陀螺仪震动和扰动检测电路.pdf

本发明公开了一种陀螺仪震动和扰动检测电路。本发明涉及集成电路，更具体地，涉及集成陀螺仪感测电路的系统、器件和方法，所述陀螺仪感测电路具有陀螺仪，用以检测震动或扰动，并准确区分基于旋转的感测信号与由震动或扰动引起的噪声。陀螺仪感测电路可以以差分或非差分解调方案来实现，且包括至少一个解调单元和峰值检测器。至少一个解调单元以参考信号解调由陀螺仪提供的陀螺仪输出信号。在经解调的陀螺仪输出信号中，震动信号或陀螺仪扰动信号基本上与用以感测旋转速率的感兴趣的陀螺仪感测信号分离。峰值检测器采样经调制的陀螺仪输出信号，确定信号是否超过阈值电平VTH，并输出震动标记，其指示相应的确定结果。

权利要求书
1.  一种基于差分解调方案的陀螺仪感测电路，包括：
第一解调单元，其被耦合以从陀螺仪接收陀螺仪输出信号，所述第一解调单元使用第一参考信号将所述陀螺仪输出信号解调为第一经解调的陀螺仪输出，所述陀螺仪输出信号包括震动信号和与感兴趣的旋转速率有关的多个陀螺仪感测信号；
第二解调单元，其被耦合以接收所述陀螺仪输出信号，所述第二解调单元使用第二参考信号将所述陀螺仪输出信号解调为第二经解调的陀螺仪输出，所述第一参考信号和所述第二参考信号相对于陀螺仪的特征频率对称；
减法器，其被耦合到所述第一解调单元和所述第二解调单元，所述减法器对所述第一经解调的陀螺仪输出和所述第二经解调的陀螺仪输出进行差分组合，以分离所述震动信号，其中所述震动信号相对于所述特征频率不对称；以及
峰值检测器，其被耦合到所述减法器，所述峰值检测器确定组合的陀螺仪输出是否超过阈值电平，并产生震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。

2.  根据权利要求1所述的陀螺仪感测电路，其中，所述多个陀螺仪感测信号相对于所述特征频率对称，并且受到所述减法器中的所述差分组合处理的抑制。

3.  根据权利要求1所述的陀螺仪感测电路，其中，所述陀螺仪输出信号进一步包括多个陀螺仪扰动信号，所述多个陀螺仪扰动信号与对所述陀螺仪的机械性能的扰动有关，并且因而相对于所述特征频率对称，所述多个陀螺仪扰动信号也受到所述减法器中的所述差分组合处理的抑制。

4.  根据权利要求3所述的陀螺仪感测电路，其中，所述震动信号在频谱中实质上接近于所述多个陀螺仪扰动信号和所述多个陀螺仪感测信号中 的至少一个信号。

5.  根据权利要求3所述的陀螺仪感测电路，其中，所述震动信号、所述多个陀螺仪感测信号和所述多个陀螺仪扰动信号中的至少一个信号与频带宽度相关联。

6.  根据权利要求1所述的陀螺仪感测电路，其中，所述第一参考信号和所述第二参考信号分别与第一相位和第二相位相关联，并且将所述第一相位和所述第二相位配置为中和所述陀螺仪所具有的对相对于所述特征频率对称的信号的不同的滤波效果。

7.  根据权利要求1所述的陀螺仪感测电路，其中，将所述第一参考信号和所述第二参考信号的至少其中之一的频率选择为：相比于与所述多个陀螺仪感测信号中的每一个陀螺仪感测信号所具有的相应频率的接近程度而言，更接近于所述震动信号的频率。

8.  根据权利要求1所述的陀螺仪感测电路，其中，所述第一解调单元进一步包括：
第一电子混频器，其组合所述第一参考信号与所述陀螺仪输出信号，并相对于所述参考信号的第一参考频率改变所述陀螺仪输出信号的频谱内容；以及
第一低通滤波器，其耦合到所述第一电子混频器，所述第一低通滤波器采用第一滤波器增益和第一截止频率，所述第一滤波器增益和所述第一截止频率被配置为允许所述第一低通滤波器以不同的方式处理所述多个陀螺仪感测信号和所述震动信号。

9.  根据权利要求8所述的陀螺仪感测电路，其中，所述第二解调单元进一步包括：
第二电子混频器，其组合所述第二参考信号与所述陀螺仪输出信号，并相对于所述参考信号的第二参考频率改变所述陀螺仪输出信号的频谱内 容；以及
第二低通滤波器，其耦合到所述第二电子混频器，所述第二低通滤波器采用第二滤波器增益和第二截止频率，所述第二滤波器增益和所述第二截止频率被配置为允许所述第二低通滤波器以不同的方式处理所述多个陀螺仪感测信号和所述震动信号。

10.  根据权利要求9所述的陀螺仪感测电路，其中，所述第一增益和所述第二增益被配置为中和陀螺仪所具有的对相对于所述特征频率对称的信号的不同滤波效果。

11.  一种标记陀螺仪的输出中的震动的方法，包括以下步骤：
从所述陀螺仪接收陀螺仪输出信号，所述陀螺仪输出信号包括震动信号和与感兴趣的旋转速率有关的多个陀螺仪感测信号；
使用第一参考信号将所述陀螺仪输出信号解调为第一经解调的陀螺仪输出；
使用第二参考信号将所述陀螺仪输出信号解调为第二经解调的陀螺仪输出，所述第一参考信号和所述第二参考信号相对于陀螺仪的特征频率对称；
差分组合所述第一经解调的陀螺仪输出和所述第二经解调的陀螺仪输出，以分离所述震动信号，其中所述震动信号相对于所述特征频率不对称；以及
确定组合的陀螺仪输出是否超过阈值电平。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述陀螺仪输出信号进一步包括多个陀螺仪扰动信号，所述多个陀螺仪扰动信号与对所述陀螺仪的机械性能的扰动有关，并且因而相对于所述特征频率对称，所述多个陀螺仪扰动信号也受到所述减法器中的所述差分组合处理的抑制。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述震动信号在频谱中实质上接近于所述多个陀螺仪扰动信号和所述多个陀螺仪感测信号中的至少一 个信号。

