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ZW-GY113-41BL

ZW-GY113-41BL 为一款电容式陀螺仪接口电路芯片。本芯片驱动环路采用自激方式启动,启动完成后再切换到PLL 闭环控制模式,避免PLL 闭环失锁的情况。检测采用开环工作模式,内部集成正交补偿环路。输出信号有模拟差分输出和数字输出两种输出形式;开放的前端检测放大器结构,可通过搭建可变电容桥(内部已集成电容阵列),适配各种陀螺仪表头;5V 单电源供电;内部集成2.5V 电压基准、4.5V 电压基准、电荷泵;具备高压输出,可用于陀螺仪驱动闭环系统反馈控制;内部集成温度传感器;内部集成24bits 陀螺仪信号Delta-Sigma ADC 和14 位温度检测ADC;片内集成三阶温补系统;内部集成一次可编程非易失性存储器(OTP),用于调试、校准和配置电路系统参数;具备陀螺仪表头自检功能和报错功能。

产品特性

5V 单电源供电

输出方式: SPI 或模拟差分输出

模拟输出范围: -4V ~ +4V

内置高精度 Delta-Sigma ADC,实现 24bits 角速 率转换和 14bits 温度转换

内部集成 OTP,用于调试、校准和配置系统参数 (CV 电容阵列参数、CV 增益、高压共模及其增益、 PI 控制参数、温度补偿参数等)

驱动环路采用自激电路启动,启动完成后切换到 PLL 闭环控制模式,避免 PLL 闭环失锁的情况

适配表头谐振频率范围 8~20KHz,PLL 锁相精度 为 0.001°,PLL 带宽为 1KHz

内部集成移相调节电路,用于生成准确的解调时钟

检测开环,内置正补偿电路,包括电荷注入法和刚 度补偿法

开放的前端放大器检测结构,可适用于各种表头

检测端检测电容适配范围 0.5pF~8.45pF,驱动端 检测电容适配范围 80fF~4.7p,支持表头基础电容、 失配电容自校准

新颖的 CV 检测电路,噪声低,输出电压平滑、相 移小;

内部集成电荷泵及高压驱动放大器,可用于陀螺仪 系统反馈控制

可配置高压驱动放大器共模电压,可配置高压驱动 放大器增益,实现驱动环路增益配置

具备陀螺仪计表头自检功能

内置自检测和报错电路

内置基准和温度传感器电路

内置三阶温度补偿系统(数字)

工作温度范围:–55℃ 至 125℃

工作电流消耗:18mA

性能指标

除非另有说明, @ 2 5 ℃, AVDD = 5 V

参数 条件 /注释 最小值 典型值 最大值 单位
输出(模拟)
输出范围   -4   +4 V
非线性度     0.03 0.05 % FS
滤波器频率 @-3dB   1   KHz
输出(数字)
ADC噪声         dBV
ADC输入电压范围 0.1~100Hz   -120 ±4.0 V
非线性度       0.05 %FS
数据速率   7.63   31.25K SPS
ADC刻度因子(数字)     1864135   LSB/V
检测CV
电容灵敏度     22.5   V/pF
匹配电容范围   0.5   8.45 pF
等效输入噪声 基础/寄生电容:4pF/14pF   13   zF/√Hz
驱动CV
电容灵敏度     22.5   V/pF
匹配电容范围   0.5   8.45 pF
输出电压噪声 基础/寄生电容:4pF/14pF   13   zF/√Hz
2.5V 基准电压
输出参考电压   2.475 2.5 2.525 V
温度系数 温度范围:-55°C ~ 125 °C   4 20 ppm/°C
短路电流     50   µA
输出电压噪声 0.1 Hz ~ 10Hz   1.2   µVrms
温度传感器
输出电压   2.44 2.47 2.50 V
温度刻度因子(模拟)     8.1   mV/°C
温度刻度因子(数字)     72  

LSB/°C

非线性度 0.1 Hz ~ 1 kHz   2   %
输出电压噪声     16   µVrms
驱动高压输出
输出差模电压噪声 @16KHz、7.5V 共模   0.173   µV/√Hz
输出共模电压噪声 @16KHz、7.5V 共模   0.145   µV/√Hz
增益调节范围

