專利名稱：微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通sigma-delta閉環(huán)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分別用于微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通sigma-delta閉環(huán)控制電路(Σ ΔΜ閉環(huán)控制電路)，屬于利用科氏效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加速度計(jì)是一種重要的慣性傳感器，與微機(jī)械陀螺結(jié)合實(shí)現(xiàn)的慣性儀表廣泛的用于各種運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)及位置信息監(jiān)測(cè)。當(dāng)外界有加速度信號(hào)加載到微機(jī)械加速度計(jì)上的時(shí)候，采用閉環(huán)控制的方式可以有效的將微機(jī)械加速度計(jì)的中心質(zhì)量塊拉回中心位置，防止過載，降低非線性度，同時(shí)還能提高系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性等。所以該領(lǐng)域一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)難以精確的控制反饋靜電力的大小，并且容易導(dǎo)致質(zhì)量塊與檢測(cè)電極之間相互吸附；而數(shù)字式閉環(huán)控制系統(tǒng)，特別是基于高階Σ ΔΜ調(diào)制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠解決這些缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合了高階Σ AM調(diào)制器噪聲整形的特點(diǎn)，信號(hào)數(shù)字化輸出，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。1999年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的BernhardE. Boser教授首先實(shí)現(xiàn)了三軸加速度計(jì)的低階Σ ΔΜ閉環(huán)控制系統(tǒng)；2004年還是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Bernhard E. Boser教授提出了微機(jī)械加速度計(jì)的四階Σ ΔΜ閉環(huán)控制系統(tǒng)；2005年英國(guó)南安普頓大學(xué)Michael Kraft教授提出并實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械加速度計(jì)的五階Σ AM閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是以往的的微機(jī)械加速度計(jì)Σ AM閉環(huán)控制系統(tǒng)的噪聲整形階數(shù)比較低，從而使得檢測(cè)輸出加速度信號(hào)的信噪比SNR較低，影響檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中系統(tǒng)信噪比SNR比較低的問題，本發(fā)明提出了一種微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通Σ ΔΜ閉環(huán)控制電路能夠提高系統(tǒng)檢測(cè)加速度信號(hào)的信噪比SNR，從而提聞系統(tǒng)的精度。參閱圖1，本發(fā)明提出的微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通sigma-delta閉環(huán)控制電路，由前置全差分電荷放大器2，高通濾波器3，二極管4，低通濾波器5，全差分放大電路6，相位補(bǔ)償電路7，積分電路I 8，積分電路II 9，積分電路III 10，積分電路IV 11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開關(guān)13組成；載波信號(hào)VJt)加載到微機(jī)械加速度計(jì)I的中心質(zhì)量塊上，當(dāng)由外界產(chǎn)生加速度信號(hào)的時(shí)候，微機(jī)械加速度計(jì)I檢測(cè)電極的電容變化產(chǎn)生變化的電流信號(hào)i(t)經(jīng)過頻率為的高頻載波VJt)調(diào)制到高頻段，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過前置全差分電荷放大器2將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vi (t)和V' At) ;Vi(t)和V' Jt)經(jīng)過高通濾波器3將低頻干擾信號(hào)去除得到Vi2 (t)和V i2 (t)，例如50Hz工頻信號(hào)；高通濾波器3的截止頻率4滿足Jca < ；Vi2(t)和V' i2(t)再經(jīng)過由二極管4和低通濾波器5組成的解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，低通濾波器5的截止頻率f；2滿足f；2 < ;解調(diào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)入增益為匕的全差分放大電路6對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補(bǔ)償電路7對(duì)Vi3(t)和V' i3(t)進(jìn)行一定的相位移動(dòng)Δρ使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移不等于2ηπ，防止自激振蕩；移相后得到信號(hào)Vi4(t)和V' i4(t)依次經(jīng)過積分電路I 8，積分電路