14.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一参考信号和所述第二参考信号分别与第一相位和第二相位相关联，并且将所述第一相位和所述第二相位配置为中和所述陀螺仪所具有的对相对于所述特征频率对称的信号的不同的滤波效果。

15.  根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一参考信号和所述第二参考信号的至少其中之一的频率选择为：相比于与所述多个陀螺仪感测信号中的每一个陀螺仪感测信号所具有的相应频率的接近程度而言，更接近于所述震动信号的频率。

16.  根据权利要求11所述的方法，其中，两个解调步骤中的任何一个都包括：将所述陀螺仪输出信号与相应的参考信号混频的第一子步骤；以及以相应的滤波器增益对经混频的陀螺仪输出信号进行加权滤波的第二子步骤。

17.  一种陀螺仪感测电路，包括：
解调单元，其被耦合以从陀螺仪接收陀螺仪输出信号，所述陀螺仪输出信号包括陀螺仪感测信号以及震动信号和多个陀螺仪扰动信号的至少其中之一，所述解调单元使用参考信号将所述陀螺仪输出信号解调为经解调的陀螺仪输出，以便保持所述震动信号和所述多个陀螺仪扰动信号的至少其中之一，同时抑制与感兴趣的旋转速率有关的所述陀螺仪感测信号；以及
峰值检测器，其耦合到所述解调单元，所述峰值检测器确定所述经解调的陀螺仪输出是否超过阈值电平，并产生震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。

18.  根据权利要求17所述的陀螺仪感测电路，其中，所述解调单元进一步包括：
电子混频器，其组合所述参考信号与所述陀螺仪输出信号，并相对于所述参考信号的参考频率改变所述陀螺仪输出信号的频谱内容；以及
低通滤波器，其耦合到所述电子混频器，所述低通滤波器采用滤波器增益和截止频率，所述滤波器增益和所述截止频率被配置为允许所述低通滤波器以不同的方式处理所述陀螺仪感测信号以及所述震动信号和所述多个陀螺仪扰动信号的至少其中之一。

19.  根据权利要求17所述的陀螺仪感测电路，其中，所述陀螺仪感测信号的频率与所述陀螺仪的特征频率以及使用陀螺仪检测的旋转速率的频率相关联。

20.  根据权利要求17所述的陀螺仪感测电路，其中，将所述参考信号的频率选择为：相比于所述陀螺仪感测信号的第二频率，更接近于所述震动信号和所述多个陀螺仪扰动信号的至少其中之一的第一频率，并且此外，所述参考信号的频率需要足够远离所述陀螺仪的峰值频率。

