MEMS陀螺仪供给了丈量旋转角速度的一种简略办法，其封装很简略衔接印刷电路板，因而被广泛用于许多不同类型的运动操控体系中作为反响检测元件。在这种类型的功用中，角速度信号（MEMS陀螺仪输出）中的噪声对要害体系行为有着直接的影响，比方渠道安稳性，因而一般是影响MEMS陀螺仪可以到达的精度等级的主要因素。
关于界说和开发新的运动操控体系的体系架构师和开发人员来说，“低噪声”是一种天然的且具有辅导意义的方针。要想进一步了解这个方针（低噪声），需求将要害的体系级规范（比方指向精度）转换为MEMS陀螺仪数据手册中常见的噪声方针，这是前期的概念和架构化作业的重要组成部分。了解体系对陀螺仪噪声行为的依赖性有许多优点，例如可以树立针对反响检测元件的相关要求，或反过来剖析对某个特定陀螺仪中噪声的体系级呼应。
一旦体系规划师深化了解了这个联系，他们就能要点把握影响角速度反响环路中噪声行为的两个要害范畴：（1）为MEMS陀螺仪的挑选开发最适宜的规范，（2）在整个传感器的集成进程中坚持适宜的噪声功用。
运动操控的根本原理
树立MEMS陀螺仪中噪声行为之间的有用联系并剖析它对要害体系行为有何影响一般都要从了解体系怎么作业开端。图1供给了一个运动操控体系的架构比方，它将重要的体系组件分化成了功用模块。这种体系的功用性方针是树立一个对惯性运动灵敏的个人或设备用安稳渠道。自动驾驶轿车渠道上的微波天线便是这样一个运用比方，它要在构成车辆方向忽然改动的速度等恶劣条件下进行操控。假如没有对指向视点的实时操控，这些高度方向性的天线在阅历这种惯性运动时或许无法支撑接连的通讯。
图1：运动操控体系架构比方
图1所示的体系运用了一个伺服电机，它将以与体系其余部分相同或相反的方向进行旋转。反响环路从MEMS陀螺仪开端，由陀螺仪监督“安稳渠道”上的旋转速度（ωG）。陀螺仪的角速度信号随后馈入由滤波、校准、对齐和积分组成的特别运用数字信号处理电路，发生实时的方向反响信号（φE）。伺服电机的操控信号（φCOR）来自这个反响信号与“被指令”方向信号（φCMD）的比较，后者来自中心使命操控体系，或仅仅代表支撑渠道上的设备抱负作业的方向。
运用比方
从架构的视点看图1所示运动操控体系的移动，有价值的界说和观念也来自对特别运用的物理特点的剖析。考虑图2所示的体系，它从概念的视点调查出产线上的自动化查看体系。这个摄像机体系可以查看传送带上进出视场的物件。在这个计划中，摄像机经过一个长的支架挂接到天花板上。这个支架确认了其高度（见图2中的“D”），可依据它要查看的方针物体巨细优化其视场。由于工厂中充满了机械设备和其它活动，摄像机或许时不时阅历摇摆（见图2中的“ωSW（t）”），然后或许导致查看图画的失真。
这张图中的赤色虚线是对来自这种摇摆的总视点差错（±φSW）的扩大图，绿色虚线代表支撑体系图画质量方针的视点差错水平（±φRE）。图2在查看物体外表上的线性位移差错（dSW， dRE）方面界说了要害的体系级方针（图画失真）。这些特点经过公式1中简略的三角函数与摄像机的高度（D）和视点差错项（φSW， φRE）树立起了联系。 20160706A02
图2：工业摄像机查看体系
针对这种体系的最适用的运动操控技能被称为图画安稳技能。前期的图画安稳体系运用依据陀螺仪的反响体系来驱动伺服电机，并在快门翻开期间调整图画传感器的方向。MEMS技能的出现以革命性的办法协助减小了这些功用的尺度、本钱和功耗，然后使得这种技能在现代数码相机中得到了广泛运用。数字图画处理技能的开展（在它们的算法中依然运用依据MEMS的角速度丈量）现已导致许多运用取消了伺服电机。
不论图画安稳作用来自于伺服电机仍是经过图画文件的数字化后处理，陀螺仪的根底功用（反响检测）依然是相同的，噪声成果也是如此。为了简略起见，本次评论专心于经典办法（在图画传感器上运用伺服电机）研讨最相关的噪声原理，以及它们是怎么相关到这类运用最重要的物理特点的。
视点随机游走（ARW）
一切MEMS陀螺仪的角速率丈量都存在噪声。这种固有的传感器噪声代表陀螺仪作业在静态惯性（没有旋转运动）和环境条件（没有振荡、冲击等）下输出中的随机改动。MEMS陀螺仪数据手册中描绘它们噪声行为的最常用方针是速度噪声密度（RND）和视点随机游走（ARW）。RND参数一般运用的单位是degrees/sec/√Hz，它依据陀螺仪的频率呼应从角速度方面供给了猜测总噪声的简略办法。
ARW参数一般运用的单位是degrees/√hour，在剖析指定时刻内噪声对视点估量值的影响时愈加有用。公式2供给了依据角速度丈量成果估量视点的通用公式。别的，它也供给了将RND参数相关到ARW参数的简略公式。这个联系代表了在IEEE-STD-952-1997（附录C）根底上的小改动（单侧与双侧FFT）。
