gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0086gyroscopy-125Research ArticleСтатьиОценка влияния архитектуры ФАПЧ на характеристики микромеханических гироскоповEffects of PLL Architecture on MEMS Gyroscope Performancehttps://orcid.org/0000-0002-3837-7714КузнецовН. В.KuznetsovN. V.Кузнецов Николай Владимирович. Доктор физико-математических наук, профессорС.-Петербург

St. Petersburg

БеляевЯ. В.BelyaevYa. V.Беляев Яков Валерьевич. Кандидат технических наук, начальник НТЦ «Дизайн-центр»С.-ПетербургSt. PetersburgСтяжкинаА. В.StyazhkinaA. V.Стяжкина Анна Васильевна. Научный сотрудникSt. PetersburgТулаевА. Т.TulaevA. T.Тулаев Артем Толибович. ИнженерSt. Petersburghttps://orcid.org/0000-0002-4922-4043ЮлдашевМ. В.YuldashevM. V.Юлдашев Марат Владимирович. Доктор физико-математических наук, профессорhttps://orcid.org/0000-0001-8185-1269ЮлдашевР. В.YuldashevR. V.Юлдашев Ренат Владимирович. Доктор физико-математических наук, профессорСанкт-Петербургский государственный университет; Институт проблем машиноведения РАНРоссияSaint Petersburg State University; Institute of Problems of Mechanical Engineering, Russian Academy of SciencesRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSCRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университетРоссияSaint Petersburg State UniversityRussian Federation2022200520253017383Copyright © Кузнецов Н.В., Беляев Я.В., Стяжкина А.В., Тулаев А.Т., Юлдашев М.В., Юлдашев Р.В., 20252025Кузнецов Н.В., Беляев Я.В., Стяжкина А.В., Тулаев А.Т., Юлдашев М.В., Юлдашев Р.В.Kuznetsov N.V., Belyaev Y.V., Styazhkina A.V., Tulaev A.T., Yuldashev M.V., Yuldashev R.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/125

В современных микромеханических гироскопах системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) могут использоваться для обеспечения возбуждения колебаний инерционной массы, а также для формирования тактовых последовательностей блоков обработки и выделения полезного сигнала в интегральной схеме. В данной работе рассматривается оценка влияния архитектуры ФАПЧ на характеристики микромеханических гироскопов. Показано, что предлагаемая система ФАПЧ с двойной дискретизацией позволяет повысить точность микромеханического гироскопа за счет обеспечения высокой скорости синхронизации, а также более высокой стабильности частоты по сравнению с широко используемыми системами ФАПЧ с накачкой заряда и с однократной дискретизацией.

Phase-Locked Loops (PLL) may be included into modern MEMS gyroscopes to provide excitation of inertial mass oscillations, as well as to form clock signal for digital signal processing in an integrated circuit. This paper considers the impact of PLL architecture on MEMS gyroscope performance and its estimation. It is shown that the proposed Double Sampling Phase-Locked Loop (DSPLL) makes it possible to improve the accuracy of MEMS gyroscopes due to high synchronization rate, as well as higher frequency stability as compared to the widely used Charge Pump Phase-Locked Loop (CP-PLL) and the Sampling Phase-Locked Loop (SPLL).