说明书陀螺仪震动和扰动检测电路
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求享有于2013年4月26日提交的题为“Gyroscope Shock and Disturbance Detection Circuit”、序列号为No.61/816,419的临时申请的权益，其主题通过参考整体上并入本文中。
技术领域
本发明涉及集成电路，更具体地，涉及检测陀螺仪受到的震动(shock)或扰动(disturbance)，以及区分基于旋转的感测信号与由震动或扰动引起的噪声的系统、器件和方法。
背景技术
微机电结构(MEMS)广泛地用作传感器来测量加速度、旋转、压力和许多其他物理参数。通常使用显微机械加工工艺在硅衬底上形成MEMS器件，其采用几微米的特征尺寸，将机械移动转换为可以指示感兴趣参数的水平的电信号。具体地，基于MEMS的陀螺仪器件已经被开发出来并应用于监控器件相对于特定轴的旋转速率，大量的消费性应用和汽车应用已经成功采用了这种基于MEMS的陀螺仪器件。例如，许多汽车集成了陀螺仪器件，用于车辆稳定性控制、导航辅助、负载均衡/悬架控制、避免碰撞和倾翻检测。
传统的基于MEMS的陀螺仪器件使用振动机械元件(检测质量块(proof mass))来感测旋转速率。图1A示出了布置在旋转坐标系中的机械元件100。驱动机械元件100在第一正交轴(x轴)上振荡，随着坐标系相对于第二正交轴(y轴)旋转，由于科里奥利加速度而引起了沿第三正交轴(z轴)的振动。相应的惯性科里奥利力FC可以表示为：
FC＝-2Ωmv   (1)
其中，Ω是旋转速率，m是机械元件100的质量，v是沿第一正交轴的振动 速度。
图1B示出了示例性振动陀螺仪器件150，其依靠静电驱动和电容感测来检测科里奥利力。由布置在两个相反侧的梳状驱动器154驱动检测质量块152沿x轴振动。在衬底与检测质量块152之间形成电容器。响应于相对于y轴的旋转，检测质量块152朝向和远离设置陀螺仪器件150的衬底振动，因此，电容器的间隙距离改变，导致与科里奥利力相关的电容变化。接口读出电路通常与陀螺仪器件150集成在一起，以将这个电容变化转换为陀螺仪感测信号，其与科里奥利力的大小有关，因此与相应的旋转速率有关。
尽管陀螺仪感测信号包括与旋转速率有关的感兴趣的信息，但同样由多个震动和扰动源引起了噪声，噪声可以显著损害旋转感测的精度。特别是在汽车应用中，震动鲁棒性至关重要，并且构成了关键特性，因为必须强制实行严格的安全性限制，以确保故障安全且鲁棒的系统。在这个环境下，当震动或扰动的程度超过相应旋转感测系统容许的阈值时，需要标记震动或扰动的出现，并将其用于指示输出了不可靠的和不可预测的速率信号。市场上的许多现有陀螺仪器件采用了传感器或封装解决方案来改进器件自身的震动鲁棒性。但它们没有一个标记相对于特定容限的震动或扰动的出现并警告主机采取适合的对策。
发明内容
本发明的多个实施例涉及集成电路，更具体地，涉及集成陀螺仪感测电路的系统、器件和方法，所述陀螺仪感测电路具有陀螺仪，用以检测陀螺仪器件受到的震动或扰动，并准确区分基于旋转的陀螺仪感测信号与由震动或扰动引起的噪声。陀螺仪感测电路特别利用了这些信号相对于陀螺仪的特征频率的对称性。
根据本发明的一个实施例，基于差分解调方案来实现陀螺仪感测电路。两个解调单元用于解调陀螺仪输出信号，其包括震动信号和多个陀螺仪感测信号。相对于特征频率对称的两个参考信号用于解调，所得到的经解调的陀螺仪输出差分组合到减法器中，以分离相对于特征频率不对称的震动信号。峰值检测器进一步确定组合陀螺仪输出是否超过阈值电平，并产生 震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。
根据本发明的另一个实施例，基于非差分解调方案实现陀螺仪感测电路。陀螺仪感测电路包括解调单元和峰值检测器。首先耦合解调单元以接收陀螺仪输出信号，其包括来自陀螺仪的多个陀螺仪扰动信号和震动信号的至少其中之一以及陀螺仪感测信号。使用参考信号来解调这个陀螺仪输出信号，以便保持所述多个陀螺仪扰动信号和震动信号的至少其中之一，同时抑制与感兴趣的旋转速率有关的陀螺仪感测信号。峰值检测器确定经解调的陀螺仪输出是否超过阈值电平，并产生震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。
在此大致说明了本发明的某些特征和优点；但对于参考了其附图、说明书及权利要求书的本领域普通技术人员而言，本文提出的另外的特征、优点和实施例将是显而易见的。因此，应理解，本发明的范围不受在本发明内容部分中公开的具体实施例的限制。
附图说明
将参考本发明的实施例，其实例在附图中示出。这些附图旨在是说明性的而非限制性的。尽管总体上在这些实施例的语境下说明了本发明，但应理解其并非旨在将本发明的范围局限于这些具体实施例。
图1A示出了布置在旋转坐标系中的机械元件。
图1B示出了示例性的振动陀螺仪器件，其依靠静电驱动和电容感测来检测科里奥利力。
图2示出了根据本发明中多个实施例的示例性的旋转感测系统。
图3示出了根据本发明中多个实施例的基于非差分解调方案的陀螺仪感测电路的示例性方框图。
图4A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第一示例性频谱图。
图4B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的陀螺仪输出信号和参考信号中的信号分量的第一示例性频谱图。
图4C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图，其表明用以将陀螺仪输出信号中的震动信号与两个陀螺仪感测信号分离的机制。
图5A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第二示例性频谱图。
图5B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的陀螺仪输出信号和参考信号中的信号分量的第二示例性频谱图。