配置精度:0.125/LSB

1   4.875  
共模调节 范围   4   10 V
电源
电源电压   4.75 5 5.25 V
静态电流     18   mA

绝对最大额定值

最大电源电压:  6 V

最大工作温度范围:  -55 ℃ ~ 125 ℃ 

最大存储温度范围:  -60 ℃ ~ 150 ℃ 

注意:超过以上数值的工作环境将对芯片造成永久的损害。以上数值的工作环境仅为极限条件。长时间工作在以上条件将有可能降低芯片的可靠性。

ESD 警告

ESD【静电放电】敏感器件

带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专用保护电路,但在遇到高能量ESD时,器件可能会损坏。因此,应当采取适当的ESD防范措施,以避免器件性能下降或功能损失。

引脚配置和功能描述

表1芯片引脚芯片

编号 名称 X 轴 (um) Y 轴 (um) 编号 名称 X 轴 (um) Y 轴 (um)
1
HVDD
517.29
4914
25
AVSS
622.86
86
2
VCPO
732.65
4914
26
AVSS
422.86
86
3
TSTAIP
936.65
4914
27
AVDD
86
284
4
TSTAIN
1136.65
4914
28
AVDD
86 484
5
AVSS
1336.65
4914
29
AVDD
86 684
6
VDDL
1613.13
4914
30 AVSS 86
884
7
VDDL
1813.13
4914 31
AP_A
86
1088
8
VPP
2013.13
4914 32
AN_A
86
1292
9
VSSIO
3586.75
4914 33
FN_Q
86
1496
10
VDDIO
4651.99
4914 34
DN_A
86 1700
11
VDDIO
5164
4621.24
35
DP_A
86 1900
12
PD
5164
4421.24
36
DN_B
86 2300
13
CSN
5164
4171.24
37
MASS
86 2500
14
CKBS
5164
3657.04
38
DP_B
86 2700
15
SCK
5164
3142.85
39
MODES
86 2900
16 BSI 5164
2568.1
40
DP_A
86
3100
17
MOSI
5164
1993.35
41
DN_A
86
3300
18
BS2
5164
1551.83
42
FP_Q
86
3504
19
MISO
5164
1110.3
43
AN_A
86
3708
20
VARN_SYNC
4846.32
86
44
AP_A
86
3912
21
VARP
4206.93
86 45
AVSS
86
4116
22
VTEMP
3529.67
86 46
DVDD
86
4492.37
23
V4P5
1562.25
86 47
DVDD
86
4696.37
24
AVSS
822.86
86        

寄存器说明

由于该 ASIC 集成了各种可调功能,因此在与表头匹配时,需要对相应的寄存器进行软写或者硬写操作。 该芯片推荐使用 Labview 软件进行参数匹配,图 3 是我司推荐的界面,相关寄存器说明见表 3、4、5、6。建 议调试硬写操作见 附 A。

 

 

表 3 ZW-GY113-01BL 寄存器说明(参数配置)

