CN103308720A - 微机械加速度计的3阶连续低通反馈型sigma-delta闭环控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微机械加速度计的3阶连续低通反馈型sigma-delta modulator（ΣΔΜ）闭环控制电路，属于加速度信号测量处理领域。该电路依次由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分器11，比较器12，D触发器13，模拟开关14组成。本发明的有益效果是：通过在前向通路中增加一个积分器，提升了微机械加速度计系统的噪声整形能力，提高了信噪比，减小了死区特性；同时，通过调节局部反馈的参数，可以更加精确地调节系统参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微机械加速度计的3阶连续低通反馈型sigma-delta(ΣΔΜ)闭环控制电路，属于加速度信号测量处理领域。
背景技术
微机械加速度计是一种典型惯性传感器，也是最早开始研究的微机电系统（MEMS）器件之一，与传统的加速度计相比，微机械加速度计具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性好等优点，因此已在军用和民用领域得到了大量应用。微机械加速度计的工作原理为：当外界加速度信号加载到微机械加速度计上，加速度计的中心质量块在加速度信号方向上产生与加速度信号大小成正比的位移，导致检测电容发生变化，通过测量检测电容变化量，可以计算出加速度信号的大小。为了实现加速度信号的精确测量，常采用闭环控制方法。闭环控制电路分为模拟闭环电路和数字闭环电路两种。模拟闭环电路由于模拟器件本身的特性，会不可避免的引入温漂，同时较大的加速度信号容易导致微机械加速度计的中心质量块吸附到电极上；而使用ΣΔΜ数字式闭环控制系统不仅可以有效地克服以上这些缺点，而且系统参数不易受外界因素影响，系统能够实现精确控制，因此微机械加速度计的ΣΔΜ数字式闭环控制系统一直是研究的重点和热点。
加州大学伯克利分校最先研制成功了一种微机械加速度计的2阶低通ΣΔΜ数字式闭环控制电路，其原理框图参照图3,加速度信号经过微机械加速度计1，产生的电信号流入电荷放大器5，然后信号依次经过全差分放大器9、相位补偿电路10、比较器12、D触发器13，输出脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关14将反馈控制电压Vfb加载到反馈控制电极上。由于微机械加速度计相当于一个2阶环节，因此整个闭环系统具备2阶噪声整形能力。不过该控制系统仍然存在一定的弊端：
由于微机械加速度计是机械结构，因此相对于电学二阶环节来说它的原点增益比较低，这就限制了微机械加速度计系统信噪比的提高；同时，微机械加速度计的2阶低通ΣΔΜ数字式闭环控制电路的死区特性也比较明显，导致较小的信号无法检测，从而限制了微机械加速度计的低通ΣΔΜ数字式闭环控制电路的应用范围。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路，系统不仅具备3阶噪声整形能力，而且能够有效地提高信噪比，减小死区影响。
参阅图2，微机械加速度计检测环节由公共可动电极2，固定电极Ⅰ3，固定电极Ⅱ4组成。当有加速度信号输入的时候，公共可动电极2在加速度方向上产生与加速度信号大小成正比的位移，导致检测电容C1、C2的电容量发生变化，从而引起电容上充放电电流发生变化，产生变化的电流信号。
参阅图4，本发明提出的微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路，由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分器11，比较器12，D触发器13，模拟开关14组成。当有外界加速度信号a(t)输入时，微机械加速度计中心质量块产生位移，检测电容C1、C2发生变化，频率为f幅值为A的载波Vc(t)加载到电容C1、C2上产生变化的两路电流信号i(t)和i'(t)；然后i(t)和i'(t)经过电荷放大器5，转换变为两路电压信号V1(t)和V1'(t)；之后V1(t)和V1'(t)进入高通滤波器6，滤除掉低频干扰信号，其中高通滤波器6的截止频率fc1满足：fc1＜f；滤波后的信号经过二极管7进行解调，再经过低通滤波器8滤波得到V2(t)和V2'(t)，其中低通滤波器8的截止频率fc2满足：fc2＜f；解调和滤波后的信号V2(t)和V2'(t)进入全差分放大器9对进行差分放大，得到两路差分电压信号V3(t)和V3'(t)；之后V3(t)和V3'(t)进入相位补偿电路10移相得到V4(t)和V4'(t)，相位补偿电路能够使系统具备足够的相位裕度，从而保证系统的稳定性；移相后的信号V4(t)和V4'(t)经过积分器11得到V5(t)和V5'(t)；然后V5(t)和V5'(t)进入比较器12对两路全差分信号进行比较，输出一路高低电平的数字比较信号b'(t)；然后b'(t)进入D触发器13，进行采样（采样频率为fS）与量化，得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)；b(t)反馈回积分器11的输入端，形成局部反馈，调节系统参数；最后脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关14将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计1的反馈电容上，形成闭环控制。
本发明的有益效果是：通过在微机械加速度计等效二阶环节的基础上增加一个积分环节，增加了前向通路上信号处理环节的阶数，这样不仅能够提升微机械加速度计系统的噪声整形能力，提高信噪比，而且能够有效减小微机械加速度计系统的死区特性；另外，微机械加速度计系统增加了局部反馈，可以增加系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明所使用的微机械加速度计结构示意图
图2是本发明所使用的微机械加速度计检测部分等效电学模型示意图
图3是现有技术中加州大学伯克利分校提出的2阶连续低通ΣΔΜ闭环控制电路示意图；
图4是本发明提出的微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路方框图；
图5是实施例中微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路示意图；
图中，1-微机械加速度计，2-公共可动电极，3-固定电极Ⅰ，4-固定电极Ⅱ，5-电荷放大器，6-高通滤波器，7-二极管，8-低通滤波器，9-全差分放大器，10-相位补偿电路，11-积分器，12-比较器，13-D触发器，14-模拟开关
具体实施方式
本实施例中微机械加速度计的中心质量块的质量为m＝3×10-6Kg，阻尼系数b＝8.2×10-3N×s/m,梁的刚度为k＝50N/m,谐振频率650Hz,带宽1000Hz。微机械加速度计检测梳齿的中心电容35pF，电容变化量在fF量级。