图5C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图，其表明用以将陀螺仪输出信号中的两个陀螺仪扰动信号之一与两个陀螺仪感测信号分离的机制。
图6示出了根据本发明中多个实施例的基于差分解调方案的陀螺仪感测电路的示例性方框图。
图7A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第三示例性频谱图。
图7B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的陀螺仪输出信号和两个参考信号中的信号分量的示例性频谱图。
图7C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图，其表明用以将陀螺仪输出信号中的震动信号与陀螺仪感测和扰动信号分离的差分解调机制。
图8示出了根据本发明中多个实施例的基于差分解调方案的陀螺仪感测电路的另一个示例性方框图。
图9A示出了根据本发明中多个实施例的用于标记旋转感测系统受到的扰动或震动的方法的示例性流程图。
图9B示出了根据本发明中多个实施例的用于标记旋转感测系统受到的震动的方法的另一个示例性流程图。
具体实施方式
在以下说明中，处于解释的目的，阐述了特定细节以提供对本发明的理解。但对于本领域技术人员来说，显然，可以无需这些细节来实践本发明。本领域技术人员会认识到，可以以各种方式并使用各种手段来执行下述的本发明实施例。本领域技术人员还会认识到，另外的修改、应用和实施例也在其范围内，如同本发明可以应用于其中的另外的领域一样。因此，下述实施例用于例示本发明的特定实施例，并且有意避免使得本发明难以 理解。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及表示结合所述实施例说明的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”、“在实施例中”等在说明书中多个位置的出现不一定全都指代相同的实施例。
此外，附图中部件之间或方法步骤之间的连接不局限于直接实现的连接。作为替代，图中所示的部件或方法步骤之间的连接可以通过为其增加中间部件或方法步骤来修改或改变，而不会脱离本发明的教导。
本发明的多个实施例涉及集成电路，更具体地，涉及集成陀螺仪感测电路的系统、器件和方法，所述陀螺仪感测电路具有陀螺仪，用以检测陀螺仪器件受到的震动或扰动，并准确区分基于旋转的陀螺仪感测信号与由震动或扰动引起的噪声。除了基于旋转的陀螺仪感测信号以外，陀螺仪扰动信号或震动信号也可以包含在由陀螺仪器件提供给陀螺仪感测电路的陀螺仪输出信号中，但这些信号具有不同的频率量值和特性。当震动信号超过阈值电平时，陀螺仪输出信号被破坏，从陀螺仪输出信号得到的旋转速率不再可靠。有时，当一个陀螺仪扰动信号超过阈值电平时，也认为陀螺仪输出信号受到破坏。
根据本发明，按照差分或非差分解调方案来配置陀螺仪感测电路，且陀螺仪感测电路施加至少一个参考信号以解调陀螺仪输出信号。根据震动信号或陀螺仪扰动信号的频率来选择至少一个参考信号的参考频率，以便可以将震动或扰动信号与基于旋转的陀螺仪感测信号分离。不间断地监控震动或扰动信号，向依靠陀螺仪进行旋转感测的主机标记出任何异常情形。基于这种情形的检测，主机可以采取适合的对策，例如忽略受损陀螺仪输出信号，以确保旋转感测的准确性。
图2示出了根据本发明中多个实施例的示例性旋转感测系统200。旋转感测系统200包括陀螺仪器件202和陀螺仪接口电路204，其进一步包括驱动器电路206和陀螺仪感测电路208。根据本发明的多个实施例，陀螺仪器件202是由微型制造工艺制造的MEMS器件。驱动器电路206提供驱动信号，以静电驱动包括在陀螺仪器件202中的检测质量块，从而驱动检测质量块沿旋转坐标系中的第一正交方向振荡。驱动信号优选地具有与陀螺仪 器件202的特征频率f0相一致的驱动频率。响应于相对于第二正交方向的旋转，检测质量块检查沿第三正交方向的物理位移及相应的电容变化。耦合陀螺仪感测电路208以感测电容变化，其与沿第三正交方向的相应科里奥利力相关联。
陀螺仪202向陀螺仪感测电路204提供陀螺仪输出信号，这个陀螺仪输出信号包含从感兴趣的陀螺仪202的旋转速率得到的陀螺仪感测信号。在优选实施例中，陀螺仪输出信号仅与由科里奥利力所导致的电容变化相关联，仅包含陀螺仪感测信号。但在许多情况下，可以包含震动或扰动，并且不可避免地影响陀螺仪输出信号。因此，陀螺仪输出信号时常包括分别由震动或扰动引起的震动信号或陀螺仪扰动信号。
根据本发明，当包含在陀螺仪输出信号中的特定震动或扰动信号超过阈值电平时，陀螺仪感测电路208除了旋转感测以外，还检测并标记不希望有的震动或扰动。在这种环境下，与陀螺仪输出信号相关的涉及旋转速率的有用信息受到过度震动或扰动信号的损害，并致使其不准确。因此，采用旋转感测系统200的应用主机可以依靠由陀螺仪感测电路208产生的震动标记来确定陀螺仪输出信号是否需要被忽略并与感兴趣的旋转速率分离。
陀螺仪器件202的机械结构理论上可以抽象地表示为混频器202A与低通滤波器202B的组合。混频器202A将驱动信号与旋转速率混频，并产生中间陀螺仪输出信号，其与相应的科里奥利力相关联。进一步对中间陀螺仪输出信号进行滤波以产生陀螺仪输出信号。低通滤波器202B与转移函数Hp(s)相关联，其在峰值频率f1具有谐振峰值。低通滤波器202B的截止频率与峰值频率f1基本上一致。陀螺仪器件202的特征频率f0小于峰值频率f1，从而陀螺仪输出信号可以准确地保留与旋转速率有关的感兴趣信息。在一个特定实施例中，特征频率f0和峰值频率f1分别为20kHz和21kHz。
可以进一步将模拟滤波器210布置在陀螺仪感测电路208的输入端处。模拟滤波器210是低通滤波器，用于在任何进一步的处理之前对陀螺仪输出信号进行滤波、缩放或放大。模拟滤波器210起到防混叠作用，不影响陀螺仪输出信号的与旋转有关的频谱内容。因此，将模拟滤波器210的截止频率选择为大于特征频率f0和峰值频率f1。例如，当陀螺仪202的特征频 率f0和峰值频率f1分别为20kHz和21kHz时，可以将模拟滤波器210的截止频率设定为100kHz。
