CN102494759B - 一种差容式微振动传感器接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差容式微振动传感器检接口电路，由电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件组成，其中接口电路为单电源供电，内部采用二极管D₁，D₂和两个电容C₄，C₅生成负电源给内部器件供电，方波激励信号由RC晶振芯片产生，经过电阻R_s1后，分成两路信号分别经过电容C_n1和C_n2对敏感电容C_s1和C_s2进行充放电，由C-V转换电路将差分电容ΔC线性转换成单电压信号V_sense，再经过放大滤波后输出，本发明原理简单，无大规模集成芯片，成本低廉且易于实现小型化和低功耗；设计灵活，可以分别进行温度补偿，零位调整，正负灵敏度调整等；对差容式微振动传感器产生的微弱信号检测精度高，噪声水平低，稳定性好。

Description

一种差容式微振动传感器接口电路

技术领域

本发明涉及一种差容式微振动传感器接口电路，属于微弱信号检测技术领域。

背景技术

振动传感器在海陆空天飞行器的惯性导航，对地观测，深空探测，以及高技术武器的精确制导中一直发挥着重要作用，在新一代的航天型号任务中，对高精度高可靠的微振动传感器有着迫切的需求。

电容式振动传感器因其在测量精度，温度特性，低功耗，宽动态响应范围及结构简单等特点，近年来格外受到重视，尤其在μg级高精度微振动应用领域，更是得到广泛的应用。电容式传感器的敏感信号是电容，其原理一般是由敏感质量块和衬底之间形成一个平行板电容器，当被测基体发生振动时，敏感质量块与传感器壳体会产生一个相对位移，引起敏感电容两极板的正对面积或间距发生变化，从而导致电容值发生变化，通过接口电路检测电容变化并向外界输出敏感轴方向上的振动信号的模拟或数字信号。

对于差容式微振动传感器，其接口电路必须有足够高的灵敏度和稳定性以检测微小电容的变化，同时必须具备良好灵活性，可以微振动传感器普遍存在的零偏，正负灵敏度不对称，温漂等问题进行电路补偿。目前公开的大部分差分电容检测方面的专利，如专利号为200710139662.7，200810055943.9，200910072974.X和201010512682.6等专利，均不能同时满足精度、稳定性和灵活性的要求，难以应用在精度和可靠性要求很高的军用微振动传感器的差分电容检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种差容式微振动传感器的接口电路，该电路具有很高的检测精度，而且电路原理简单，稳定性好，灵活性好，成本低廉，可以应用于高可靠性要求的军用高精度微振动传感器的差分电容检测。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种差容式微振动传感器接口电路，包括电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件，其中：

电源稳压电路：将外部电源输入的V_in转换成稳定的正电源V_p，分别给方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源V_n为放大滤波电路供电，实现双电源供电；

方波激励电路：产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路；

C-V转换电路：接收方波激励电路输入的方波激励信号和微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将所述方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板和下固定极板上，对敏感电容C_s1和C_s2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板与C-V转换电路共地连接；将所述差分电容信号转换成单电压信号V_sense输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻R_v1、R_v2和电容C_n3、C_f1、C_f2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整；

放大滤波电路：接收C-V转换电路输入的电压信号V_sense，并对输入的电压信号V_sense进行放大、滤波处理，并输出电压V_out，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿；

微振动传感器敏感元件：将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V转换电路。

在上述差容式微振动传感器接口电路中，电源稳压电路采用由两个二极管D₆和D₇，两个电容C₄和C₅组成的电路产生负电源V_n，其中电容C₄的一端接方波激励电路产生的方波激励信号，另一端与二极管D₆的负端和D₇的正端连接在一起，电容C₅的一端和D₇的负端同时接地，电容C₅的另一端和二极管D₆的正端连接。

