度檢測。與此同時，車體實際旋轉的旋轉速度使用振動陀螺儀檢測。然後，比較轉向輪方向與實際車體的旋轉速度，計算差值，並依據該差值對車輪轉矩、轉向角進行校正後，便可以實現穩定的車體控制。本發明申請人於日本專利特開平11-281372號公報中提出了一種主要使用在平面內延伸的振子、適合橫向配置的振動型陀螺儀。
振動型陀螺儀在製造時，需使用自激振蕩電路，激勵例如晶體形成的驅動振動片，產生驅動振動。此外，通過處理由振子上的檢測電極所發送的輸出電壓，獲得與旋轉角速度相對應的電壓值。日本專利特開平11-44540號公報、特開2003-87057號公報中公開了這種電路。
發明內容
以往，自激振蕩電路與檢測電路由分立元器件構成，製造工序繁多。因此，本發明者考慮通過在單片IC晶片上形成自激振蕩電路和檢測電路，實現驅動-檢測電路的批量生產。
將用於陀螺儀傳感器的IC實現單片化時，IC的工藝大致可分為雙極型以及CMOS兩種。為了測定檢測電極中的微弱電流，優選CMOS工藝。但是，在用CMOS工藝生產IC時，噪聲很大，尤其是檢測電路中1/f噪聲變大。
圖1是一例檢測電路的方框圖。設置于振子11上的檢測構件12A、12B分別將輸出信號輸出，各輸出信號分別由電荷放大器13A、13B放大，並由差動放大器14將各輸出信號之差放大。接著，通過放大器15。另一方面，派生一部分驅動信號，將該派生信號輸入到相位檢波器30，通過檢波電路16對振子1的輸出信號進行檢波。結果，在檢波後的輸出信號中，應可除去、或至少可減少不需要的洩漏信號。此檢波後的輸出信號將通過低通濾波器17、放大器18。圖1的S4中的陀螺儀方向振動分量與洩漏方向振動分量如圖2的S4所示。對陀螺儀信號分量進行檢波後，波形如S5所示。此信號通過低通濾波器17後，可獲得如S6所示直流信號。此時，經過檢波以及低通濾波器處理後，信號振幅變小。因此，通常會使用放大器18放大直流信號，並施加由偏置調整電路19輸出的信號。此放大後的輸出信號由輸出端子20來測定。
此處，發現例如1/f噪聲的問題。1/f噪聲是低頻噪聲，主要由放大器產生。因此，需要降低低通濾波器17的後級的噪聲放大倍數。
例如，如圖3所示，在低通濾波器17的後級配置了同相放大器21、反相放大器22。放大器包含了反相放大器與同相放大器。此處，以Vn表示放大器的噪聲，以A表示放大電路的增益。於是，反相放大器的輸出噪聲為[(A+1)×Vn]，同相放大器的輸出噪聲為[A×Vn]。因此，從減小噪聲的觀點來看，優選使用同相放大器。
然後，圖3所示的電路中，使從同相放大器21與偏置調整D/A19的反相放大器22的輸入阻抗相同時，1/f噪聲成為Vn×A+Vn×(2A+1)＝Vn×(3A+1)。例如A＝4時，圖3電路中的低通濾波器之後的1/f噪聲為13Vn。因此，最好將具有A放大倍率的放大器儘量移到前級一側。
因此，如圖5所示，本發明申請人嘗試將具有A放大倍率的放大器移動到前級一側。此時，將向放大器23的信號輸入偏置信號。此時，如果使從低通濾波器17與偏置調整D/A19的反相放大器23的輸入阻抗相同，則1/f噪聲成為Vn×(2A+1)+Vn×2＝Vn×(2A+3)。例如A＝4時，1/f噪聲為11Vn。此處，同相放大器比反相放大器的噪聲小。但是，同相放大器的輸入電壓範圍小。為了進行偏置調整，需要有較大的放大器輸入範圍，因此，不得不使用噪聲大的反相放大器，難以降低檢測電路中的1/f噪聲。
本發明的目的在於，在放大同步檢波後的信號時，降低放大後的信號噪聲。
本發明涉及一種檢波電路，具體地說，它包含被同步檢波信號的輸入部、向被同步檢波信號輸入基準信號的輸入部、以及向被同步檢波信號施加偏置信號的偏置信號輸入部，在偏置信號疊加到被同步檢測信號後，基於所述基準信號進行同步檢波。
另外，本發明涉及一種檢波方法，具體地說，是將偏置信號疊加於被同步檢波信號後，基於基準信號進行同步檢波。
另外，本發明涉及一種物理量測定裝置，具體地說，該物理量測定裝置使用振子、激勵振子進行驅動振動的驅動電路、以及為了將來自振子的檢測信號輸出的檢測電路，基於檢測信號對物理量進行測定，其中檢測電路包含檢波電路，檢波電路具備被同步檢波信號的輸入部、向被同步檢波信號輸入基準信號的輸入部、以及向被同步檢波信號施加偏置信號的偏置信號輸入部，在偏置信號疊加到被同步檢測信號後，基於基準信號進行同步檢波。