寄存器名称 位宽 功能说明 注释
A_CVCINT 2 驱动 CV 控制电容 8~32pF
A_CVCREF 2 驱动 CV 反馈电容 0:100fF;1:150fF;2:200fF;3:300fF
A_AMPGA 5 驱动环路可调增益放大器增益选择 1~4.875[倍]
A_PHTRIM 5 驱动环路可调增益放大器相移调节 填入具体相位补偿值即可,最大 1°。
A_PIRF 4 驱动自动增益控制器(PIC)输入 电阻选择 100~1600kohm
A_PIRF 3 驱动自动增益控制器(PIC)反馈电阻选择 1~8Mohm
A_PLT 1 驱动环路极性选择 0:正,1:负
A_HVCM 6 驱动环路高压驱动器共模电压选择 4~10V
A_HVGA 5 驱动环路高压驱动器差模增益选择 1~4.875[倍]
RG_PGACFSL 2 可调增益放大器滤波电容选择 -
B_CVCINT 2 驱动 CV 控制电容 8~32pF
B_CVCREF 2 检测CV反馈电容 0:100fF;1:150fF;2:200fF;3:300fF
B_AMPGA 5 检测环路可调增益放大器增益选择 1~4.875[倍]
B_PHTRIM   检测环路可调增益放大器相移调节 填入具体相位补偿值即可,最大1°。
B_RNGSL 3 检测输出增益选择 填入预期的下拉选项
B_PLT 1 检测输出极性选择 0:正,1:负
QE_VCLTRISL 1 正交闭环VGA增益选择 -
QE_PIRI 2 正交控制器PIC输入电阻 -
QE_PIPLT 1 正交控制器(PIC)极性选择 0:正,1:负
QE_ENCJCOMP 1 电荷注入正交补偿使能 高使能
QE_CJCOMP 8 电荷注入正交补偿配置 -
HVSL 6 电荷泵输出电压选择 8~20 [V]
VCOFCSL 3 锁相环输入适配频率配置 8-22[kHz]
VCOF0SL 2 VCO频率精调 -

表 4 ZW -GY113 GY113GY113 -01BL 01BL寄存器说明( 数字校正 )

寄存器名称 位宽 功能说明 注释
SF4 30 刻度因子 常数项 参数计算说明见 参数计算说明见 附 B。
SF3 30 刻度因子一阶温度系数
SF2 30 刻度因子二阶温度系数
SF1 30 刻度因子三阶温度系数
BISA4 30 零偏常数项
BISA3 30 零偏一阶温度系数
BISA2 30 零偏二阶温度系数
BISA1 30 零偏三阶温度系数
GAIN 15 数字放大倍数

表 5 ZW -GY113 GY113GY113 -01BL 01BL寄

临时 寄存器名称 位宽 功能说明 注释
TST _EN 1   1,TST_EN 为 1 时,选择需要监测的电路,可从VARP、VARN、VTEMP 引脚分别监测驱动、检测及PLL 相关波形。2,QEDMOD_EN 为 1 时,切换为正交测试模式,即输出为正交信号。
TST_APGA 1 驱动环路可调增益放大器测试输出选择
TST _PLL 1 锁相环测试输出选择
TST _API C 3 PIC测试选择(客户测试填4)
TST _BPGA 1 检测可调增益放大器测试输出选择
QEDMOD_EN 1 正交解调使能
TST _CKN90 1 锁相环移相90度时钟测试输出
TST _CKPO 1 锁相环锁相时钟测试输出

表 6 ZW-GY113-01BL 寄存器说明(数据采集配置)

寄存器名称 位宽 功能 说明
READONLY 1 数据输出格式控制 0:数据输出顺序依次为 DRDY 信号,随后为 24bit 加 速度信号等(默认); 1:数据输出顺序依次为 24bit 加速度信号,随后为 DRDY 信号等
IIRBW 3 IIR 滤波器带宽选择 0:直通;1:100Hz;2:150Hz;3:200Hz:4:250Hz; 5:300Hz;6:350Hz;7:400Hz。默认直通。
WAVG 3 平均滤波器配置 配置平均滤波器平均点数,平均点数为 2^WAVG,WAVG=0 ~ 6,默认 WAVG=0。
COMPSL 1 - -
SYNC_EN 1 SYNC 使能 0:Normal 模式; 1:SYNC 模式。
SOFT_COM_EN 1 - -

