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微機(jī)械陀螺儀
閱讀�15899�(shí)間:2011-01-17 14:17:43

  微機(jī)�陀螺儀是基于微�(jī)械(MEMS)技�(shù)工藝制程的陀螺儀,由于內(nèi)部無(wú)需集成旋轉(zhuǎn)部件,而是通過(guò)一�(gè)由硅制成的振�(dòng)的微�(jī)械部件來(lái)檢測(cè)角速度,因此微�(jī)械陀螺儀非常容易小型化和批量生產(chǎn),具有成本低和體積小等特�(diǎn)。近年來(lái),微�(jī)械陀螺儀在很多應(yīng)用中受到密切地關(guān)�,例�,陀螺儀配合微機(jī)械加速度傳感�用于慣性導(dǎo)航、在�(shù)碼相�(jī)中用于穩(wěn)定圖�、用于電腦的�(wú)線慣性鼠�(biāo)等等�

原理

微機(jī)械陀螺儀

  微機(jī)械陀螺儀利用了哥氏力�(xiàn)�,其原理如圖1所�。當(dāng)圖中的物體沿X軸做周期性振�(dòng)或其他運(yùn)�(dòng)�(shí),并且XY坐標(biāo)系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉(zhuǎn)�(yùn)�(dòng),就�(huì)在該物體上產(chǎn)生一�(gè)沿Y軸方向的哥氏�,其矢量可按�1�(jì)算�

  式中:F(t)是哥氏力,m是該物體的質(zhì)量,ΩZ是坐�(biāo)系旋�(zhuǎn)的角速度,是該物體的矢量速度�

  �(jī)械陀螺儀LY530AL,它采用了對(duì)�(chēng)的雙�(zhì)量塊�(jié)�(gòu),如�2所�?;瑝K1�1’是檢測(cè)�(zhì)量塊� 2�2’是�(qū)�(dòng)�(zhì)量塊,并且檢�(cè)�(zhì)量塊是附著在�(qū)�(dòng)�(zhì)量塊之上。受限于�(jié)�(gòu)�3,檢�(cè)�(zhì)量塊能夠被動(dòng)的隨�(qū)�(dòng)�(zhì)量塊沿驅(qū)�(dòng)軸(X軸)�(yùn)�(dòng),而在檢測(cè)軸(Y軸)方向,檢�(cè)�(zhì)量塊則能在哥氏力的作用下自由�(yùn)�(dòng)。所以檢�(cè)�(zhì)量塊�(huì)有兩�(gè)軸向�(yùn)�(dòng),一�(gè)是隨�(qū)�(dòng)�(zhì)量塊沿X軸的受限被動(dòng)�(yùn)�(dòng),另一�(gè)是由哥氏力牽引著在Y軸的自由�(yùn)�(dòng)�4�4’)�5�5’)分別是驅(qū)�(dòng)電極和檢�(cè)電極�

微機(jī)械陀螺儀原理2

  根據(jù)�1,哥氏力�(chǎn)生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振�(dòng)速度為已知量,如果得到檢�(cè)�(zhì)量塊上的哥氏力加速度a(t),然后結(jié)合振�(dòng)速度�(jìn)行同步解�(diào),就可以檢測(cè)出XY坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度。這就是微�(jī)械振�(dòng)陀螺儀的基本工作過(guò)�。由于加速度的檢�(cè)方法較為�(jiǎn)�,而保持一�(gè)振幅和頻率都恒定的振�(dòng)速度卻比較困難,所以振�(dòng)速度χ(t)�(duì)角速度的檢出起著關(guān)鍵作��

主要參數(shù)

  微機(jī)械陀螺儀的重要參�(shù)包括:分辨率(Resolution�、零角速度輸出、靈敏度(Sensitivity)和�(cè)量范�,這些參數(shù)是評(píng)判微�(jī)械陀螺儀性能的重要標(biāo)志,同時(shí)也決定了該陀螺儀的應(yīng)用環(huán)�。分辨率是指陀螺儀能夠檢測(cè)的最小的角速度,該參數(shù)和零角速度輸出其實(shí)是由陀螺儀的白噪聲決定,白噪聲一般用°/s/√Hz�(lái)表征,LY530AL的白噪聲只有�0.1°/s/√Hz。這三�(gè)參數(shù)著重�(shuō)明該陀螺的�(nèi)部性能和其抗干擾能�,而對(duì)使用者而言,靈敏度更有�(shí)際的意義,其單位是mV/°/s,由此用�(hù)可選用適合的ADC�(lái)與之匹配。測(cè)量范圍是指陀螺儀能夠�(cè)量的的角速度,單位是°/s,不同的�(yīng)用對(duì)陀螺儀的測(cè)量范圍有不同的要��

