CN102707088B - 微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分别用于微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该电路，由前置全差分电荷放大器2，高通滤波器3，二极管4，低通滤波器5，全差分放大电路6，相位补偿电路7，积分电路Ⅰ8，积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10，积分电路Ⅳ11，数字转换电路12，模拟开关13组成。本发明的有益效果是：闭环回路中的积分电路Ⅰ8，积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10，积分电路Ⅳ11与微机械加速度计一起构成六阶噪声整形滤波器，抑制系统噪声，提高信噪比SNR。
Description
技术领域
本发明涉及一种分别用于微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路（ΣΔΜ闭环控制电路），属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。
背景技术
微机械加速度计是一种重要的惯性传感器，与微机械陀螺结合实现的惯性仪表广泛的用于各种运动物体的姿态及位置信息监测。当外界有加速度信号加载到微机械加速度计上的时候，采用闭环控制的方式可以有效的将微机械加速度计的中心质量块拉回中心位置，防止过载，降低非线性度，同时还能提高系统的带宽和稳定性等。所以该领域一直是研究的重点和热点。传统的模拟闭环控制系统难以精确的控制反馈静电力的大小，并且容易导致质量块与检测电极之间相互吸附；而数字式闭环控制系统，特别是基于高阶ΣΔΜ调制器的闭环控制系统能够解决这些缺点，同时结合了高阶ΣΔΜ调制器噪声整形的特点，信号数字化输出，实现简单，稳定性好。1999年美国加州大学伯克利分校的Βernhard E.Βoser教授首先实现了三轴加速度计的低阶ΣΔΜ闭环控制系统；2004年还是美国加州大学伯克利分校的Βernhard E.Βoser教授提出了微机械加速度计的四阶ΣΔΜ闭环控制系统；2005年英国南安普顿大学Michael Kraft教授提出并实现了微机械加速度计的五阶ΣΔΜ闭环控制系统。但是以往的的微机械加速度计ΣΔΜ闭环控制系统的噪声整形阶数比较低，从而使得检测输出加速度信号的信噪比SNR较低，影响检测精度。
发明内容
为了克服现有技术中系统信噪比SNR比较低的问题，本发明提出了一种微机械加速度计的高阶连续低通ΣΔΜ闭环控制电路能够提高系统检测加速度信号的信噪比SNR，从而提高系统的精度。
参阅图1，本发明提出的微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路，由前置全差分电荷放大器2，高通滤波器3，二极管4，低通滤波器5，全差分放大电路6，相位补偿电路7，积分电路Ⅰ8，积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10，积分电路Ⅳ11，数字转换电路12，模拟开关13组成；载波信号Vc(t)加载到微机械加速度计1的中心质量块上，当由外界产生加速度信号的时候，微机械加速度计1检测电极的电容变化产生变化的电流信号i(t)经过频率为f1的载波信号Vc(t)调制到高频段，调制信号经过前置全差分电荷放大器2将电流信号转换为电压信号Vi(t)和Vi'(t)；Vi(t)和Vi'(t)经过高通滤波器3将低频干扰信号去除得到Vi2(t)和V′i2(t)，例如50Hz工频信号；高通滤波器3的截止频率fc1满足：fc1＜f1；Vi2(t)和V′i2(t)再经过由二极管4和低通滤波器5组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器5的截止频率fc2满足：fc2＜f1；解调和滤波后的信号进入增益为G1的全差分放大电路6对其做进一步的全差分放大得到Vi3(t)和V′i3(t)；相位补偿电路7对Vi3(t)和V′i3(t)进行一定的相位移动
，使得整个闭环控制回路的相移不等于2nπ，防止自激振荡；移相后得到信号Vi4(t)和V′i4(t)依次经过积分电路Ⅰ8，积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10和积分电路Ⅳ11得到Vi5(t)和V′i5(t)；再进入数字转换电路12，数字转换电路12包括比较器14和D触发器15，比较器14对Vi5(t)和V′i5(t)两路信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器15对b'(t)进行采样和量化;最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)用于控制模拟开关13将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计1的反馈电极上。
本发明的有益效果是：闭环回路中的积分电路Ⅰ8，积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10，积分电路Ⅳ11与微机械加速度计一起构成六阶噪声整形滤波器，抑制系统噪声，提高信噪比SNR。
附图说明
图1是本发明针对的微机械加速度计结构示意图
图2是本发明提出的微机械加速度计的高阶连续低通ΣΔΜ闭环控制电路示意图；
图3是实施例中微机械加速度计的高阶连续低通ΣΔΜ闭环控制电路示意图；
图中，1-微机械加速度计，2-前置全差分电荷放大器，3-高通滤波器，4-二极管，5-低通滤波器，6-全差分放大电路，7-相位补偿电路，8-积分电路Ⅰ，9-积分电路Ⅱ，10-积分电路Ⅲ，11-积分电路Ⅳ，12-数字转换电路，13-模拟开关，14-比较器，15-D触发器
