圖2. 組合單軸傳感器輸出。

MEMS IMU頻率響應(yīng)分析

圍繞新的MEMS IMU開發(fā)穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期階段了解頻率響應(yīng)是非常重要的，因?yàn)镮MU的頻率響應(yīng)將對控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響，可以幫助識(shí)別潛在穩(wěn)定性問題—特別是在考慮到新一代設(shè)計(jì)的高帶寬解決方案時(shí)。這些信息對于預(yù)測陀螺儀的振動(dòng)響應(yīng)也非常有用。

評(píng)估IMU帶寬的一種策略是確定哪些信息在產(chǎn)品文檔中提供，分析此類信息對系統(tǒng)的慣性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，并穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)。此類分析以及它涉及的所有校正操作將成為初始測試的基礎(chǔ)。

率響應(yīng)在IMU和陀螺儀的規(guī)格表中表示為"帶寬"。作為一個(gè)性能參數(shù)，它表示某個(gè)頻率，輸出信號(hào)幅度在該頻率下降低到傳感器遇到的實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅度的大約70% (–3 dB)。某些情況下，帶寬可也定義為輸出響應(yīng)落后于實(shí)際運(yùn)動(dòng)90度時(shí)的頻率（對于雙極系統(tǒng)）。這兩個(gè)指標(biāo)可以直接影響控制環(huán)路的一個(gè)重要穩(wěn)定準(zhǔn)則：單位增益、相位裕量—環(huán)路響應(yīng)的實(shí)際相位角度和–180°之間的差值，環(huán)路增益為1。了解反饋傳感器的頻率響應(yīng)，是優(yōu)化穩(wěn)定性保證和系統(tǒng)響應(yīng)之間的平衡的關(guān)鍵因素。除了管理穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)之外，頻率響應(yīng)還會(huì)對振動(dòng)抑制和制定采樣策略產(chǎn)生直接影響，通過這些策略可以測量慣性平臺(tái)上的所有關(guān)鍵瞬態(tài)信息。

要分析系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)，首先要從一個(gè)高層次"黑盒子"視圖開始，它描述了系統(tǒng)在整個(gè)目標(biāo)頻率范圍內(nèi)對輸入的響應(yīng)。在電子電路中，輸入和輸出是從一般意義上定義的，例如信號(hào)電平（伏特），分析通常包括開發(fā)傳遞函數(shù)，使用s域表示和電路-電平關(guān)系，例如基爾霍夫的電壓和電流定律。對于慣性MEMS系統(tǒng)，輸入是IMU遇到的慣性運(yùn)動(dòng)，輸出通常以數(shù)字碼表示。s域分析技術(shù)固然有很大作用，但要為這種類型的系統(tǒng)開發(fā)完整的傳遞函數(shù)，通常還需要采用其他技術(shù)，并且考慮到更多問題。

開始分析過程時(shí)，首先要了解與傳感器信號(hào)鏈相關(guān)的所有組件。圖3提供了典型函數(shù)的整體示意圖。信號(hào)鏈從核心傳感器元件開始，它將慣性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為代表性的電信號(hào)。如果帶寬在傳感器元件中未受限制，則通常受ADC模塊前的信號(hào)調(diào)理電路中的濾波器限制。信號(hào)數(shù)字化后，處理器通常應(yīng)用糾錯(cuò)（校準(zhǔn)）公式和數(shù)字濾波。第二級(jí)的數(shù)字濾波器會(huì)減小反饋系統(tǒng)在控制程序中使用的帶寬和采樣速率。所有這些級(jí)都可能影響傳感器信號(hào)的增益和相位，與頻率相關(guān)。圖3提供了一個(gè)示例，IMU在混合信號(hào)處理系統(tǒng)中具有多個(gè)濾波器。該系統(tǒng)可作為一些實(shí)用分析技術(shù)的示例。