在上述差容式微振动传感器接口电路中，C-V转换电路接收的差分电容信号经过由二极管D₁、D₂、D₃和D₄，电容C_f1、C_f2和C_n3，电阻R_V1和R_V2形成的环形网络线性转换成单电压信号V_sense，其中二极管D₁的负端和二极管D₂的正端与上固定极板连接，电容C_f1的两端分别连接二极管D₁的正端和二极管D₂的负端，其中与二极管D₁正端连接的一端接地；二极管D₃的负端和二极管D₄的正端通过电容C_n3与下固定极板连接，电容C_f2的两端分别连接二极管D₃的正端和二极管D₄的负端，其中与二极管D₃正端连接的一端接地；电阻R_V1的一端连接电容C_f1和二极管D₂的负端，另一端与电阻R_V2的一端形成公共端输出单电压信号V_sensee，电阻R_V2的另一端则连接电容C_f2和二极管D₃的正端。

在上述差容式微振动传感器接口电路中，放大滤波电路由集成双运放U_3A和U_3B，电阻R₅～R₁₂，电容C₇～C₁₀组成，其中集成双运放U_3A和U_3B的正负电源分别由电源稳压电路输出电压的V_p和V_n供电；C-V转换电路的输出电压V_sense经电阻R₅后接入到U_3A的反相端，U_3A的同相端接地，U_3A的反相端与U_3A的输出端通过电阻R₈和电容C₈并联支路连接；U_3A的输出端经过由电阻R₆和电容C₇构成的RC低通滤波电路后，接入到U_3B的反相端，U_3B的反相端通过电容C₇接地，U_3B的同相端接地，U_3B的反相端与U_3B的输出端通过电阻R₉和电容C₉并联支路连接，U_3B的输出端经过由电阻R₇和电容C₁₀构成的第二级滤波电路后输出电压V_out；电阻R₁₀，R₁₁和R₁₂构成T型电阻网络，电阻R₁₁的一端接正电源V_p，电阻R₁₂的一端接地，电阻R₁₀的一端接到U_3A的反向端或U_3B的反向端，分别对微振动传感器的正零偏和负零偏进行补偿。

在上述差容式微振动传感器接口电路中，方波激励电路采用RC晶振芯片U₂，所述RC晶振芯片U₂的Cs使能端通过上拉电阻R₄接正电源V_P，RC晶振芯片U₂的输出端5脚通过反馈电阻R₃与RC晶振芯片U₂的反馈端1脚连接，RC晶振芯片U₂的反馈端1脚通过电解电容C₆接地。

在上述差容式微振动传感器接口电路中，RC晶振芯片U₂的输出频率由反馈电阻R₃和电解电容C₆决定，其计算公式如下：

$f=\frac{1}{k_1{R}_3{C}_6}\left(\mathrm{Hz}\right)$

其中k₁为频率系数。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

①本发明对电容检测接口电路的电源部分进行了创新性的设计，整个电路只需外部单电源输入，采用直流电源调节芯片输出稳定的正电源V_p，内部利用二极管和电容的简单组合方式，无需采用额外的电源芯片，便可实现对内部器件进行正负双电源供电，简化了电路设计，降低了功耗需求，可靠性高；

②本发明采用方波信号对敏感电容进行激励，采用RC晶振芯片输出稳定性好，温漂系数低的方波信号，方波信号的输出频率由外接电阻R₃和电容C₆决定，根据被测传感器的不同可以灵活调整；

③本发明采用由二极管、电阻和电容等简单器件组成的电路进行C-V转换，将方波信号分成两路同源激励信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上下固定极板上，对两个敏感电容C_s1和C_s2进行充放电，有效的消除了传统双源信号激励方式存在的电源波动对测量精度的影响，提高了检测精度，C-V转换电路与微振动传感器的中间极板共地连接，有效提高了电路的抗干扰能力；

