發(fā)明涉及mems石英振梁加速度計閉環(huán)驅(qū)動技術(shù)，具體涉及一種石英振梁加速度計噪聲抑制電路。

背景技術(shù)：

1、石英振梁加速度計(quartz?vibrating?beam?accelerometer,qvba)是一種基于石英壓電效應制成的諧振式加速度計。在無加速度輸入時，由于激振電路使振梁作用在固有頻率上，這時振梁的固有頻率與石英本身的結(jié)構(gòu)、切型、尺寸有關(guān)。當存在加速度輸入時，質(zhì)量塊在力的作用下使其轉(zhuǎn)化為振梁的形變，能夠改變振梁的振動頻率。目前，石英振梁加速度計已經(jīng)在軍工、民用、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)有著巨大的需求與應用場景，今后隨著小型化、低成本、高精度的發(fā)展必將有著廣闊的應用市場。

2、近年來，隨著mems技術(shù)的不斷發(fā)展，加速度計的結(jié)構(gòu)與性能得到了進一步的完善，噪聲性能成為了影響加速度計精度的一項重要指標。由于外界環(huán)境變化、電源穩(wěn)定性等因素引入的電路噪聲會直接影響石英振梁加速度計的穩(wěn)定性、分辨率等指標。當噪聲對載波信號產(chǎn)生作用時，尤其是噪聲信號較弱情形下這一影響會使噪聲信號淹沒載波信號無法處理。目前對于振梁式加速度計噪聲抑制方法主要有：(1)通過工藝結(jié)構(gòu)設計改善qvba機械熱噪聲；(2)通過電路簡化，降低電路的復雜程度；(3)通過各種濾波方法和一些抑制諧波的電路設計濾除電路雜波；(4)通過調(diào)幅電路設計，降低驅(qū)動電壓；(5)通過斬波調(diào)制技術(shù)和采樣技術(shù)等噪聲處理方案，解決傳統(tǒng)方案無法濾除的低頻噪聲等干擾。

3、目前在驅(qū)動電路上運用廣泛的有基于cd4069反相器的閉環(huán)驅(qū)動電路、基于agc自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動電路和基于鎖相環(huán)(pll)的閉環(huán)驅(qū)動電路三種。以上三種閉環(huán)驅(qū)動電路均屬于串聯(lián)型驅(qū)動方式，由于驅(qū)動方案簡單，實驗室中使用最多的是基于cd4069反相器的閉環(huán)驅(qū)動電路。但由于反相器cd4069的輸出要求，驅(qū)動電壓高于3.3v且低頻噪聲對頻率的干擾無法處理，因此穩(wěn)定性較差?；赼gc自動增益控制的閉環(huán)驅(qū)動電路由于低壓驅(qū)動的優(yōu)點在一些精度要求不高的場合得到廣泛使用，但由于該結(jié)構(gòu)較為復雜，引入的額外的熱噪聲且依舊無法濾除低頻噪聲對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響?；阪i相環(huán)的閉環(huán)驅(qū)動電路由于其電路原理較為簡單且穩(wěn)定性較好在近些年得到了廣泛的使用，但其依舊無法處理其低頻噪聲對系統(tǒng)的影響且鎖相環(huán)和前級驅(qū)動電路匹配過程會引入其他外界干擾。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種石英振梁加速度計噪聲抑制電路，解決傳統(tǒng)串聯(lián)型(基于cd4069反相器的閉環(huán)串聯(lián)型振蕩電路)石英振梁加速度計的增益和噪聲之間無法平衡的問題，通過最低成本，提升qvba的零偏性能和噪聲性能。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，采用基于斬波-agc閉環(huán)振蕩電路使石英振梁實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動，包括：斬波放大器、agc自動控制增益模塊以及后繼放大器，振梁振動時產(chǎn)生的電信號經(jīng)斬波放大器放大并濾除低頻噪聲后，輸出降噪后的信號，降噪后的信號經(jīng)agc自動控制增益模塊穩(wěn)幅后由后繼放大器進行放大和相位補償，然后反饋至石英振梁加速度計表頭，形成穩(wěn)定的閉環(huán)驅(qū)動。

3、可選的，所述斬波放大器包括調(diào)制電路、兩級運算放大器、高通濾波電路、解調(diào)電路和第一低通濾波電路，振梁振動時產(chǎn)生的電信號經(jīng)調(diào)制電路處理，將電信號調(diào)制到高頻段，調(diào)制后的高頻信號經(jīng)兩級運算放大器放大后由高通濾波電路濾除系統(tǒng)的低頻噪聲，濾波后的信號通過解調(diào)電路將信號解調(diào)回振蕩頻率后經(jīng)第一低通濾波電路實現(xiàn)整個過程的降噪處理。

4、可選的，所述調(diào)制電路和解調(diào)電路采用adg1413四路模擬開關(guān)芯片u12，通過斬波信號控制模擬開關(guān)的通斷來實現(xiàn)將低頻輸入信號調(diào)制到高頻，當斬波信號大于1.5v時，四路模擬開關(guān)正向?qū)?，反向斷開；當斬波信號小于1.5v時，四路模擬開關(guān)反向?qū)?，正向斷開。

5、可選的，斬波信號的前半個周期調(diào)制后的信號取輸入信號，在斬波信號的后半個周期調(diào)制后的信號取輸入信號的反向信號；解調(diào)后得到的信號為含噪正弦信號，進一步通過第一低通濾波器的濾波處理，得到去噪后的信號。