本發明申請人發明了向被同步檢波信號疊加偏置信號、並通過基準信號進行同步檢波的電路。由此，便可以使用輸入電壓範圍小的同相放大器，作為同步檢波後進行放大時的放大器。同相放大器與反相放大器相比，由於1/f噪聲小，可顯著降低噪聲。
圖1是表示以往檢測電路的例示電路圖。
圖2是表示各點S4、S5、S6的各波形圖。
圖3是表示本發明人研究的比較例中檢測電路的電路圖。
圖4是表示反相放大器以及同相放大器構造例的電路圖。
圖5是表示本發明人研究的其他比較例中檢測電路的電路圖。
圖6是表示同步檢波電路的電路圖。
圖7是表示圖6同步檢波電路中各點1～6的各波形的波形圖。
圖8是表示具有偏置信號輸入功能的同步檢波電路的電路圖。
圖9表示圖8電路中各點1～7的波形例。
圖10是表示組合了同步檢波電路30的檢測電路的方框圖，所述同步檢波電路30具有偏置信號輸入功能。
圖11是自激振蕩電路49、以及組合了同步檢波電路30的檢測電路50的電路圖，所述同步檢波電路30具有偏置信號輸入功能。
具體實施例方式
下面對本發明的同步檢波電路進行說明。
圖6是表示以往同步檢波電路16的電路圖。圖7表示圖6電路中各點1～6的各電壓波形。向被同步檢波信號輸入部16a輸入被同步檢波信號(點1)。點1的波形是例如圖7(1)所示的正弦波。被同步檢波信號輸入部16a實際上由反相放大器構成，包含串聯電阻器27、並聯電阻器28、以及放大器26。結果發現在點2如圖7(2)所示，點1的正弦波發生反相。此輸出通過開關1(29A)、開關2(29B)後，與檢波電路的輸出點6相連。
另一方面，基準信號由基準信號輸入部16b輸入。點3的信號如圖7(3)表示。此信號通過比較器25後，在點4處變為矩形波。在點5處，點4的矩形波波形發生反相。然後，以一定周期將開關1的接通-斷開與開關2的接通—斷開進行切換。結果可獲得點6的輸出。
圖8是表示本發明一個實施方式所述的具有偏置信號輸入功能的檢波電路30的電路圖，圖9表示圖8電路中各個點的波形例。
首先，向被同步檢波信號輸入部30a輸入被同步檢波信號(點1)。點1的波形是例如圖9(1)所示的正弦波。被同步檢波信號輸入部30a實際上由反相放大器構成，包含串聯電阻器27、並聯電阻器28、以及放大器26。結果，在點2如圖9(2)所示，點1的正弦波發生反相。此輸出信號通過開關1(29A)、開關2(29B)後，與檢波電路的輸出點6相連。
另一方面，基準信號由基準信號輸入部30b輸入。點3的信號如圖9(3)表示。此信號通過比較器25後，在點4處變為矩形波。在點5處，點4的矩形波波形發生反相。
在此，本例中，偏置信號從偏置輸入部30c通過電阻器31輸入。偏置信號是如圖9(7)所示的直流電壓信號。偏置信號的大小例如由非旋轉時的振子檢測電極輸出的洩漏信號大小(零點溫度漂移)決定。然後，以一定周期將開關1的接通-斷開與開關2的接通-斷開進行切換。其結果，可獲得點6中的輸出。此處，在開關1為接通狀態的期間內，輸入偏置信號，在開關為斷開狀態的期間內，不輸入偏置信號。結果，整個檢波電路的輸出點6的波形，如圖9所示。即，輸出波形本身與圖7(6)相差不大，但開關1的期間中偏置電壓信號疊加，開關2的期間中偏置信號不疊加。
這樣，在同步檢波電路階段，通過疊加必要的偏置信號，可獲得以下效果。例如圖10所示，將具有偏置輸入功能的同步檢波電路30設置在放大器15的後級。同步檢波電路30包含偏置調整部19與同步檢波部16，電路30的構造如圖8所示。此電路30中，將獲得如上疊加了偏置信號的檢波後輸出信號。此信號通過低通濾波器17、同相放大器21、反相放大器22，輸出到端子20。
此處，本例中，在通過低通濾波器之前已輸入了偏置信號，向後級放大器21輸入信號電壓的輸入範圍狹小(圖9中的(6))。因此，作為放大器，可使用輸入電壓範圍狹小的同相放大器21。以A表示同相放大器21的放大倍率，以1表示反相放大器22的放大倍率，那麼1/f噪聲為Vn×A+Vn×2＝Vn×(A+2)。A＝4時，噪聲減至6Vn。
圖11是表示本發明中一個實施方式所述的自激振蕩電路49及檢測電路50的電路圖。
對振子11安裝有激振構件40，激振構件40與自激振蕩電路49連接。自激振蕩電路49具備電流/電壓放大器(交流放大器)41、高通濾波器42、比較器43、全波整流器44、積分器45、以及電阻器。
