圖2. 組合單軸傳感器輸出。

MEMS IMU頻率響應分析

圍繞新的MEMS IMU開發(fā)穩(wěn)定系統(tǒng)時，在系統(tǒng)設計早期階段了解頻率響應是非常重要的，因為IMU的頻率響應將對控制器設計產(chǎn)生直接影響，可以幫助識別潛在穩(wěn)定性問題—特別是在考慮到新一代設計的高帶寬解決方案時。這些信息對于預測陀螺儀的振動響應也非常有用。

評估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)的慣性運動響應的影響，并穩(wěn)定系統(tǒng)的響應。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。

率響應在IMU和陀螺儀的規(guī)格表中表示為"帶寬"。作為一個性能參數(shù)，它表示某個頻率，輸出信號幅度在該頻率下降低到傳感器遇到的實際運動幅度的大約70% (–3 dB)。某些情況下，帶寬可也定義為輸出響應落后于實際運動90度時的頻率（對于雙極系統(tǒng)）。這兩個指標可以直接影響控制環(huán)路的一個重要穩(wěn)定準則：單位增益、相位裕量—環(huán)路響應的實際相位角度和–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，是優(yōu)化穩(wěn)定性保證和系統(tǒng)響應之間的平衡的關鍵因素。除了管理穩(wěn)定性標準之外，頻率響應還會對振動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上的所有關鍵瞬態(tài)信息。

要分析系統(tǒng)中的頻率響應，首先要從一個高層次"黑盒子"視圖開始，它描述了系統(tǒng)在整個目標頻率范圍內對輸入的響應。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遇到的慣性運動，輸出通常以數(shù)字碼表示。s域分析技術固然有很大作用，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，并且考慮到更多問題。

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