典型�(yīng)�

  提供兩種接口:模擬或者數(shù)字接口(I2C/SPI),可以通過(guò)管腳5�(lái)選擇所希望的接口方�。在上文中已�(jīng)提到,LY530AL需要一�(gè)鎖相�(huán)�(lái)同步�(qū)�(dòng)和檢�(cè)兩部分電�,C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一�(gè)二階低通濾波器�

微機(jī)械陀螺儀的典型應(yīng)用

  如圖中所�,LY530AL在模擬輸出端集成了兩�(gè)一階片上濾波器用來(lái)濾除高頻信號(hào):開(kāi)�(guān)電容低通濾波器(截至頻率:400Hz)和一�(gè)有源濾波�。有源濾波器的電阻為180kΩ,已�(jīng)集成在芯片內(nèi)�,使用時(shí)需要外接電容CACT�(lái)�(shè)置截至頻率計(jì)算方法如�4。如果上述兩�(jí)低通還不能濾除高頻噪聲,LY530AL還支持外接ROPT和COPT�(gòu)成的低通濾波器。當(dāng)LY530AL與ADC之間走線較長(zhǎng)�(shí),其中還可加入運(yùn)算放大器增強(qiáng)其驅(qū)�(dòng)能力�(lái)符合ADC�(duì)輸入信號(hào)的要��

  �(duì)于便攜式�(shè)備而言,器件的功耗非常重�,直接影響其待機(jī)的時(shí)間。在使用其模擬接口時(shí),LY530AL消耗電流典型值為�4.8mA,并還設(shè)置有一�(gè)PD管腳,控制其在待�(jī)�(shí)�(jìn)入掉電模�,在該模式下消耗電流小�1μA。由于微�(jī)械陀螺儀�(nèi)部有振蕩的微�(jī)械部�,LY530AL還設(shè)有自�(cè)的功能,能夠自行檢測(cè)其內(nèi)部的微機(jī)械部分是否正�。在使用模擬接口�(shí),通過(guò)ST管腳�(lái)啟動(dòng)自測(cè)功能,這時(shí)芯片�(nèi)部會(huì)�(chǎn)生一�(gè)靜電力作用在微機(jī)械部分上,來(lái)模擬一定的哥氏力,輸出電壓也會(huì)隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內(nèi),說(shuō)明芯片內(nèi)部的微機(jī)械結(jié)�(gòu)工作正常�

  微機(jī)械陀螺儀在新型鼠�(biāo)或遙控器中的�(yīng)�

  STM32-PRIMER2是STM的STM32�(kāi)�(fā)工具,如圖所示,其配置了128×160像素的彩色觸摸屏顯示�、方向控制按�、USB接口、外部擴(kuò)展連接器、MEMS加速度傳感器等,通過(guò)�(nèi)置的�(kāi)源CircleOS軟件框架,用�(hù)可以輕松地管理所有組�。為支持更多的外�(shè),STM32-PRIMER2提供�20針的�(kuò)展連接�,其中包括一�(gè)UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口�,如�7所示� 同時(shí)其采用了STM公司的高精度加速度傳感器LIS3LV02DL,加速度分辨率可�(dá)�1mg。為�(yàn)證LY530AL的性能,通過(guò)STM32-PRIMER2�20針的�(kuò)展連接�,構(gòu)建如�8所示的�(cè)試系�(tǒng)�

微機(jī)械陀螺儀在新型鼠標(biāo)或遙控器中的應(yīng)用

  該評(píng)估系�(tǒng)�(wú)線通訊部分采用STM的藍(lán)牙收�(fā)模塊GS-BT2416C2通過(guò)UART接口和主處理器STM32F103VET6�(jìn)行通訊;采用了兩顆LY530AL分別檢測(cè)Yaw和Pitch上的�(zhuǎn)�(dòng),一顆水平放�,另一顆垂直主板放置,分別通過(guò)SPI接口和主處理器�(jìn)行通訊;三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來(lái)檢測(cè)遙控器在XYZ三�(gè)軸上的水平移�(dòng),主處理器STM32F103VET6�(fù)�(zé)�(shù)�(jù)的采集和處理�

  該評(píng)估系�(tǒng)�(jīng)�(lán)牙與筆記本相連接�(jìn)行驗(yàn)�,其具有很好的靈敏度和響�(yīng)速度,在使用�(guò)程中不存在光�(biāo)漂移�(xiàn)�,完全可以取代傳�(tǒng)的鼠�(biāo)。再與機(jī)頂盒連接�(cè)試時(shí),相較于�(xiàn)有復(fù)雜的多按鍵遙控器,具有更好的直觀性,只需要利�3�5�(gè)按鍵,就可以�(duì)選單目錄�(jìn)行操��

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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