起動時，起動電路將噪聲輸入至自激振蕩電路49。此噪聲通過振子11的驅動部40接受選頻，接著輸入至電流/電壓轉換器41，進行放大後轉換為電壓值。電流/電壓轉換器41輸出的輸出信號中，一部分輸入至全波整流器44，並轉換為振幅電平(大小)。46是基準電壓源。該振幅信號被輸入至積分器45。自激振蕩裝置49沒有圖示的診斷電路連接，診斷電路的輸出通過DIAG端子輸出至外部。
在啟動後的初始階段，振子11中大部分噪聲被去除，因此全波整流器44的輸出較小。所以，需增大積分器45的輸出，使振蕩迴路繞一圈的迴路增益大於1。隨著時間的增加，整流器44的輸出會增大，因此要減小積分器45的輸出，使迴路增益等於1。
檢測電路50中，使用電荷放大器13A、13B，將對振子11設置的檢測構件12A、12B所輸出的各輸出信號放大，並使用差動放大器14將各輸出信號之差放大。接著，使其通過放大器15。另一方面，派生一部分驅動信號，將該派生信號輸入到具有偏置信號輸入功能的相位檢波器30，對振子11的輸出信號進行檢波。使檢波後的輸出信號通過低通濾波器17、同相放大器21、反相放大器22，並從輸出端子22將該輸出取出至外部。
本發明中，偏置信號是指被同步檢波信號為0時的輸出直流電壓，是用於在物理量測定裝置中物理量為0時進行調整而使得測定值為0的信號。
用於同步檢波的基準信號波形沒有限定，可例舉有正弦波、矩形波、三角波、以及鋸齒波。
本發明中，需要測定的物理量並無特別限定。當激勵振子進行驅動振動，由於物理量對於驅動振動中振子的影響，而造成振子振動狀態改變時，可以依據此振動狀態的改變、而通過檢測電路進行檢測的物理量均可作為對象。施加于振子的加速度、角速度、角加速度特別適合作為這種物理量。此外，檢測裝置優選慣性傳感器。
驅動信號的波形沒有限定，但優選正弦波、餘弦波或矩形波。振子的構造沒有特別限制。構成振子的材質的Q值優選為大於等於3,000，大於等於10,000更好。構成振子的材質可例舉鎳鉻等恆彈性合金、以及強介電性單晶(壓電性單晶)。這種單晶可例舉水晶、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、硼酸鋰以及蘭克賽(langasite)。
實施例以下，採用參照圖1、圖11說明過的比較例的電路，進行了驅動檢測試驗。振子是使用了日本專利特開平11-281372號公報中公開的振子。此振子包含2根驅動振動片、和與驅動振動片獨立振動的2根檢測振動片。啟動電路產生頻率為100～500kHz的噪聲，輸入到自激振蕩電路中，啟動自激振蕩。驅動振動片的固有諧振頻率為45kHz。低通濾波器的截止頻率設為200Hz。
從檢測電路處獲得的檢測信號的1/f噪聲為10μV/√Hz(1Hz)。
與此不同的是，將圖1所示的檢測電路中的檢波電路變為圖8所示。結果發現，與比較例相比，1/f噪聲減少了60％。
權利要求
1.一種檢波電路，其特徵在於，包含被同步檢波信號的輸入部、向所述被同步檢波信號輸入基準信號的輸入部、以及向所述被同步檢波信號施加偏置信號的偏置信號輸入部，所述偏置信號疊加到所述被同步檢測信號後，基於所述基準信號進行同步檢波。
2.一種檢波方法，其特徵在於，在偏置信號疊加於被同步檢波信號後，基於基準信號進行同步檢波。
3.一種物理量測定裝置，其特徵在於，使用振子、激勵振子進行驅動振動的驅動電路、以及用於將來自所述振子的檢測信號輸出的檢測電路，基於所述檢測信號對物理量進行測定，所述檢測電路包含檢波電路，該檢波電路包含被同步檢波信號的輸入部、向所述被同步檢波信號輸入基準信號的輸入部、以及向所述被同步檢波信號施加偏置信號的偏置信號輸入部，在所述偏置信號疊加到所述被同步檢測信號後，基於所述基準信號進行同步檢波。
4.如權利要求3所述的物理量測定裝置，其特徵在於，該物理量測定裝置是用於測定旋轉角速度的裝置。
全文摘要
本發明提供一種檢波電路(30)，包含被同步檢波信號的輸入部(30a)、向被同步檢波信號輸入基準信號的輸入部(30b)、以及向被同步檢波信號施加偏置信號的偏置信號輸入部(30c)。所述檢波電路將偏置信號疊加於被同步檢波信號後，基於基準信號進行同步檢波。
文檔編號G01C19/56GK1764824SQ200580000148
公開日2006年4月26日 申請日期2005年1月19日 優先權日2004年1月20日
發明者橫井昭二, 小林祥宏, 高橋正行 申請人:日本礙子株式會社, 精工愛普生株式會社, 日本精密電路株式會社