圖5. 410-SPS數(shù)據(jù)速率的復(fù)合響應(yīng)。

可編程FIR濾波器分析

知道模擬濾波器和抽取濾波器的貢獻(xiàn)之后，我們可以評(píng)估使用片內(nèi)抽取濾波器和設(shè)計(jì)自定義FIR濾波器之間的比較權(quán)衡。在圖3所示的ADIS16488中，F(xiàn)IR濾波器包括在IMU中，但有些系統(tǒng)在數(shù)字信號(hào)處理程序中實(shí)施濾波器。FIR濾波器的時(shí)域f(n) 以差分方程表示，其中z變換提供了用于頻率分析的分析工具：

幸運(yùn)的是，很多現(xiàn)代程序都包含根據(jù)基本關(guān)系進(jìn)行此類分析的特定工具或命令。但在驗(yàn)證自動(dòng)評(píng)估工具的結(jié)果或?qū)IR設(shè)計(jì)工具輸出產(chǎn)生直覺的疑問時(shí)，了解它們?nèi)匀皇怯杏玫摹ATLAB"fdatool"命令可啟動(dòng)濾波器分析和設(shè)計(jì)軟件包，幫助設(shè)計(jì)和分析系統(tǒng)FIR濾波器實(shí)施。

慣性頻率響應(yīng)測(cè)試方法

在陀螺儀中測(cè)試頻率響應(yīng)的最直接方法是使用慣性速率表，它能夠引入適當(dāng)?shù)念l率成分。速率表通常包括可編程伺服電機(jī)和光學(xué)編碼器，可驗(yàn)證電機(jī)軸上的編程旋轉(zhuǎn)。這種測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)是它應(yīng)用了實(shí)際慣性運(yùn)動(dòng)。它的弱點(diǎn)在于它通常不適用于剛開始使用MEMS的工程師。

對(duì)于未使用速率表的早期分析驗(yàn)證，測(cè)試目標(biāo)頻段內(nèi)的頻譜噪聲可以提供有用的信息。這種簡化方法不需要復(fù)雜的測(cè)試設(shè)備，而只需要與穩(wěn)定平臺(tái)的安全機(jī)械連接以及數(shù)據(jù)收集儀表。但是，它要求機(jī)械噪聲具有相對(duì)于頻率的"平坦"噪聲幅度。

圖6詳細(xì)說明了使用相同雙極低通濾波器的兩個(gè)例子。第一個(gè)例子 (ADIS16375)使用了在有用頻率范圍內(nèi)具有平坦響應(yīng)的陀螺儀。第二個(gè)例子(ADIS16488)使用在1.2 kHz頻率下具有適中峰化量的陀螺儀，它實(shí)際上將–3 dB頻率擴(kuò)展到大約380 Hz。對(duì)于在為控制環(huán)路進(jìn)行建模和仿真的人員而言，了解這種共振行為可能是非常有價(jià)值的。在簡單測(cè)試中識(shí)別這種行為，還有助于解釋在執(zhí)行更全面系統(tǒng)特征化時(shí)噪聲電平高于預(yù)期的原因。如果在項(xiàng)目早期了解和識(shí)別這些行為，則通?？赏ㄟ^對(duì)濾波器極點(diǎn)的調(diào)整，對(duì)它們進(jìn)行管理。

測(cè)量噪聲密度時(shí)，請(qǐng)確保采樣速率至少達(dá)到最高目標(biāo)頻率的兩倍，以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則。此外，還應(yīng)提取足夠的數(shù)據(jù)樣本，以降低測(cè)量的不確定性。圖6中的坐標(biāo)圖源于FFT時(shí)間記錄分析，長度為256000個(gè)采樣，最大速率為2.46 kSPS。

圖6. 噪聲密度比較。

另一種方法使用了陀螺儀的自測(cè)功能。自測(cè)功能提供了使用電氣信號(hào)來模擬傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)，而無需對(duì)設(shè)備施加外部慣性運(yùn)動(dòng)。自測(cè)功能迫使模擬對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)的傳感器內(nèi)核中發(fā)生變化，從而在電氣輸出上產(chǎn)生相應(yīng)變化。并非所有產(chǎn)品都提供對(duì)此信息的實(shí)時(shí)訪問，但它可能是一種有用工具，另外制造商或許能夠提供此種類型的頻率-響應(yīng)測(cè)試的數(shù)據(jù)。在最簡單的方法中，可將自測(cè)（模擬對(duì)步驟的響應(yīng)）與分析預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較。重復(fù)在特定頻率下的自測(cè)置位，也是一種研究每個(gè)頻率下的傳感器響應(yīng)幅度的直接方法。以圖7中的兩種不同響應(yīng)為例。在較低頻率下，陀螺儀輸出類似于方波，每個(gè)轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)響應(yīng)除外。瞬態(tài)響應(yīng)符合傳感器信號(hào)鏈中的濾波器網(wǎng)絡(luò)的"步驟響應(yīng)"預(yù)期。在第二個(gè)示例中，自測(cè)的頻率足夠高，能夠防止完全建立，因而發(fā)生了幅度減小。請(qǐng)注意在本圖底部信號(hào)上，藍(lán)色和黑點(diǎn)響應(yīng)之間的幅度差異。有多種方法可以估測(cè)這些時(shí)間記錄的幅度。離散傅里葉變換(DFT)可將主要頻率成份（自測(cè)頻率）與諧波內(nèi)容隔離開，這可能導(dǎo)致幅度/頻率響應(yīng)的誤差。