6、可選的，斬波信號為stm32產(chǎn)生的方波信號。

7、可選的，所述兩級運算放大器包括c/v轉(zhuǎn)換電路和反相放大電路，c/v轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對調(diào)制后的高頻信號進行初步放大并提供180。的相移；反相放大電路對c/v轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進行二次放大，并對其相移進行180。的相位補償以滿足環(huán)路振蕩條件。

8、可選的，所述高通濾波電路采用二階巴特沃斯高通濾波電路。

9、可選的，所述第一低通濾波電路采用二階巴特沃斯低通濾波電路。

10、可選的，agc自動控制增益模塊包括可變增益放大器、全波整流電路、第二低通濾波電路和pi控制電路，斬波放大器輸出的降噪后的信號分別輸入可變增益放大器和全波整流電路，全波整理電路輸出信號經(jīng)第二低通濾波電路后輸入pi控制電路，pi控制電路輸出信號和可變增益放大器輸出信號一起輸入后繼放大器。

11、可選的，閉環(huán)振蕩電路采用正弦波自激振蕩方法，使得石英振梁加速度計在振蕩電路下實現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波振蕩。

12、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點為：(1)通過agc穩(wěn)幅電路調(diào)節(jié)qvba測量電路在低壓下進行驅(qū)動，有效的降低了電路噪聲；(2)通過斬波放大器的設計，相比于傳統(tǒng)的濾波電路，解決了低頻噪聲(1/f噪聲)難以濾除的問題。(3)在降噪方案上相比于自調(diào)零等去噪方案對低頻噪聲的濾除更為徹底且不引入額外的熱噪聲。(4)相比于小波閾值去噪算法等方式，硬件去噪方法在qvba系統(tǒng)的零偏和噪聲性能上更為明顯。

技術(shù)特征：

1.石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，采用基于斬波-agc閉環(huán)振蕩電路使石英振梁實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動，包括：斬波放大器、agc自動控制增益模塊以及后繼放大器，振梁振動時產(chǎn)生的電信號經(jīng)斬波放大器放大并濾除低頻噪聲后，輸出降噪后的信號，降噪后的信號經(jīng)agc自動控制增益模塊穩(wěn)幅后由后繼放大器進行放大和相位補償，然后反饋至石英振梁加速度計表頭，形成穩(wěn)定的閉環(huán)驅(qū)動。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，所述斬波放大器包括調(diào)制電路、兩級運算放大器、高通濾波電路、解調(diào)電路和第一低通濾波電路，振梁振動時產(chǎn)生的電信號經(jīng)調(diào)制電路處理，將電信號調(diào)制到高頻段，調(diào)制后的高頻信號經(jīng)兩級運算放大器放大后由高通濾波電路濾除系統(tǒng)的低頻噪聲，濾波后的信號通過解調(diào)電路將信號解調(diào)回振蕩頻率后經(jīng)第一低通濾波電路實現(xiàn)整個過程的降噪處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，所述調(diào)制電路和解調(diào)電路采用adg1413四路模擬開關(guān)芯片u12，通過斬波信號控制模擬開關(guān)的通斷來實現(xiàn)將低頻輸入信號調(diào)制到高頻，當斬波信號大于1.5v時，四路模擬開關(guān)正向?qū)?，反向斷開；當斬波信號小于1.5v時，四路模擬開關(guān)反向?qū)?，正向斷開。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，斬波信號的前半個周期調(diào)制后的信號取輸入信號，在斬波信號的后半個周期調(diào)制后的信號取輸入信號的反向信號；解調(diào)后得到的信號為帶有雜波的正弦信號，進一步通過第一低通濾波器的濾波處理，得到去噪后的信號。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，斬波信號為stm32產(chǎn)生的方波信號。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，所述兩級運算放大器包括c/v轉(zhuǎn)換電路和反相放大電路，c/v轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對調(diào)制后的高頻信號進行初步放大并提供180。的相移；反相放大電路對c/v轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進行二次放大，并對其相移進行180。的相位補償以滿足環(huán)路振蕩條件。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，所述高通濾波電路采用二階巴特沃斯高通濾波電路。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，所述第一低通濾波電路采用二階巴特沃斯低通濾波電路。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，agc自動控制增益模塊包括可變增益放大器、全波整流電路、第二低通濾波電路和pi控制電路，斬波放大器輸出的降噪后的信號分別輸入可變增益放大器和全波整流電路，全波整理電路輸出信號經(jīng)第二低通濾波電路后輸入pi控制電路，pi控制電路輸出信號和可變增益放大器輸出信號一起輸入后繼放大器。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計噪聲抑制電路，其特征在于，閉環(huán)振蕩電路采用正弦波自激振蕩方法，使得石英振梁加速度計在振蕩電路下實現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波振蕩。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種石英振梁加速度計噪聲抑制電路，采用基于斬波?AGC閉環(huán)振蕩電路使石英振梁實現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)動，包括：斬波放大器、AGC自動控制增益模塊以及后繼放大器，振梁振動時產(chǎn)生的電信號經(jīng)斬波放大器放大并濾除低頻噪聲后，輸出降噪后的信號，降噪后的信號經(jīng)AGC自動控制增益模塊穩(wěn)幅后由后繼放大器進行放大和相位補償，然后反饋至石英振梁加速度計表頭，形成穩(wěn)定的閉環(huán)驅(qū)動。本發(fā)明通過斬波調(diào)制技術(shù)將噪聲信號和輸入信號分別調(diào)制到不同頻段，通過濾波手段實現(xiàn)噪聲信號和輸入信號的分離，通過該方法可以有效提高QVBA系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性和噪聲性能。

技術(shù)研發(fā)人員：梁金星,胡嘉暉,張晗
受保護的技術(shù)使用者：東南大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17