микромеханический гироскопсистема фазовой автоподстройки частотыCP-PLLSPLLDSPLLmicromechanical gyroscopesphase-locked loopsCP-PLLSPLLDSPLLРабота выполнена при поддержке гранта Ведущей научной школы РФ НШ-4196.2022.1.1 и гранта СПбГУ (Pure ID 75207094, секции 4–6).ReferencesПешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. № 2. С. 3–10. DOI 10.17285/0869-7035.0028.Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. № 2. С. 3–10. DOI 10.17285/0869-7035.0028.Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тульский государственный университет, Московский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К, 2004.Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тульский государственный университет, Московский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К, 2004.Тулаев А.Т., Стяжкина А.В., Козлов А.С., Беляев Я.В. Методика проектирования микромеханического датчика на основе комплексной системной модели // Информатика, телекоммуникации и управление. 2021. №2 (14). С. 79–92.Тулаев А.Т., Стяжкина А.В., Козлов А.С., Беляев Я.В. Методика проектирования микромеханического датчика на основе комплексной системной модели // Информатика, телекоммуникации и управление. 2021. №2 (14). С. 79–92.Liu, K., Zhang, W., Chen, W., Li, K., Dai, F., Cui, F., Wu, X., Ma, G., Xiao, Q., TOPICAL REVIEW: The development of micro-gyroscope technology, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, no. 19(11), pp. 1–29.Liu, K., Zhang, W., Chen, W., Li, K., Dai, F., Cui, F., Wu, X., Ma, G., Xiao, Q., TOPICAL REVIEW: The development of micro-gyroscope technology, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, no. 19(11), pp. 1–29.Koenig, S., Rombach, S., Gutmann, W., Jaeckle, A., Weber, C., Ruf, M., Grolle, D., Rende, J., Towards a navigation grade Si-MEMS gyroscope, DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2019, pp. 1–18.Koenig, S., Rombach, S., Gutmann, W., Jaeckle, A., Weber, C., Ruf, M., Grolle, D., Rende, J., Towards a navigation grade Si-MEMS gyroscope, DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2019, pp. 1–18.Aaltonen L., Halonen K.A.I.. An analog drive loop for a capacitive MEMS gyroscope, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2010, no. 63(3), pp. 465–476.Aaltonen L., Halonen K.A.I.. An analog drive loop for a capacitive MEMS gyroscope, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2010, no. 63(3), pp. 465–476.Aaltonen L., Saukoski M., Teikari I., Halonen K. Noise analysis of comparator performed sine-tosquare conversion, International Biennial Baltic Electronics Conference, IEEE, 2006, pp. 1–4.Aaltonen L., Saukoski M., Teikari I., Halonen K. Noise analysis of comparator performed sine-tosquare conversion, International Biennial Baltic Electronics Conference, IEEE, 2006, pp. 1–4.Беляев Я.В. Методы снижения порога чувствительности микромеханического гироскопа: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.01. СПб., 2010. 129 с.Беляев Я.В. Методы снижения порога чувствительности микромеханического гироскопа: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.01. СПб., 2010. 129 с.Sharma, A., Zaman, M.F., Amini, B., Ayazi, F., A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Device, Proceedings IEEE Conference on Sensors, October 2004, pp. 467–470.Sharma, A., Zaman, M.F., Amini, B., Ayazi, F., A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Device, Proceedings IEEE Conference on Sensors, October 2004, pp. 467–470.Филимонов А.Б., Филимонов Н.Б. Робастное управление с «глубокой» обратной связью // Сборник трудов XIII Всероссийского совещания по проблемам управления «ВСПУ-2019». Москва, 2019.Филимонов А.Б., Филимонов Н.Б. Робастное управление с «глубокой» обратной связью // Сборник трудов XIII Всероссийского совещания по проблемам управления «ВСПУ-2019». Москва, 2019.Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М.: Наука, 1967.Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М.: Наука, 1967.Chen, F., Li, X., Kraft, M., Electromechanical Sigma–Delta Modulators Force Feedback Interfaces for Capacitive MEMS Inertial Sensors: A Review, IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 17, pp. 6476–6495.Chen, F., Li, X., Kraft, M., Electromechanical Sigma–Delta Modulators Force Feedback Interfaces for Capacitive MEMS Inertial Sensors: A Review, IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 17, pp. 6476–6495.Omar, A., Elshennawy, A., Ismail, A., Nagib, M., Elmala, M., Elsayed, A., A New Versatile Hardware Platform for Closed-Loop Gyro Evaluation, Proceedings of the Inertial Sensors and Systems (DGON ISS), 2015.Omar, A., Elshennawy, A., Ismail, A., Nagib, M., Elmala, M., Elsayed, A., A New Versatile Hardware Platform for Closed-Loop Gyro Evaluation, Proceedings of the Inertial Sensors and Systems (DGON ISS), 2015.Marx, M., Dorigo, D.D., Nessler, S., Rombach, S., Manoli, Y., A 27 μW 0.06 mm2 background resonance frequency tuning circuit based on noise observation for a 1.71 mW CT-Delta Sigma MEMS gyroscope readout system with 0.9°/h bias instability, IEEE J. Solid-State Circuits, 2018, 53(1), pp. 174–186.Marx, M., Dorigo, D.D., Nessler, S., Rombach, S., Manoli, Y., A 27 μW 0.06 mm2 background resonance frequency tuning circuit based on noise observation for a 1.71 mW CT-Delta Sigma MEMS gyroscope readout system with 0.9°/h bias instability, IEEE J. Solid-State Circuits, 2018, 53(1), pp. 174–186.Kolumban, G., Frigyik, B., Kennedy, M.P., Design equations and baseband model for double-sampling phase-locked loop. The 6th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Proc., 1999, vol. 2, pp. 895–898.Kolumban, G., Frigyik, B., Kennedy, M.P., Design equations and baseband model for double-sampling phase-locked loop. The 6th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Proc., 1999, vol. 2, pp. 895–898.Кузнецов Н.В., Беляев Я.В., Индейцев Д.А., Лобачев М.Ю., Лукин А.В., Попов И.А., Юлдашев М.В., Юлдашев Р.В. Математическое моделирование систем управления колебаниями и обработкой информации в МЭМС гироскопах // XIV Всероссийская мультиконференция по проблемам управления МКПУ-2021. Материалы XIV мультиконференции: в 4-х тт. Ростов-на-Дону, 2021. Т. 2. С.54–56.Кузнецов Н.В., Беляев Я.В., Индейцев Д.А., Лобачев М.Ю., Лукин А.В., Попов И.А., Юлдашев М.В., Юлдашев Р.В. Математическое моделирование систем управления колебаниями и обработкой информации в МЭМС гироскопах // XIV Всероссийская мультиконференция по проблемам управления МКПУ-2021. Материалы XIV мультиконференции: в 4-х тт. Ростов-на-Дону, 2021. Т. 2. С.54–56.Leonov, G.A., Kuznetsov, N.V., Nonlinear Mathematical Models of Phase-Locked Loops. Stability and Oscillations, Cambridge Scientific Publisher, Cambridge, 2014.Leonov, G.A., Kuznetsov, N.V., Nonlinear Mathematical Models of Phase-Locked Loops. Stability and Oscillations, Cambridge Scientific Publisher, Cambridge, 2014.Kuznetsov, N.V., Matveev, A.S., Yuldashev, M.V., Yuldashev, R.V., Nonlinear Analysis of ChargePump Phase-Locked Loop: The Hold-In and Pull-In Ranges, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2021, 68(10), pp. 4049–4061.Kuznetsov, N.V., Matveev, A.S., Yuldashev, M.V., Yuldashev, R.V., Nonlinear Analysis of ChargePump Phase-Locked Loop: The Hold-In and Pull-In Ranges, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2021, 68(10), pp. 4049–4061.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.