④本发明C-V转换电路原理简单灵活，可以通过匹配电阻R_v1，R_v2和电容C_n3，对微振动传感器的正负灵敏度进行调整；

⑤本发明中采用集成双运放实现对微弱信号的两级放大滤波，通过匹配电阻R₁₁和R₁₂可以对微振动传感器的零偏和温漂进行补偿；

⑥本发明中采用的器件和芯片功能简单，成本低廉，高等级芯片的可获得性好，适用于军用微振动传感器的差分电容检测。

附图说明

图1为本发明差容式微振动传感器接口电路的原理框图；

图2为本发明电源稳压电路原理图；

图3为本发明方波激励电路原理图；

图4为本发明C-V转换电路原理图；

图5为本发明放大滤波电路原理图；

图6为本发明接口电路差分电容输入与电压输出的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例给出了详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为本发明差容式微振动传感器接口电路的原理框图，由图可知该接口电路电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件，其中电源稳压电路将外部电源输入的V_in转换成稳定的正电源V_p，分别给方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源V_n为放大滤波电路供电，实现双电源供电；方波激励电路产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路。

C-V转换电路接收方波激励电路输入的方波激励信号，将方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板7和下固定极板8上，对敏感电容C_s1和C_s2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板6与C-V转换电路共地连接；接收微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将差分电容信号转换成单电压信号V_sense输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻R_v1、R_v2和电容C_n3、C_f1、C_f2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整。

放大滤波电路接收C-V转换电路输入的电压信号V_sense，并对输入的电压信号V_sense进行放大、滤波处理，并输出电压V_out，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿。微振动传感器敏感元件将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V转换电路。

如图2所示为本发明电源稳压电路的原理图，本发明中采用单电源供电，内部采用直流电源调节芯片输出稳定的正电源Vp，本实施例中电源调节芯片U₁采用Micrel公司的直流电源调节芯片MIC2951，外部单电源输入V_in接U₁的输入端，U₁输出端V_out通过电阻R₁连接U₁的反馈端FB，U₁的反馈端FB通过电阻R₂接地。U₁输出端V_out的输出电压V_P与电阻R₁和电阻R₂的阻值相关，计算公式如下：

$V_p+V_{\mathrm{ref}}\·(1+\frac{R_1}{R_2})+I_{\mathrm{FB}}{R}_1$

式中V_ref为芯片的名义参考电压，本实施例中为1.235V，I_FB为U₁反馈端FB的偏置电流，本实施例中为-20nA。根据所述计算公式可知，V_P的输出电压可实现1.24～29V可调。本实施例中，最大电流可达150mA，温度特性为20ppm/℃，噪声水平仅为430μV。

电源稳压部分为单电源供电，但为实现对振动传感器输出信号的测量，放大滤波电路需用双电源供电，正电源即用U₁的输出电压V_P进行供电，负电源由两个二极管D₆，D₇和两个电容C₄，C₅搭建，如图2所示，电容C₄的一端接方波激励电路2产生的方波激励信号，另一端与二极管D₆的负端和D₇的正端连接在一起。电容C₅的一端和D₇的负端同时接地，电容C₅的另一端和二极管D₆的正端连接。当方波激励信号的变化周期远小于电容C₅的放电时间常数时，则在电容C₅与二极管D₆连接的一端聚集负电荷，形成负电压_Vn，其负载能力与电容C₅的容值大小相关。

如图3所示为本发明方波激励电路原理图，方波激励电路采用RC晶振芯片U₂，本实施例中采用MIC1557，输出稳定性可达＜0.055％/V，温漂系数为0.005％/℃，功耗仅200uA。如图3所示，晶振芯片U₂由电源稳压电路1的输出正电源V_P直接供电，U₂的Cs使能端通过上拉电阻R₄接正电源V_P，U₂的输出端5脚通过反馈电阻R₃与U₂的反馈端1脚连接，U₂的反馈端1脚通过电解电容C₆接地。晶振芯片U₂的输出频率由外接电阻R₃和电容C₆决定，其计算公式如下：

$f=\frac{1}{k_1{R}_3{C}_6}\left(\mathrm{Hz}\right)$

式中，k₁为频率系数，具体数值由芯片厂家提供。本实例中，输出方波信号的频率为1MHz。

如图4所示为本发明C-V转换电路原理图，C-V转换电路采用环形二极管式结构，如图4所示。其中电容C_s1为差容式微振动传感器敏感元件的中间移动极板6与上固定极板7形成的敏感电容，电容C_s2为差容式微振动传感器敏感元件的中间移动极板6与下固定极板8形成的敏感电容，在微振动传感器敏感元件中，中间移动极板6通过壳体接地。在测量过程中，微振动传感器敏感元件的中间移动极板随被测物体的振动而产生上下移动，导致两个敏感电容C_s1和C_s2的产生差分变化。本发明C-V转换电路即对两个敏感电容的差值ΔC＝C_s1-C_s2进行C-V转换，达到振动测量的目的。