表 2 ZW-CA10B-01BL 寄存器说明

寄存器名称 位宽 功能说明 可调范围
PICISL 5 PIC 输入电阻配置
2401~76kΩ,(step=-75kΩ)
PICFSL
7 PIC 反馈电阻配置
1~2382.25kΩ,(step=18.75kΩ)
PICCDSL
3 PIC 微分电容配置
3.5385~771.393pF,(step=109.6935pF)
PICCISL
3 PIC 积分电容配置
403.389~1815.2505pF,(step==201.6945pF)
PICCLSL
3 PIC 高频滤波电容配置
3.5385~771.393pF,(step=17.6925pF)
CBCSL
5 匹配电容配置
1~16.5pF,(step=0.5pF)
CCAN
12 零偏补偿电容配置
-460~+460fF
K0SLDIF
8 高压输出零偏校准配置
-1.8~1.8V
C2VCFSL
3 CV 增益配置 C2VCFSL =0.25 ,0.5,0.75 ,1.00 pF, 对应增益:4.5/ C2VCFSL V/pF
K1SL
10
高压增益/标度因子配置
0~7.992[倍],(step=1/128)
HVCMSL
6
高压驱动共模电压配置
4.52~10V
HVSL
6
高压配置
9.04~20V
OUTPLT
1
输出极性配置
0/1
PHSSL
1
闭环正/负反馈配置
0/1
3TEN
2
适配 3/5 端表头配置
0:5 端表头;1~3:3 端表头
COMP1ST
6
一阶温度补偿调节
def:32d,实测推荐值 23
V2P5CLB
7
REF2.5V@25℃精度调节
def:96d, 实测推荐值 117
BIAS4 30
零偏三阶方程常数项
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS3 30
零偏三阶方程一阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS2 30
零偏三阶方程二阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
BIAS1 30
零偏三阶方程三阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF4
30
比例因子三阶方程常数项
含 1bit 符号位,默认值为 30`h10000000
SF3
30
比例因子三阶方程一阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF2
30 比例因子三阶方程二阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
SF1
30 比例因子三阶方程三阶系数
含 1bit 符号位,默认值为 30`h0
GAIN
16
输出增益
含 1bit 符号位,默认值为 16`h1000
COMPSL
1
温度补偿开启使能
0:开启(默认);1:关闭
OUTBW
3
平均滤波器带宽选择

0:31.25KHz ( 默 认 ); 1:15.625KHz ;

2:7.813KHz;3:3.906KHz;4:1.953KHz;

5:965Hz;6,7:488Hz

IIRBW
3
IIR 滤波器带宽选择
0:直通(默认);1:100Hz;2:150Hz;3:200Hz: 4:250Hz;5:300Hz;6:350Hz;7:400Hz
READONLY
1
数据输出格式控制
0:数据输出顺序依次为 DRDY 信号,随后为 24bit 加速度信号等(默认); 1:数据输出顺序依次为 24bit 加速度信号,随 后为 DRDY 信号等
SYNC_EN
1 外同步信号使能 0:不接受外同步信号(默认);1:接受外同步信 号

SPI 数据采集

SPI 协议

ZW-GY113-01BL 采用标准 4 线 SPI 接进行通信,从模式运行。CSN 设置为低,初始化通信,MOSI 和 MISO 数据变化必须同步于 SCK 下降沿,主从采样必须同步于 SCK 的上升沿。支持最大时钟速率 20MHz。 ZW-GY113-01BL 内部寄存器读写格式如图 4、5 所示。第一 Byte 的最高位为读写标志位,‘1’表示 接下来为读操作,‘0’表示接下来为写操作,第一 Byte 的低 7 位为地址位,对应表 2 寄存器表。

数据采集

ZW-GY113-01BL 默认数据格式为:DRDY(1bit)+AR(24bits)+ERR(1bit)+TEMP(14bits)+FLG(8bits)。 当寄存器 READ_DATAONLY( REGL5E[7])配置为 1 时,只输出 24bits 角速率数据,数据格式为:AR(24bits)。

采集数据时,上位机要先发送 0XD1 命令,再采集数据。有两种数据采集模式:Normal 模式和 SYNC 模 式,如图 6、7 所示。

芯片默认数据采集模式时 Normal 模式。图 6 为 Normal 采集数据时序。当内部数据更新时,DRDY 置为 ‘1’,当数据被 SPI 采集后,DRDY 置为‘0’直至新的数据被更新,DRDY 再次被置为‘1’。DRDY 在数 据中的具体位置,受寄存器 READ_DATAONLY 控制,当 READ_DATAONLY=1 时,DRDY 在数据的第 25 位, 默认 READ_DATAONLY=0 时,DRDY 在数据的第 1 位。

