提升偏壓穩定/振動敏感度　高性能陀螺儀可靠度大增

瀏覽高性能陀螺儀資料手冊時，多數系統設計師關注的第一個要素是偏壓穩定度規格。畢竟其描述的是陀螺儀的解析度下限，理所當然是反映陀螺儀性能的最佳指標。然而，實際的陀螺儀會因為多種原因而出現誤差，使得使用者無法獲得資料手冊中宣稱的高偏壓穩定度。的確，可能只有在實驗室內才能獲得那麼高的性能。傳統方法是借助補償來最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類技術及其局限性。最後，我們將討論另一種替代範例--根據機械性能選擇陀螺儀，以及必要時如何提高其偏壓穩定度。

溫度補償克服環境誤差

所有中低價位的MEMS陀螺儀都有一定的時間，零點偏置和比例因數誤差，此外還會隨溫度而發生一定的變化。因此，對陀螺儀進行溫度補償是很常見的做法。一般而言，陀螺儀整合溫度感測器之目的就在於此。溫度感測器的絕對精確度並不重要，重要的是可重複性及溫度感測器與陀螺儀實際溫度的緊密耦合。現代陀螺儀的溫度感測器幾乎毫不費力就能達到這些要求。

許多技術可以用於溫度補償，如多項式曲線擬合、分段線性近似等。只要記錄了足夠數量的溫度點，並且在校準過程中採取充分措施，那麼具體使用何種技術是無關緊要的。例如，在每個溫度的放置時間不足是一個常見的誤差源。然而，不管採用何種技術，無論有多細心，溫度遲滯，亦即透過冷卻與加熱達到某一特定溫度時的輸出之差，都將是限制因素。

圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯迴路。溫度從+25℃變為+130℃，再變為-45℃，最後回到+25℃，與此同時記錄未補償陀螺儀的零偏壓測量結果。加熱週期與冷卻週期中的+25℃零偏壓輸出存在細微的差異(本例中約為0.2o/s)，這就是溫度遲滯。此誤差無法透過補償來消除，因為無論陀螺儀上電與否，它都會出現。此外，遲滯的強度與所施加的溫度「激勵」量成比例。也就是說，施加於元件的溫度範圍越寬，則遲滯越大。

圖1 隨著溫度循環(-45℃～130℃)的未補償ADXRS453零偏壓輸出

假如應用裝置允許在啟動時進行零偏壓重置(即無旋轉時啟動)或者在現場將零偏壓歸零，則可以忽略此誤差。否則，這可能就會成為偏壓穩定度的限制因素，因為我們無法控制運輸或是儲存的條件。

設置機械式抗振動裝置　改善敏感度

理想情況下，陀螺儀僅測量旋轉速率，無關其他。但實際應用中，由於機械設計不對稱或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實上，加速度敏感度有多種外在表現，其嚴重程度因設計而異。最顯著的通常是對線性加速度的敏感度(或g敏感度)和對振動校正的敏感度(或g2敏感度)。由於多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1 g重力場運動或在其中旋轉，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

成本極低的陀螺儀一般採用極其簡單緊湊的機械系統設計，抗振性能未經優化(它優化的是成本)，因而振動可能會造成嚴重影響。1000o/h/g(或0.3o/s/g)以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上。對於這種陀螺儀，偏壓穩定度的好壞並無多大意義，陀螺儀在地球的重力場中稍有旋轉，就會因為g和g2敏感度而產生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規定振動敏感度被認為非常大。

較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出幾款高性能MEMS陀螺儀之規格。對於這一類別中的多數陀螺儀，g敏感度為360o/h/g(或0.1o/s/g)，某些低於60o/h/g，遠遠優於極低成本的陀螺儀。但是，對於小到150mg(相當於8.6o傾斜)的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會超出其額定偏壓穩定度。

有些設計師試圖利用外部加速度計來補償g敏感度(通常是在IMU應用中，因為所需的加速度計已經存在)，這在某些情況下確實可以改善性能。然而，由於多種原因，g敏感度補償無法獲得完全的成功。大多數陀螺儀的g敏感度會隨著振動頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對振動的回應。

圖2 CRG20-01對不同正弦音頻的g敏感度響應

值得注意的是，雖然陀螺儀的敏感度在額定規格範圍內(在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要)，但從DC到100Hz，其變化率為12:1，因此無法簡單地透過測量DC時的敏感度來執行校準。確實，要求根據頻率改變敏感度的補償方案將非常複雜。

圖3所示為ADXRS646陀螺儀在相似條件下的響應。有些陀螺儀會比其他陀螺儀易於進行g敏感度補償。但不幸的是這項資訊幾乎從來不會出現在資料手冊當中，必須由使用者自行去發掘，往往極耗心力，但在系統設計過程中，常常沒有時間等待驚喜出現。