在一些实施例中，由陀螺仪202提供的陀螺仪输出信号是模拟信号。在模拟滤波器210内的滤波和缩放/放大后，陀螺仪输出信号转换为数字信号，可以进一步在数字域中处理所述数字信号以获得旋转速率并产生标记输出。
在某些实施例中，陀螺仪器件202和陀螺仪接口电路204被制造在两个分离的衬底上并被组装以形成混合形式的旋转感测系统200。在一些其他实施例中，使用包括多层材料的微型制造工艺在单一衬底上制造陀螺仪器件202与陀螺仪接口电路204。即使它们可以占用衬底上物理分离的不同芯片区域，也可以将陀螺仪器件202集成在陀螺仪接口电路204的上面以节省芯片区域。对于这个垂直集成，必须适当地设置陀螺仪器件202与接口电路204的制造工艺、材料层和结构。
图3示出了根据本发明中多个实施例的基于非差分解调方案的陀螺仪感测电路的示例性方框图300。陀螺仪感测电路300产生震动标记，其指示震动或扰动信号是否超过阈值电平VTH，并且因此，应用主机可以依靠震动标记来确定陀螺仪输出信号是否受损及需要被忽略。
陀螺仪感测电路300包括解调单元302和峰值检测器304。解调单元302使用参考信号来解调陀螺仪输出信号，以便在经解调的陀螺仪输出信号内保持震动或扰动信号，同时抑制陀螺仪感测信号。借助这个方法，有效地从陀螺仪感测信号分离出震动或扰动信号。峰值检测器304进一步检测经解调的陀螺仪输出信号的量值是否超过阈值电平VTH，并产生相应的震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。
解调单元302进一步包括电子混频器306和低通滤波器308。电子混频器306将参考信号与陀螺仪输出信号组合，并相对于参考信号的参考频率fR改变陀螺仪输出信号的频谱内容。低通滤波器308采用增益GLP和截止频率fLP，将它们设计为有区别地处理陀螺仪输出信号中的震动或扰动信号和陀螺仪感测信号，具体地，以便保持或放大震动或扰动信号的电平，同时抑制陀螺仪感测信号的电平。应用选择方法以确定参考频率fR、截止频率fLP和增益GLP，以下在图4A-4C和图5A-5C中详述了这个选择方法的相应 的基本原理。
峰值检测器304包括采样电路310和比较器312。采样电路310采样从解调单元302接收的经解调的陀螺仪输出信号。比较器312将采样信号与阈值电平VTH相比较，并根据比较结果产生震动标记。
图4A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第一示例性频谱图420。借助与科里奥利力相关联的电容变化而并入了陀螺仪器件202的旋转，其通常具有相对低的旋转频率Ω。当主机是车辆时，这个旋转与车辆运动直接相关联，并且表示提供者或主机用户感兴趣的有用信号。旋转速率通常位于频谱的较低端。在一些实施例中，可以将旋转频率Ω限制为300Hz以下。
机械震动通常由主机受到的加速度激励或一般性振动引入到旋转感测系统200。震动无需陀螺仪器件202的机械调制而直接包含在陀螺仪输出信号中。因此，与震动相关联的震动频率fSK不受低通滤波器202B的限制，在某些实施例中，可以高于陀螺仪202的特征频率f0或峰值频率f1。在一个实施例中，当陀螺仪202的特征频率f0和峰值频率f1分别为20kHz和21kHz时，震动频率fSK大致延伸达到30kHz。
图4B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的陀螺仪输出信号和参考信号中的信号分量的第一示例性频谱图440。基于等式(1)，将陀螺仪202的旋转调制为两个陀螺仪感测信号，它们围绕特征频率f0对称。这两个陀螺仪感测信号的两个感测频率分别为f0–Ω和f0+Ω，在某些实施例中，感测频率的范围可以从DC到15kHz。另一方面，震动信号不受陀螺仪202调制，直接包含在陀螺仪输出信号中。第一陀螺仪感测信号、第二陀螺仪感测信号和震动信号构成从陀螺仪202接收的陀螺仪输出信号的信号分量。
鉴于所述信号分量，特别将参考信号的参考频率fR选择为相比于与两个陀螺仪感测频率f0–Ω和f0+Ω中的任意一个的接近程度而言，更接近于震动频率fSK。另一方面，参考频率fR也需要足够远离陀螺仪202的峰值频率f1。这尤其是由于如下事实：峰值频率f1与陀螺仪202的本征振动模式相关联并且在这个峰值频率f1周围会产生不希望有的杂散放大响应。另一方面，参考频率fR距离震动频率不会远到以至于来自震动信号的响应也会受 影响。
在某些实施例中，震动信号不限于单一频率，震动频率fSK与带宽BWSK相关联。仍如上来类似地确定参考频率fR，但特别选择为接近于震动频率fSK或在震动频率fSK的频带宽度内。
图4C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图460，其表明用以将震动信号与两个陀螺仪感测信号分离的机制。震动信号和两个陀螺仪感测信号被相对于参考信号进行转换，并且在电子混频器306中改变为与其原始频率不同的频率。将特征频率f0转换为经解调的特征频率|fR-f0|。类似地，震动信号和两个陀螺仪感测信号的经调制的频率分别为|fR-fSK|、|fR-(f0-Ω)|和|fR-(f0+Ω)|。使用绝对值，因为在一些实施例中，参考频率fR小于震动频率fSK或陀螺仪感测频率f0–Ω。
在这个实施例中，参考频率fR大于震动频率fSK以及陀螺仪感测频率f0–Ω和f0+Ω。可以将震动信号和两个陀螺仪感测信号的经调制的频率分别简单地表示为fR-fSK、fR-(f0–Ω)和fR-(f0+Ω)。
将低通滤波器308的截止频率fLP控制在经调制的震动频率|fR-fSK|与经调制的陀螺仪感测频率即|fR-(f0-Ω)|和|fR-(f0+Ω)|之间。保持或以增益GLP放大震动信号的电平。相反，抑制第一和第二陀螺仪感测信号。在基于混频和低通滤波的这种调制后，分离了陀螺仪输出信号中的震动信号，峰值检测器304可以进一步确定震动信号是否超过阈值电平VTH。