II9，積分電路III 10和積分電路IV 11得到Vi5(t)和V' i5(t);再進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，其包括比較器14和D觸發(fā)器15，比較器14對(duì)Vi5⑴和V' i5(t)兩路信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平的數(shù)字比較信號(hào)b' (t)，D觸發(fā)器15對(duì)b' (t)進(jìn)行采樣和量化；最終輸出數(shù)字脈寬密度調(diào)制信號(hào)b (t) ；b (t)用于控制模擬開關(guān)13將反饋電壓Vfb加載到微機(jī)械加速度計(jì)I的反饋電極上。本發(fā)明的有益效果是閉環(huán)回路中的積分電路I 8，積分電路II 9，積分電路III10，積分電路IV 11與微機(jī)械加速度計(jì)一起構(gòu)成六階噪聲整形濾波器，抑制系統(tǒng)噪聲，提高信噪比 SNR。


、圖I是本發(fā)明針對(duì)的微機(jī)械加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明提出的微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通Σ ΔΜ閉環(huán)控制電路示意圖；圖3是實(shí)施例中微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通Σ ΔΜ閉環(huán)控制電路示意圖；圖中，I-微機(jī)械加速度計(jì)，2-前置全差分電荷放大器，3-高通濾波器，4- 二極管，5-低通濾波器，6-全差分放大電路，7-相位補(bǔ)償電路，8-積分電路I，9_積分電路II，10-積分電路III，11-積分電路IV，12-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，13-模擬開關(guān)，14-比較器，15-D觸發(fā)器
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本實(shí)施例中微機(jī)械加速度計(jì)檢測(cè)電極的中心電容C = 3. 43e_12F，檢測(cè)梳齒個(gè)數(shù)為966,中心質(zhì)量塊的質(zhì)量為m = I. 4X 10_6Kg,反饋電極的中心電容C = le_12F,反饋梳齒個(gè)數(shù)為72。參閱圖I、圖2、圖3，本實(shí)施例中提出的微機(jī)械加速度計(jì)的高階低通Σ ΔΜ閉環(huán)控制電路參閱圖2，整個(gè)電路系統(tǒng)由前置全差分電荷放大器2，高通濾波器3，二極管4，低通濾波器5，全差分放大電路6，相位補(bǔ)償電路7，積分電路18，積分電路119，積分電路II110，積分電路IV11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開關(guān)13組成；由于加速度的作用，微機(jī)械加速度計(jì)I的中心質(zhì)量塊在加速度信號(hào)方向上產(chǎn)生位移y(t)，導(dǎo)致檢測(cè)電極電容變化，經(jīng)過前置全差分電荷放大器2進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換得到Vi (t)和V' Jt)，這里全差分式電荷放大器2的反饋電阻Rf = 100MΩ ;一路電荷反饋電容Cf = 3pf ;然后Vi(t)和V' ^t)經(jīng)過高通濾波器3將50Hz工頻干擾信號(hào)濾除。高通濾波器3的截止頻率fel = IMHz ;濾除低頻干擾信號(hào)之后得到Vi2(t)和V' i2(t)，Vi2(t)和V' i2(t)經(jīng)過由二極管4和低通濾波器5組成解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，解調(diào)和濾波后的兩路信號(hào)進(jìn)入增益G1 = 300的全差分放大電路6對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V, i3(t);相位補(bǔ)償電路7對(duì)Vi3(t)和V, i3(t)進(jìn)行相位移動(dòng)，使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移總和不等于2η π，防止閉環(huán)回路自激振蕩，提聞系統(tǒng)的穩(wěn)定性；移相后的信號(hào)Vi4(t)和V' i4(t)依次經(jīng)過積分電路18，積分電路119，積分電路IIIlO和積分電路IVll ;積分電路18，積分電路119，積分電路IIIlO和積分電路IVll具有相同的結(jié)構(gòu)，均包括串聯(lián)的兩個(gè)全差分運(yùn)算放大器積分電路18的第一個(gè)全差分運(yùn)算放大器A1的正向和反向輸出端分別通過電阻R1和R' !連接到其正向和反向輸入端，同時(shí)通過R2和R, 2連接到下一個(gè)全差分運(yùn)算放大器A' ! 的正向和反向輸入端分別通過電阻R3和V 3連接到上一級(jí)的輸入，即Vi4 (t)和V' i4(t)，同時(shí)A1的正向和反向輸入端均依次通過串聯(lián)&和1^ 4連接到內(nèi)部反饋控制電壓Vlf = 2. 