随机采集模式时,为避免数据丢失,建议 SPI 的采集速率略高于 ZW-GY113-01BL 配置的数据输出速 率,可通过 DRDY 有效的去掉冗余数据。。

 

配置寄存器 SYNC_EN=1,芯片进入 SYNC 模式。图 7 为 SYNC 模式采集数据时序,采用下降沿同步数 据。SYNC 引脚下降沿锁定数据,DRDY 置为‘1’,当数据被 SPI 采集后,DRDY 置为‘0’直至新的同步沿 到来,数据再次更新,DRDY 再次置为‘1’。

SYNC 模式采集模式时,可通过加载速率匹配的同步信号与 SPI 采集信号,以避免数据的丢失或冗余。

 

 

低通滤波器

ZW-GY113-01BL 集成低通滤波器,低通滤波器由 3 阶 butterworth 滤波器和平均滤波器串联组成。可以 通过配置寄存器设置低通滤波器带宽,具体配置关系见表 6 ZW-GY113-01BL 寄存器说明(数据采集配置)。

 

附 A 软、硬写 操:

A.1 软写 调试

(1)芯片上电,电流18mA左右,将进入写模式,运行labview程序,点击图4界面中的【软写】、【自校准CB】 (2)根据需求,对照第表3、4中的寄存器说明,调节相应的参数。 (3)见表5所述,可通过写临时寄存器监测内部信号。 注:软写模式下,断电后写入的数据就没有了。要在软写模式下测试,写入后需要一直保持上电状态,但烧写器可以去掉。

A.2 硬写

若想将软写调试好的参数固化在芯片里,需要对芯片进行硬写操作(写 OTP)。操作步骤如下:

(1) 运行 labview 程序,点击图 4 界面中的【硬写】,即可完成硬写操作。

(2) 点击硬写后可点击【读取】,检测是否写入正确的值。也可不进行读取。

(3) 断开 VPP 接的 7.7V 电压,重新上电后测试芯片输出,硬写过程完成。

注:

(1) ※ 软写(可反复擦除寄存器)时,进入软写测试模式。

(2)※ 硬写(烧写 OTP,参数固化)时,需要给 VPP 输入 7.7V 电压,进行硬写模式。

(3)※ 工作模式下, MODES 拉高到 5V,可进入模拟输出模式;拉低至低,可进入数 字输出模式。

(4)※ 硬写前一定要点击【自校准使能】

 

温度补偿参数计算

ZW-GY113-01BL 3 阶温度补偿参数计算如下所述:

将整器件置于温箱,采用温度循环或者定点方式测试零偏、刻度因子与温度的关系。零偏数据记为 K0 (24bit 有符号数),温度记为 TEMP(14bit 有符号数),刻度因子记为 K1(24bit 有符号数)。将上述三组数 据保存为正负十进制数,并对其进行扩位运算;

K0_30bit = K0 * 2^6;

K1_30bit = K1 * 2^6,找出 25℃(14bit 温度输出为 0)时的刻度因子 K1_25;

Temp_20bit = TEMP * 2^6;

以上数据中零偏、刻度因子的数据与温度点一一对应,按照以下公式,进行 3 阶拟合,并计算出补偿参数:

p1=polyfit(Temp_20bit,K0_30bit,3);

p2=polyfit(Temp_20bit,K1_25/K1_30bit,3);

BIAS1= dec2hex(round(p1(1)*2^59)));

BIAS2= dec2hex(round(p1(2)*2^38) );

BIAS3= dec2hex(round(p1(3)*2^19) );

BIAS4= dec2hex(round(p1(4)) );

SF1= dec2hex(round(p2(1)*2^85));

SF2= dec2hex(round(p2(2)*2^66) );

SF3= dec2hex(round(p2(3)*2^47));

SF4= dec2hex(round(p2(4)*2^28));

修订记录

修订 日期 说明
V0.01 2020年9月 初始版本
V0.02 2020年11月 修改调试软件说明
V1.0 2021年2月 增加原理图