本领域技术人员知道，当震动信号不由陀螺仪器件202调制并且在频谱上相对远离陀螺仪感测信号时，优选地应用陀螺仪感测电路300。在震动频率fSK与感测频率f0±Ω之间的差需要足够大，以便可以将截止频率fLP控制在它们之间的量值。
在图4C中，当震动频率fSK实质上接近于感测频率f0–Ω和f0+Ω中的任意一个时，基于一个调制单元302的调制方法是不适用的。基于是否可以设计低通滤波器308的截止频率fLP以区分相应的经调制的频率，来确定震动频率与另一个频率的足够接近。具体地，在与图4C相关的一个实施例中，当经调制的震动频率fR-fSK与经调制的陀螺仪感测频率fR-f0-Ω非常接近，以至于不易于设计低通滤波器308来区分它们时，对于基于单一调制单元302的陀螺仪感测电路300而言就会出现难题。
然而，在一些实施例中，除了感兴趣的主机的旋转以外，陀螺仪202还会进一步耦合旋转扰动。当主机是车辆时，这种旋转扰动可以由内部车辆振动或陀螺仪封装的寄生振动引起。具体地，旋转扰动受陀螺仪202调制，以产生陀螺仪扰动信号，其具有相对于特征频率f0的对称扰动频率。
图5A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第二示例性频谱图520。除了感兴趣的旋转以外，经由与科里奥利力相关联的电容变化还并入了对于陀螺仪器件202的旋转扰动。这个旋转扰动具有扰动频率fRD，其通常位于中间频率范围(例如1-5kHz)内。在许多实施例中，扰动频率fRD小于陀螺仪202的特征频率f0。
图5B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的陀螺仪输出信号和参考信号中的信号分量的第二示例性频谱图540。类似地，将陀螺仪202的旋转扰动调制为两个陀螺仪扰动信号，它们相对于特征频率f0对称。这两个陀螺仪扰动信号的两个陀螺仪扰动频率分别为f0-fDR和f0+fDR。这两个陀螺仪扰动信号和两个陀螺仪感测信号构成了从陀螺仪202接收的陀螺仪输出信号中的信号分量。陀螺仪扰动信号相比于陀螺仪感测信号距离特征频率f0更远，因为旋转扰动通常具有比感兴趣的旋转自身的频率更高的频率。
鉴于这些信号分量，特别将参考信号的参考频率fR选择为相比于与两个陀螺仪感测频率f0–Ω和f0+Ω的接近程度而言，更接近于两个陀螺仪扰动频率f0-fDR和f0+fDR中的任意一个。具体地，可以将参考频率fR选择为小于特征频率f0，因此相比于与陀螺仪感测频率f0–Ω的接近程度而言，更接近于陀螺仪扰动频率f0-fDR。要不然，参考频率fR可以选择为大于特征频率f0，因此相比于与陀螺仪感测频率f0+Ω的接近程度而言，更接近于陀螺仪扰动频率f0+fDR。
然而，参考频率fR需要足够远离陀螺仪202的峰值频率f1，以避免在这个峰值频率处的与陀螺仪的本征振动模式相关联的不希望有的放大。另一方面，这个参考频率fR距离陀螺仪扰动频率之一不会远到以至于来自扰动信号的响应会受影响。
图5C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图560，其表明用以将两个陀螺仪扰动信号之一与两个陀螺仪感测信号分离的机制。两个陀 螺仪扰动信号和两个陀螺仪感测信号被相对于参考信号fR转换，并且在电子混频器306中改变为与它们的原始频率不同的频率。结果，两个陀螺仪扰动信号的经调制的频率分别为|fR-(f0-fRD)|和|fR-(f0+fRD)|，而两个陀螺仪感测信号的经调制的频率分别为|fR-(f0-Ω)|和|fR-(f0+Ω)|。使用绝对值，因为在一些实施例中，参考频率fR小于陀螺仪扰动频率f0±fRD中的任一者或陀螺仪感测频率f0±Ω中的任一者。
在这个实施例中，参考频率fR大于陀螺仪扰动频率f0±fRD与陀螺仪感测频率f0±Ω。可以将陀螺仪扰动信号和两个陀螺仪感测信号的经调制的频率分别简单地表示为fR-(f0-fRD)和fR-(f0+fRD)、fR-(f0–Ω)和fR-(f0+Ω)。
将低通滤波器308的截止频率fLP控制在经调制的陀螺仪扰动频率(即|fR-(f0-fRD)|和|fR-(f0+fRD)|)中的较小频率与经调制的陀螺仪感测频率(即|fR-(f0-Ω)|和|fR-(f0+Ω)|)中的较小频率之间。保持或以增益GLP放大一个陀螺仪扰动信号的电平，相反，抑制另一陀螺仪扰动信号和两个陀螺仪感测信号。在基于混频和低通滤波的这种调制后，分离出陀螺仪输出信号中的一个陀螺仪扰动信号，峰值检测器304可以进一步确定这个分离出的陀螺仪扰动信号是否超过阈值电平VTH。
本领域技术人员知道，当陀螺仪扰动信号在频谱上相对远离陀螺仪感测信号时，优选地应用陀螺仪感测电路300。在扰动频率fRD与旋转频率Ω之间的差需要足够大，以便可以将截止频率fLP控制成它们之间的量值。因此，在图5C中，当扰动频率fRD实质上接近于感测频率Ω时，基于一个调制单元302的调制方法是不适用的。基于是否可以设计低通滤波器308的截止频率fLP以区分相应的经调制的频率，来确定震动频率与另一个频率的实质接近程度。具体地，在与图5C相关的一个实施例中，当经调制的陀螺仪扰动频率fR-f0-fRD与经调制的陀螺仪感测频率fR-f0–Ω非常接近，以至于可能不易于设计低通滤波器308来区分它们时，对于基于单一调制单元302的陀螺仪感测电路300而言就会出现难题。
在某些实施例中，震动信号也可以与陀螺仪扰动信号共存，可以应用类似的调制方法以仅仅分离出震动信号或者分离出震动信号和一个陀螺仪扰动信号。
但在图5C中当震动频率fSK实质上接近于一个陀螺仪扰动频率f0±fRD 时，并且当必须区分震动信号与陀螺仪扰动信号时，基于一个调制单元302的调制方法就不适用了。在此情况下，基于一个调制单元302的陀螺仪感测电路300会不能输出正确的震动标记。尽管陀螺仪扰动信号是旋转感测系统200和主机可接受的，但陀螺仪扰动频率f0+fRD会非常接近震动频率fSK，以至于陀螺仪感测电路300将陀螺仪扰动信号认为是震动信号，并发出错误的震动标记。