5V;全差分運(yùn)算放大器A' ^勺正向和反向輸出端分別通過并聯(lián)的R5和C1、并聯(lián)的R' 5和C, 1連接到其輸入正向端，A' i的正向和反向輸入端連接到下一級(jí)的電路，也即積分電路II 9，積分電路II 9、積分電路III 10、積分電路IV 11和積分電路I 8具有相同的原理和結(jié)構(gòu),積分電路IV 11的輸出信號(hào)為Vi5(t)和V' i5(t)再進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，其包括比較器14和D觸發(fā)器15，比較器13對(duì)Vi5(t)和 Vi i5(t)兩路信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平的數(shù)字比較信號(hào)b' (t)，D觸發(fā)器14對(duì)b' (t)進(jìn)行采樣和量化，本實(shí)施例中采樣信號(hào)fk(t)頻率為32KHz;最終輸出數(shù)字脈寬密度調(diào)制信號(hào)b(t) ；b(t)用于控制模擬開關(guān)13將反饋電壓Vfb=SV加載到微機(jī)械加速度計(jì)的反饋電極上。
權(quán)利要求
1.微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通sigma-delta閉環(huán)控制電路，由前置全差分電荷放大器(2)，高通濾波器(3)，二極管(4)，低通濾波器(5)，全差分放大電路(6)，相位補(bǔ)償電路⑴，積分電路I (8)，積分電路II (9)，積分電路III (10),積分電路IV (11)，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(12)，模擬開關(guān)(13)組成；載波信號(hào)V。(t)加載到微機(jī)械加速度計(jì)(I)的中心質(zhì)量塊上，當(dāng)由外界產(chǎn)生加速度信號(hào)的時(shí)候，微機(jī)械加速度計(jì)(I)檢測(cè)電極的電容變化產(chǎn)生變化的電流信號(hào)i(t)經(jīng)過頻率為的高頻載波VJt)調(diào)制到高頻段，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過前置全差分電荷放大器(2)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vi (t)和V' At)…⑴和V' At)經(jīng)過高通濾波器(3)將低頻干擾信號(hào)去除得到Vi2 (t)和V' i2(t);高通濾波器(3)的截止頻率G滿足fcl < f ;Vi2(t)和V' i2(t)再經(jīng)過由二極管(4)和低通濾波器(5)組成的解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)和濾波，低通濾波器(5)的截止頻率L滿足f；2 < f:;解調(diào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)入增益為G1的全差分放大電路(6)對(duì)其做進(jìn)一步的全差分放大得到Vi3(t)和V' i3(t);相位補(bǔ)償電路(7)對(duì)Vi3(t)和V' i3(t)進(jìn)行一定的相位移動(dòng)Ap，使得整個(gè)閉環(huán)控制回路的相移不等于2I1JI，防止自激振蕩；移相后得到信號(hào)Vi4⑴和V' i4(t)依次經(jīng)過積分電路I (8)，積分電路II (9)，積分電路III(IO)和積分電路IV(Il)得到Vi5(t)和V' i5(t);再進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(12)，其包括比較器(14)和D觸發(fā)器(15)，比較器(14)對(duì)Vi5(t)和V' i5(t)兩路信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平的數(shù)字比較信號(hào)b' (t)，D觸發(fā)器(15)對(duì)b' (t)進(jìn)行采樣和量化；最終輸出數(shù)字脈寬密度調(diào)制信號(hào)b(t) ；b(t)用于控制模擬開關(guān)(13)將反饋電壓Vfb加載到微機(jī)械加速度計(jì)(I)的反饋電極上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分別用于微機(jī)械加速度計(jì)的高階連續(xù)低通sigma-delta閉環(huán)控制電路，屬于利用科氏效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。該電路，由前置全差分電荷放大器2，高通濾波器3，二極管4，低通濾波器5，全差分放大電路6，相位補(bǔ)償電路7，積分電路Ⅰ8，積分電路Ⅱ9，積分電路Ⅲ10，積分電路Ⅳ11，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路12，模擬開關(guān)13組成。本發(fā)明的有益效果是閉環(huán)回路中的積分電路Ⅰ8，積分電路Ⅱ9，積分電路Ⅲ10，積分電路Ⅳ11與微機(jī)械加速度計(jì)一起構(gòu)成六階噪聲整形濾波器，抑制系統(tǒng)噪聲，提高信噪比SNR。
文檔編號(hào)G01P15/00GK102707088SQ20121016876
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者常洪龍, 杜松杰, 苑偉政, 陳方 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)