图3供给了图形参阅，它有助于进一步评论ARW参数标明的行为。这张图中的绿色虚线代表陀螺仪的RND等于0.004 degrees/sec/√Hz时的ARW行为，相当于ARW为0.17 degrees/√hour。实线代表这个陀螺仪的输出在25ms时刻内的6次独自积分。视点差错相关于时刻的随机特点标明，ARW的根本用处是估量在规则积分时刻内视点差错的核算散布。别的值得注意的是，这种呼应假定运用高通滤波滤除了积分进程中的初始偏置差错。
图3：视点随机游走（ADIS16460）
回忆图2所示的运用比方，将公式1和2组合起来可以将重要规范（查看外表上的物理失真）相关到MEMS陀螺仪数据手册中常见的噪声功用方针（RND，ARW）。在这个进程中，假定公式1的积分时刻（τ）等于图画捕获时刻，这样可以得到有用的再次简化。公式3运用公式1的通用联系来估量当摄像机离查看外表1米（D）远以及最大答应失真差错为10μm （dRE）时，来自陀螺仪的视点差错有必要小于0.00057度。
公式4整合了公式3的成果和公式2中的通用联系来猜测特定景象下对MEMS陀螺仪的ARW和RND要求。这个进程假定35ms的图画捕获时刻代表来自公式2的积分时刻（τ），从而导致猜测陀螺仪的ARW需求小于0.18 degrees/hour1/2，或RND有必要小于0.0043 degrees/sec/Hz1/2才干支撑这个要求。当然，这或许不是这些参数支撑的仅有要求，但这些简略的联系的确供给了怎么相关到已知要求和条件的样例。
角速度噪声与带宽
供给接连指向操控的体系开发人员或许挑选依据角速度来评价噪声影响，由于他们或许没有固定的积分时刻来运用依据ARW的联系。依据角速度评价噪声常常要考虑RND参数和陀螺仪信号链中的频率呼应。陀螺仪的频率呼应一般受滤波的影响最大，它支撑针对环路安稳规范的特别运用要求，并能按捺对环境要挟的不良传感器反响，比方振荡。公式5供给了估量与特定频率呼应（噪声带宽）和RND有关的噪声的一种简略办法。
当RND的频率呼应契合单极点或双极点的低通滤波器规范时，依据公式6中的联系，噪声带宽（fNBW）将与滤波器的截止频率（fC）有关。 20160706A09 举例来说，图4针对RND为0.004 degrees/sec/√Hz的ADXRS290中的噪声供给了两个不同的频谱图。在这张图中，黑色曲线代表运用双极点低通滤波器时的噪声呼应，这个滤波器的截止频率是200Hz；而蓝色曲线代表运用单极点低通滤波器时的噪声呼应，这时的滤波器截止频率是20Hz。公式7可以用来核算每个滤波器的总噪声。正如预期的那样，200Hz版别的噪声要比20Hz版别高。
举例来说，图4针对RND为0.004 degrees/sec/√Hz的ADXRS290中的噪声供给了两个不同的频谱图。在这张图中，黑色曲线代表运用双极点低通滤波器时的噪声呼应，这个滤波器的截止频率是200Hz；而蓝色曲线代表运用单极点低通滤波器时的噪声呼应，这时的滤波器截止频率是20Hz。公式7可以用来核算每个滤波器的总噪声。正如预期的那样，200Hz版别的噪声要比20Hz版别高。
图4：带滤波器的ADXRS290噪声密度
在体系要求定制滤波的场合，其频率呼应（HDF（f））不契合公式6和7中简略的单极点和双极点模型，公式8供给了更为通用的联系来猜测总噪声：
除了影响总的角速度噪声外，陀螺仪滤波器还会对总的环路呼应发生相位延时，这将直接影响反响操控体系中的另一个重要的品质因数：单位增益交越频率点的相位余量。公式9供给的公式可以用来估量单极点滤波器（fC =截止频率）在单位增益交越频率点（fG）对操控环路频率呼应构成的相位延时（θ）。公式9中的两个比方给出了滤波器截止频率分别是200Hz和60Hz时单位增益交越频率20Hz点的相位延时。这种对相位余量的影响或许导致规则陀螺仪的带宽比单位增益交越频率高10倍，然后把更多的要点放在挑选具有杰出RND水平的MEMS陀螺仪上面。
现代操控体系常常运用数字滤波器，因而在猜测操控环路要害频率点的相位延不时或许用不同的模型。举例来说，公式10用于猜测与16抽头FIR滤波器（NTAP）相关的相位延时（θ），该滤波器运行在ADXRS290的4250 SPS （fS）刷新率条件下，并具有相同20Hz的单位增益交越频率（fG）。这种联系有助于确认在这种滤波器结构下体系架构答应的总抽头数量。
本文小结
总归，角速度反响环路中的噪声对运动操控体系中的要害功用规范有直接的影响，因而对一个新体系来说需求在规划进程的前期加以考虑。那些可以量化角速度噪声怎么影响体系级行为的人要比只知道需求“低噪声”的人具有明显的优势。他们可以建立功用方针，并在他们的运用中构成可调查的值，而且当项目其它方针鼓舞考虑特定MEMS陀螺仪时可以更好地量化体系级成果。
一旦根本的了解到位后，体系规划师就能专心于确认可以满意他们功用要求的MEMS陀螺仪，并运用带宽、速度噪声密度（RND）或视点随机游走（ARW）方针来辅导他们的主意。当他们需求优化从所选的传感器认识到的噪声功用时，他们可以运用与带宽（角速率噪声）和积分时刻（视点差错）的联系来构成其它重要的体系级界说，从而支撑最适合的运用功用。