在与图4A-4C和图5A-5C相关的多个实施例中，可以在单一参考频率fR处选择参考信号，但与陀螺仪感测信号、陀螺仪扰动信号和震动信号相关的每一个其他信号可以与相应的频率带宽相关联。不管它们的带宽如何，陀螺仪感测信号和震动信号都可以简单地表示为在它们相应的中心频率附近。在这些附图中，没有以按与这些信号的实际量值成比例的方式呈现相应的箭头线的高度。
图6示出了根据本发明中多个实施例的基于差分解调方案的陀螺仪感测电路的示例性方框图600。陀螺仪感测电路600包括两个解调单元602A和602B，其分别以两个参考信号fR1和fR2解调陀螺仪输出信号，按需要补偿陀螺仪输出信号的量值并对陀螺仪输出信号进行频带限制。具体地，两个参考信号相对于特征频率f0对称，从而可以分别表示为f0-ΔfR和f0+ΔfR。经解调的陀螺仪输出信号由减法器604进一步差分组合。峰值检测器606进一步检测组合输出信号的量值是否超过阈值电平VTH，并产生相应的震动标记，以警告主机异常震动或者扰动情形是否出现。
当震动信号的震动频率fSK接近于陀螺仪感测信号或陀螺仪扰动信号的任何频率时，这个差分解调方法适用于解决上述的非差分解调方案中的难题。这个方法利用陀螺仪感测信号和陀螺仪扰动信号的对称特性。这些对称信号一旦由对称的参考信号解调，就可以借助减法器604中的差分组合而基本上彼此抵消。结果，可以以对耦合到陀螺仪输出信号中的振动感测或扰动信号增强的抗扰度来检测震动信号。
图7A示出了根据本发明中多个实施例的耦合到旋转感测系统中的输入的第三示例性频谱图720。除了感兴趣的陀螺仪202的旋转以外，旋转扰动和震动都可以包含在陀螺仪输出信号中。在多个实施例中，旋转扰动的扰动频率fRD可以位于中间频率范围内，例如1-5kHz，而震动的震动频率fSK 可以具有更高的频率。陀螺仪202的特征频率f0可以位于扰动频率fRD与震动频率fSK之间。
图7B示出了根据本发明中多个实施例的用于陀螺仪感测电路中的两个参考信号和陀螺仪输出信号中的信号分量的示例性频谱图740。感兴趣的陀螺仪202的旋转被基于科里奥利力而耦合，并被调制为两个陀螺仪感测信号，它们相对于特征频率f0对称。类似地，将对陀螺仪202的旋转扰动也调制为两个陀螺仪扰动信号，它们相对于特征频率f0对称。这两个陀螺仪扰动信号和两个陀螺仪感测信号构成提供给旋转感测系统200的陀螺仪输出信号中的信号分量。在一些实施例中，相比于陀螺仪感测信号，陀螺仪扰动信号可以更远离特征频率f0。
除了陀螺仪感测和扰动信号以外，陀螺仪输出信号进一步包括震动信号，其具有震动频率fSK。这个震动信号不由陀螺仪202调制，并且直接包含在陀螺仪输出信号中。因此，震动信号相对于特征频率f0不对称。
鉴于这些信号分量，施加两个参考信号以解调陀螺仪感测电路600中的陀螺仪输出信号。由第一解调单元602A使用的第一参考信号具有第一参考频率fR1，其比特征频率f0大ΔfR，由第二解调单元602B使用的第二参考信号具有第二参考频率fR2，其比特征频率f0小ΔfR。结果，除了震动信号以外，参考信号、陀螺仪感测信号和陀螺仪扰动信号相对于特征频率f0对称。
将第一参考信号的第一参考频率fR1选择为相比于与陀螺仪感测频率f0+Ω的接近程度而言，更接近震动信号和陀螺仪扰动频率f0+fDR，因此相比于与陀螺仪感测频率f0-Ω的接近程度而言，第二参考频率fR2更接近陀螺仪扰动频率f0-fDR。由于在陀螺仪202的峰值频率f1处的不希望有的本征振动模式，参考频率fR1和fR2需要足够远离陀螺仪202的峰值频率f1，同时又不会远到以至于对来自震动信号的陀螺仪扰动信号的响应有影响。
图7C示出了根据本发明中多个实施例的示例性频谱图760，其表明用以将震动信号与陀螺仪感测和扰动信号分离的差分解调机制。由于它们相对于特征频率f0对称，由第一和第二解调单元602A和602B两者将两个陀螺仪感测信号解调为在相同频率ΔfR±Ω处的两个感测信号，除了这两个经解调的感测信号的位置在两个相应解调的频谱760中相反。类似地，将两 个陀螺仪扰动信号解调为在相同频率ΔfR±|fRD-f0|处的两个扰动信号，两个经解调的陀螺仪扰动信号的位置在两个相应解调的频谱760中也相反。与陀螺仪感测和扰动信号相反，震动信号相对于特征频率f0不对称，在与两个相应解调相关的频谱760中，经解调的震动信号分别以两个不同频率|f0+ΔfR-fSK|和|f0+ΔfR-fSK|为中心。
尽管经解调的感测或扰动信号的相应的两个频率匹配，但其幅度不必如此，因为具有特征频率f0和峰值频率f1的陀螺仪202对相对于特征频率f0对称的信号可以具有不同的滤波效果。根据一些实施例，在第一和第二解调单元602A和602B中补偿经解调的陀螺仪输出信号，以便中和陀螺仪202的滤波效果。在一个实施例中，这种补偿主要通过调整用于在第一和第二解调单元602A和602B中滤波的增益GLP1和GLP2来获得。在另一个实施例中，还调整第一和第二参考信号的相位和以补偿陀螺仪202的滤波效果。基于这种补偿，经解调的扰动信号的幅度彼此匹配并且可以通过减法抵消，在一些实施例中，经解调的感测信号的幅度也是这种情况。
用于第一和第二解调单元602A和602B中的滤波的截止频率fLP1和fLP2相等。由于减法器604中的差分组合，相对较易于控制截止频率fLP1和fLP2。在某些实施例中，经解调的扰动信号和经解调的感测信号都被匹配，所以仅需将截止频率fLP1和fLP2控制在两个经调制的震动信号的不同频率
|f0+ΔfR-fSK|和|f0+ΔfR-fSK|之间。在从第一经解调的陀螺仪输出信号中减去第二经解调的陀螺仪输出信号时，经调制的陀螺仪扰动信号和经调制的陀螺仪感测信号彼此自动抵消。
在一个实施例中，经解调的扰动信号的幅度被匹配，而经解调的感测信号的幅度未被匹配。需要将截止频率fLP1和fLP2更好地控制在经解调的感测信号的频率以下，以便可以借助滤波来抑制未补偿的感测信号。但与将截止频率fLP1和fLP2控制在震动信号与经解调的扰动信号之间相比，以这个方式更易于控制截止频率fLP1和fLP2。