如图4所示，二极管D₁的负端和二极管D₂的正端与上固定极板7连接，电容C_f1的两端分别连接二极管D₁的正端和二极管D₂的负端，其中与二极管D₁正端连接的一端接地。二极管D₃的负端和二极管D₄的正端通过电容C_n3与下固定极板8连接，电容C_f2的两端分别连接二极管D₃的正端和二极管D₄的负端，其中与二极管D₃正端连接的一端接地。方波激励电路产生的方波激励信号经过低阻值电阻R_s1后，分成两路信号经过容值与敏感电容相当的等值电容C_n1和C_n2后，分别对敏感电容C_s1和C_s2进行充放电。电容C_f1和C_f2的电容值相等，且放电时间常数远大于方波信号的周期。当方波激励信号为高电平时，方波信号经过电容C_n1和二极管D₂给电容C_f1正向充电，在A点形成正电平V_A，敏感电容C_s1越小，V_A越大。当方波激励信号为0电平时，方波信号经过电容C_n2、大电容C_n3和二极管D₃给电容C_f2负向充电，在B点形成负电平V_B，敏感电容C_s2越大，V_A越小。A点和B点之间通过电阻R_V1和R_V2连接，电阻R_V1和电阻R_V2的公共端为C-V转换电路的输出端V_sense，为放大滤波电路的输入电压信号，电阻R_V1和电阻R_V2的阻值相等，且远小于放大滤波电路的输入阻抗，因此C-V转换电路的输出电压V_sense＝(V_A+V_B)/2。当两个敏感电容相等时，即C_s1＝C_s2，输出电压V_sense＝0，当两个敏感电容不相等时，即C_s1≠C_s2，输出电压V_sense正比于差分电容C_s2-C_s1，这样就完成了C-V的线性转换。

如图5所示为本发明放大滤波电路原理图，放大滤波电路由集成双运放U_3A和U_3B，电阻R₅～R₁₂，电容C₇～C₁₀组成。集成双运放U_3A和U_3B的正负电源分别由电源稳压电路输出电压的V_p和V_n供电。C-V转换电路的输出电压V_sense经电阻R₅后接入到U_3A的反相端，U_3A的同相端接地，U_3A的反相端与U_3A的输出端通过电阻R₈和电容C₈并联支路连接。U_3A的输出端经过由电阻R₆和电容C₇构成的RC低通滤波电路后，接入到U_3B的反相端，U_3B的反相端通过电容C₇接地，U_3B的同相端接地，U_3B的反相端与U_3B的输出端通过电阻R₉和电容C₉并联支路连接，U_3B的输出端经过由电阻R₇和电容C₁₀构成的第二级滤波电路后输出电压V_out。电阻R_10’R₁₁和R₁₂构成如图5所示的T型电阻网络，电阻R₁₁的一端接正电源V_p，电阻R₁₂的一端接地，电阻R₁₀的一端可以接到U_3A的反向端或U_3B的反向端，分别对微振动传感器的正零偏和负零偏进行补偿。

本实例中的接口电路连接针对某型号所用的满量程为±3g，分辨率为15μg的差容式微振动传感器，接口电路的输出电压V_out和微振动传感器差分电容ΔC的关系曲线如图6所示，转换关系为-0.5V/pF，线性度为0.1％，接口电路的输出噪声在传感器的测量频带内(0～150Hz)小于2μV。

尽管已经详细说明和描述了本发明的优选实施例，但在不脱离本发明的精神或所附的权利要求范围的情况下，可以做出各种修改，这对本领域的工程技术人员是很显然的。例如，改变反馈电阻的阻值，以调整接口电路的放大倍数以满足工程需要。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：包括电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件，其中：