具体实施方式
实施例一：
本实施例中微机械加速度计检测电极的中心电容C=3.43e-12F，检测梳齿个数为966，中心质量块的质量为m＝1.4×10-6Kg，反馈电极的中心电容C=1e-12F，反馈梳齿个数为72。
参阅图1、图2、图3，本实施例中提出的微机械加速度计的高阶低通ΣΔΜ闭环控制电路参阅图2，整个电路系统由前置全差分电荷放大器2，高通滤波器3，二极管4，低通滤波器5，全差分放大电路6，相位补偿电路7，积分电路Ⅰ8,积分电路Ⅱ9,积分电路Ⅲ10，积分电路Ⅳ11，数字转换电路12，模拟开关13组成；由于加速度的作用，微机械加速度计1的中心质量块在加速度信号方向上产生位移y(t)，导致检测电极电容变化，经过前置全差分电荷放大器2进行C/V转换得到Vi(t)和Vi'(t)，这里全差分式电荷放大器2的反馈电阻Rf＝100MΩ；一路电荷反馈电容Cf＝3pf；然后Vi(t)和Vi'(t)经过高通滤波器3将50Hz工频干扰信号滤除。高通滤波器3的截止频率fc1＝1MHz；滤除低频干扰信号之后得到Vi2(t)和V′i2(t)，Vi2(t)和V′i2(t)经过由二极管4和低通滤波器5组成解调电路进行解调和滤波，解调和滤波后的两路信号进入增益G1＝300的全差分放大电路6对其做进一步的全差分放大得到Vi3(t)和V′i3(t)；相位补偿电路7对Vi3(t)和V′i3(t)进行相位移动
，使得整个闭环控制回路的相移总和不等于2nπ，防止闭环回路自激振荡，提高系统的稳定性；移相后的信号Vi4(t)和V′i4(t)依次经过积分电路Ⅰ8,积分电路Ⅱ9,积分电路Ⅲ10和积分电路Ⅳ11；积分电路Ⅰ8,积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅲ10和积分电路Ⅳ11具有相同的结构，均包括串联的两个全差分运算放大器：积分电路Ⅰ8的第一个全差分运算放大器A1的正向和反向输出端分别通过电阻R1和R1'连接到其正向和反向输入端，同时通过R2和R'2连接到下一个全差分运算放大器A1'；A1的正向和反向输入端分别通过电阻R3和R3'连接到上一级的输入，即Vi4(t)和V′i4(t)，同时A1的正向和反向输入端均依次通过串联R4和R'4连接到内部反馈控制电压Vlf=2.5V；全差分运算放大器A1'的正向和反向输出端分别通过并联的R5和C1、并联的R5'和C1'连接到其输入正向端，A1'的正向和反向输入端连接到下一级的电路，也即积分电路Ⅱ9，积分电路Ⅱ9、积分电路Ⅲ10、积分电路Ⅳ11和积分电路Ⅰ8具有相同的原理和结构，积分电路Ⅳ11的输出信号为Vi5(t)和V′i5(t)再进入数字转换电路12，数字转换电路12包括比较器14和D触发器15，比较器13对Vi5(t)和V′i5(t)两路信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器14对b'(t)进行采样和量化，本实施例中采样信号fk(t)频率为32KHz;最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)用于控制模拟开关13将反馈电压Vfb=5V加载到微机械加速度计的反馈电极上。
Claims (1)
1.微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路，由前置全差分电荷放大器（2），高通滤波器（3），二极管（4），低通滤波器（5），全差分放大电路（6），相位补偿电路（7），积分电路Ⅰ（8），积分电路Ⅱ（9），积分电路Ⅲ（10），积分电路Ⅳ（11），数字转换电路（12），模拟开关（13）组成；载波信号Vc(t)加载到微机械加速度计（1）的中心质量块上，当由外界产生加速度信号的时候，微机械加速度计（1）检测电极的电容变化产生变化的电流信号i(t)经过频率为f1的载波信号Vc(t)调制到高频段，调制信号经过前置全差分电荷放大器（2）将电流信号转换为电压信号Vi(t)和Vi'(t)；Vi(t)和Vi'(t)经过高通滤波器（3）将低频干扰信号去除得到Vi2(t)和V′i2(t)；高通滤波器（3）的截止频率fc1满足：fc1＜f1；Vi2(t)和V′i2(t)再经过由二极管（4）和低通滤波器（5）组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器（5）的截止频率fc2满足：fc2＜f1；解调和滤波后的信号进入增益为G1的全差分放大电路（6）对其做进一步的全差分放大得到Vi3(t)和V′i3(t)；相位补偿电路（7）对Vi3(t)和V′i3(t)进行一定的相位移动
使得整个闭环控制回路的相移不等于2nπ，防止自激振荡；移相后得到信号Vi4(t)和V′i4(t)依次经过积分电路Ⅰ（8），积分电路Ⅱ（9），积分电路Ⅲ（10）和积分电路Ⅳ（11）得到Vi5(t)和V′i5(t)；再进入数字转换电路（12），数字转换电路（12）包括比较器（14）和D触发器（15），比较器（14）对Vi5(t)和V′i5(t)两路信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b'(t)，D触发器（15）对b'(t)进行采样和量化;最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)用于控制模拟开关（13）将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计（1）的反馈电极上。
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