基于两个差分解调，分离了陀螺仪输出信号中的一个震动信号，峰值检测器304可以进一步确定这个分离出的震动信号是否超过阈值电平VTH。本领域技术人员知道，陀螺仪感测电路600有效地解决了当震动信号的频率接近于一个陀螺仪扰动信号的频率和/或一个陀螺仪感测信号的频率时的 问题。
在与图7A-7C相关的多个实施例中，可以在两个特定参考频率fR1和fR2处选择参考信号，但与陀螺仪感测信号和震动信号相关的每一个其他信号可以与相应的频率带宽相关联。不管它们的带宽如何，陀螺仪感测信号和震动信号都可以简单地表示为在它们相应的中心频率附近。类似于图4A-4C和图5A-5C，没有以按与这些信号的实际量值成比例的方式呈现图7A-7C中的相应的箭头线的高度。
图8示出了根据本发明中多个实施例的基于差分解调方案的陀螺仪感测电路的另一个示例性方框图800。作为陀螺仪感测电路600的实施例，解调单元602A或602B都包括彼此耦合的电子混频器和低通滤波器。解调单元602A或602B中的电子混频器802A和802B将陀螺仪输出信号与两个参考信号混频，两个参考信号分别采用两个不同的参考频率(f0+ΔfR和f0-ΔfR)和两个不同的相位(和)。相应的低通滤波器804A和804B基于两个不同的增益GLP1和GLP2但两个一致的截止频率fLP1和fLP2进一步对相应的混频陀螺仪输出信号进行滤波。两个一致的截止频率fLP1和fLP2等于一个单一频率fLP。在本发明的多个实施例中，调整参考信号的相位和和/或滤波器的增益GLP1和GLP2以补偿陀螺仪202对频率高于或低于特征频率f0的陀螺仪感测信号和扰动信号所具有的潜在的不同滤波效果。
在减法器604中差分组合两个经解调的陀螺仪输出信号，以便从第一经解调的陀螺仪输出信号中减去第二经解调的陀螺仪输出信号，以产生组合的陀螺仪输出信号。由于补偿，两个经解调的陀螺仪扰动信号在两个经解调的陀螺仪输出信号中彼此抵消，在一些实施例中，两个经解调的陀螺仪感测信号也是这种情况。经解调的震动信号包括在组合陀螺仪输出信号中，且有效地与陀螺仪感测或扰动信号分离。
随后的峰值检测器606包括采样电路806和比较器808。采样电路806对从减法器604接收的组合陀螺仪输出信号进行采样。比较器808将所采样的信号与阈值电平VTH相比较，并根据比较结果产生震动标记。
图9A示出了根据本发明中多个实施例的用于标记旋转感测系统所受到的扰动或震动的方法的示例性流程图900。图9B示出了根据本发明中多个实施例的用于标记旋转感测系统所受到的震动的方法的另一个示例性流 程图950。方法900和950分别基于非差分解调方案和差分解调方案。
标记震动或扰动的方法900在步骤902以从陀螺仪接收陀螺仪输出信号开始。除了与感兴趣的旋转速率有关的陀螺仪感测信号以外，陀螺仪输出信号还包括震动信号或陀螺仪扰动信号。
为了分离震动信号或陀螺仪扰动信号，在步骤904处使用具有参考频率fR的参考信号解调这个陀螺仪输出信号。在解调过程中，陀螺仪输出信号与参考信号混频，并被根据截止频率fLP进一步限制频带。因此将包括在陀螺仪输出信号中的震动信号或陀螺仪扰动信号与感兴趣的陀螺仪感测信号一起解调。在一个实施例中，存在震动信号，但不包括陀螺仪扰动信号，所以将截止频率fLP设定在经解调的震动信号与经解调的陀螺仪感测信号的频率之间。在另一个实施例中，陀螺仪扰动信号包括在陀螺仪输出信号中，而不包含震动信号，所以将截止频率fLP设定在经解调的陀螺仪感测信号与扰动信号的相应的较低频率之间。在某些实施例中，除了陀螺仪感测信号以外，陀螺仪扰动信号和震动信号都包括在陀螺仪输出信号中，将截止频率fLP设定在经解调的震动信号的频率与经解调的陀螺仪扰动信号的较低频率之间，或者在经解调的陀螺仪感测信号与扰动信号的相应的较低频率之间。结果，保持了经解调的震动信号或一个经解调的陀螺仪扰动信号，同时抑制了经解调的陀螺仪输出信号中的其他信号分量。
在步骤906处，确定经解调的陀螺仪输出信号是否超过阈值VTH。将震动标记发送到旋转感测电路的主机以确认存在震动或扰动以及与感兴趣的旋转信息有关的陀螺仪感测信号受损。
标记震动或扰动的方法950也在步骤952处以从陀螺仪接收陀螺仪输出信号开始。除了与感兴趣的旋转速率有关的陀螺仪感测信号以外，陀螺仪输出信号还包括震动信号，并可以进一步还包含陀螺仪扰动信号。陀螺仪感测和扰动信号相对于陀螺仪的特征频率f0对称，而震动信号不是如此。
在步骤954处，使用具有第一参考频率fR1的第一参考信号来解调这个陀螺仪输出信号。在步骤956处，还使用具有第二参考频率fR2的第二参考信号来解调陀螺仪输出信号。在任何一个解调过程中，陀螺仪输出信号与第一或第二参考信号混频，并且被根据截止频率fLP1或fLP2进一步限制频带。将第一和第二参考信号选择为相对于特征频率f0对称。调整第一和第二参 考信号的相位和/或频带限制的增益，以补偿陀螺仪具有的对不同陀螺仪感测信号或不同陀螺仪扰动信号的不同滤波影响。在这种补偿后，经解调的陀螺仪感测信号具有一致的量值，如果最初包含了经解调的陀螺仪扰动信号，它们的情况也是如此。
在步骤958处，将来自步骤954的第一经解调的陀螺仪输出信号与来自步骤956的第二经解调的陀螺仪输出信号差分组合。在一些实施例中，基本上抵消了相对于特征频率f0对称的陀螺仪感测信号，如果在陀螺仪输出信号中包含了陀螺仪扰动信号，它们的情况也是如此。结果，组合的陀螺仪输出信号包括经解调的震动信号，其从而与陀螺仪感测信号和/或扰动信号分离。
在步骤960处，确定组合的陀螺仪输出信号是否超过阈值VTH。将震动标记发送到旋转感测电路的主机以确认存在震动或扰动以及与感兴趣的旋转信息有关的陀螺仪感测信号受损。
基于非差分解调的方法900包括单一解调步骤，但在震动信号接近于陀螺仪感测信号或陀螺仪扰动信号时难以应用。相反，方法950包括两个互补的解调步骤，并且可以应用于方法900难以处理的以上困难情形中。
本发明容许多种修改和可替换的形式，在附图中显示并在本文中详细说明了其特定实例。但应理解，本发明不限于所公开的特定形式，相反，本发明旨在覆盖属于所附权利要求书范围内的所有修改、等价物和可替换形式。