电源稳压电路：将外部电源输入的V_in转换成稳定的正电源V_p，分别给方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电，同时接收方波激励电路产生的方波激励信号，产生负电源V_n为放大滤波电路供电，实现双电源供电；

方波激励电路：产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路；

C-V转换电路：接收方波激励电路输入的方波激励信号和微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号，将所述方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板(7)和下固定极板(8)上，对敏感电容C_s1和C_s2进行充放电，微振动传感器敏感元件的中间移动极板(6)与C-V转换电路共地连接；将所述差分电容信号转换成单电压信号V_sense输出给放大滤波电路，并通过匹配电阻R_v1、R_v2和电容C_n3、C_f1、C_f2，对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整；

放大滤波电路：接收C-V转换电路输入的单电压信号V_sense，并对输入的单电压信号V_sense进行放大、滤波处理，并输出电压V_out，同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿；

微振动传感器敏感元件：将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V转换电路。

2.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：所述电源稳压电路采用由两个二极管D₆和D₇，两个电容C₄和C₅组成的电路产生负电源V_n，其中电容C₄的一端接方波激励电路产生的方波激励信号，另一端与二极管D₆的负端和D₇的正端连接在一起，电容C₅的一端和D₇的负端同时接地，电容C₅的另一端和二极管D₆的正端连接。

3.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：所述C-V转换电路接收的差分电容信号经过由二极管D₁、D₂、D₃和D₄，电容C_f1、C_f2和C_n3，电阻R_V1和R_V2形成的环形网络线性转换成单电压信号V_sense，其中二极管D₁的负端和二极管D₂的正端与上固定极板(7)连接，电容C_f1的两端分别连接二极管D₁的正端和二极管D₂的负端，其中与二极管D₁正端连接的一端接地；二极管D₃的负端和二极管D₄的正端通过电容C_n3与下固定极板(8)连接，电容C_f2的两端分别连接二极管D₃的正端和二极管D₄的负端，其中与二极管D₃正端连接的一端接地；电阻R_V1的一端连接电容C_f1和二极管D₂的负端，另一端与电阻R_V2的一端形成公共端输出单电压信号V_sense，电阻R_V2的另一端则连接电容C_f2和二极管D₃的正端。

4.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：所述放大滤波电路由集成双运放U_3A和U_3B，电阻R₅～R₁₂，电容C₇～C₁₀组成，其中集成双运放U_3A和U_3B的正负电源分别由电源稳压电路输出电压的V_p和V_n供电；C-V转换电路的输出电压V_sense经电阻R₅后接入到U_3A的反相端，U_3A的同相端接地，U_3A的反相端与U_3A的输出端通过电阻R₈和电容C₈并联支路连接；U_3A的输出端经过由电阻R₆和电容C₇构成的RC低通滤波电路后，接入到U_3B的反相端，U_3B的反相端通过电容C₇接地，U_3B的同相端接地，U_3B的反相端与U_3B的输出端通过电阻R₉和电容C₉并联支路连接，U_3B的输出端经过由电阻R₇和电容C₁₀构成的第二级滤波电路后输出电压V_out；电阻R₁₀，R₁₁和R₁₂构成T型电阻网络，电阻R₁₁的一端接正电源V_p，电阻R₁₂的一端接地，电阻R₁₀的一端接到U_3A的反向端或U_3B的反向端，分别对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿。

5.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：所述方波激励电路采用RC晶振芯片U₂，所述RC晶振芯片U₂的Cs使能端通过上拉电阻R₄接正电源V_P，RC晶振芯片U₂的输出端5脚通过反馈电阻R₃与RC晶振芯片U₂的反馈端1脚连接，RC晶振芯片U₂的反馈端1脚通过电解电容C₆接地。

6.根据权利要求5所述的一种差容式微振动传感器接口电路，其特征在于：所述RC晶振芯片U₂的输出频率由反馈电阻R₃和电解电容C₆决定，其计算公式如下：

$f=\frac{1}{k_1{R}_3{C}_6}---\left(\mathrm{Hz}\right)$

其中k₁为频率系数。

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