圖3 ADXRS646對隨機振動(15g rms，0.11g2/Hz)的g敏感度響應，1600Hz濾波

另一個困難是將補償加速度計與陀螺儀的相位響應相匹配。假如陀螺儀的相位響應與補償加速度計沒有良好的匹配，那麼高頻率振動誤差實際上可能會被放大。由此便可得出另一個結論：對於大多數陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時有效。

振動校正常常不作規定，原因可能是差得令人尷尬，或是不同裝置差異巨大。也有可能只是因為陀螺儀生產廠商不願意測試或是設定所導致的(公平的來說，測試可能比較困難)。不論是何者，振動校正必須引起注意，因為它無法以加速度計進行補償。不同於加速度計響應，陀螺儀的輸出誤差會被校正。

要改善g2敏感度，最常見的策略就是增加一組機械式抗振動設置，例如圖4中所示。圖中為從金屬帽殼封裝中部份移出的Panasonic汽車陀螺儀。此一陀螺儀元件以橡膠抗振動設置與金屬帽殼隔離。

圖4 典型的抗振動設置

抗振動設置非常難以設計，因為它在寬頻率範圍內的響應並不是平坦的(低頻時尤其差)，而且其減振特性會隨著溫度和使用時間而變化。與g敏感度一樣，陀螺儀的振動校正響應可能會隨著頻率而不同。雖然可以成功設計出抗振動設置，以衰減得知頻譜下的窄頻振動，但這一的類抗振設置也不適合應用於寬頻振動。

機械濫用引起之主要問題

應用中會發生常規性短期濫用事件，這些濫用雖然不致於損傷陀螺儀，但會產生較大誤差。下面列舉幾個例子。

有些陀螺儀可以承受速率超載而不會表現異常。圖5顯示Silicon Sensing CRG20陀螺儀對超出額定範圍大約70%的速率輸入的響應。左邊的曲線顯示的是旋轉速率從0o/s變為500o/s再保持不變時CRS20的響應情況；而右邊的曲線則顯示輸入速率從500o/s降為0o/s時該元件的響應情況。當輸入速率超出額定測量範圍的時候，輸出在軌對軌之間紊亂地擺動。

圖5 CRG-20對500o/s速率輸入的響應

有些陀螺儀在遭遇哪怕只有數百g的衝擊的時後，也會表現出「鎖定」傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在受到250g 0.5ms衝擊時的響應情況(讓5mm鋼球以40cm高度落在陀螺儀旁邊的PCB上)。

圖6 VTI SCR1100-D04對250g、0.5ms衝擊的響應

陀螺儀未因衝擊而損壞，但它不再回應速率輸入，須要關斷再上電以重新啟動。這並非罕見的現象，多種陀螺儀都存在類似的行為。這對即將考慮使用的陀螺儀是否能承受應用中的衝擊是明智的。

顯然，此類誤差將大得驚人。因此，必須仔細找出特定應用中可能存在哪些濫用情況，並且驗證陀螺儀是否能承受得住。

誤差預算之計算

如上所述，多數陀螺儀應用中都存在運動或振動情況。利用上文所示的資料手冊所列規格(如果沒有規定振動校正特性，則使用保守的估計值)，表2列出了表1所示陀螺儀在不同應用中的典型誤差預算。從表3可以看出，增加g敏感度補償方案後，雖然抗振性能提高了半個數量級，但振動敏感度仍然是一個遠大於零、偏穩定性的誤差來源。

平均值為降低誤差新選擇

在誤差預算中，偏壓穩定度是最小的元素之一，因此選擇陀螺儀時，更為合理的做法是考慮將最大誤差源最小化。在大多數應用中，振動敏感度是最大的誤差源。然而，有時用戶可能仍然希望獲得比所選陀螺儀更低的雜訊或更好的偏壓穩定度。幸運的是，目前有辦法來解決這一問題，那就是求平均值。

不同於設計相關的環境或者是振動誤差，多數陀螺儀的偏壓穩定度誤差具有雜訊特性。也就是說，不同元件的偏壓穩定度是不相關的。因此，可通過求取多個元件的平均值來改善偏壓穩定度性能。如果對n個元件求平均值，則期望的改善幅度為√n。寬頻雜訊也可以透過類似的求平均值方法予以改善。

長久以來，偏壓穩定度被視為陀螺儀規格的絕對標準，但在實際應用中，振動敏感度常常是限制性能的更嚴重因素。根據抗振能力選擇陀螺儀是合理的，因為其他參數可以輕鬆地透過校正或對多個感測器求平均值來改善。

(本文作者為ADI MEMS感測器技術部門應用工程事業群主管)