本实施例中提出的微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路参阅图4，整个电路系统由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分器11，比较器12，D触发器13，模拟开关14组成。当有外界加速度信号a(t)输入时，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)，导致检测电容C1、C2发生变化，载波加载到电容上形成的充放电电流发生变化，产生变化的电流信号i1(t)和i2(t)；电流信号经过幅值为A＝2V频率为f＝4.39×105Hz的高频载波调制，再经过电荷放大器5，形成两路全差分电压信号V1(t)和V'1(t)，其频率等于高频载波频率f；然后V1(t)和V'1(t)经过高通滤波器6进行滤波，滤除掉低频干扰信号，其中高通滤波器6的截止频率fc1＝1×105Hz；滤波后的信号经过二极管7进行解调，再经过低通滤波器8进行滤波得到两路低频电压信号V2(t)和V2'(t)，其中低通滤波器8的截止频率fc2＝3×103Hz，低频电压信号V2(t)和V2'(t)的频率等于输入信号频率；然后V2(t)和V2'(t)进入全差分放大器9做进一步的全差分放大，得到两路全差分的电压信号V3(t)和V3'(t)，其中全差分放大器9的增益G=25；两路全差分电压信号V3(t)和V3'(t)再经过相位补偿器10进行相位超前补偿得到V4(t)和V4'(t)，其中相位补偿器10能够提供的最大相位超前角
然后V4(t)和V4'(t)经过积分器11得到两路电压信号V5(t)和V5'(t)；接着V5(t)和V5'(t)进入比较器12进行比较，形成一路高低电平的数字比较信号b'(t)；数字比较信号b'(t)经过D触发器13，进行采样与量化，得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)，其中D触发器13的采样频率fS＝30000Hz；然后b(t)反馈回积分器11的输入端，形成局部的负反馈；最后脉宽调制数字信号b(t)控制模拟开关14将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计1的反馈电容上，形成闭环系统。
Claims (1)
1.微机械加速度计的3阶连续低通反馈型ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于：由电荷放大器（5），高通滤波器（6），二极管（7），低通滤波器（8），全差分放大器（9），相位补偿电路（10），积分器（11），比较器（12），D触发器（13），模拟开关（14）组成。当有外界加速度信号a(t)输入时，微机械加速度计中心质量块产生位移，检测电容C1、C2发生变化，频率为f幅值为A的载波Vc(t)加载到电容C1、C2上产生变化的两路电流信号i(t)和i'(t)；然后i(t)和i'(t)经过电荷放大器（5），转换变为两路电压信号V1(t)和V1'(t)；之后V1(t)和V1'(t)进入高通滤波器（6），滤除掉低频干扰信号，其中高通滤波器（6）的截止频率fc1满足：fc1＜f；滤波后的信号经过二极管（7）进行解调，再经过低通滤波器（8）滤波得到V2(t)和V2'(t)，其中低通滤波器8）的截止频率fc2满足：fc2＜f；解调和滤波后的信号V2(t)和V2'(t)进入全差分放大器9）对进行差分放大，得到两路差分电压信号V3(t)和V3'(t)；之后V3(t)和V3'(t)进入相位补偿电路（10）移相得到V4(t)和V4'(t)，相位补偿电路能够使系统具备足够的相位裕度，从而保证系统的稳定性；移相后的信号V4(t)和V4'(t)经过积分器（11）得到V5(t)和V5'(t)；然后V5(t)和V5'(t)进入比较器（12）对两路全差分信号进行比较，输出一路高低电平的数字比较信号b'(t)；然后b'(t)进入D触发器（13），进行频率为fS的采样与量化，得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)；b(t)反馈回积分器（11）的输入端，形成局部反馈，调节系统参数；最后脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关（14）将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计（1）的反馈电容上，形成闭环控制。
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| CN (1) | CN103308720A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103986472A (zh) * | 2014-05-12 | 2014-08-13 | 北京金禾天晟高新技术有限责任公司 | 微机械加速度计的多级噪声整形σδμ闭环控制电路和方法 |
| CN104833823A (zh) * | 2015-05-22 | 2015-08-12 | 电子科技大学 | 电容式微机械加速度计动态性能改善系统和方法 |
| CN105045960A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-11-11 | 浪潮电子信息产业股份有限公司 | 一种高速差分信号线等长匹配的设计方法 |
| CN105699694A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-06-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 基于fpga的微机电混合σδm加速度计闭环检测电路系统 |
| GB2560189A (en) * | 2017-03-03 | 2018-09-05 | Suunto Oy | Seismocardiography |
| US10779770B2 (en) | 2017-03-03 | 2020-09-22 | Suunto Oy | Seismocardiography |
| CN114964447A (zh) * | 2021-02-26 | 2022-08-30 | 精工爱普生株式会社 | 测量方法、测量装置、测量系统以及存储介质 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6101864A (en) * | 1997-12-17 | 2000-08-15 | I/O Sensors, Inc. | Method and apparatus for generation of test bitstreams and testing of close loop transducers |
| CN101860338A (zh) * | 2010-06-03 | 2010-10-13 | 西北工业大学 | 一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路 |
| CN102621884A (zh) * | 2012-01-12 | 2012-08-01 | 西北工业大学 | MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路 |
| CN102707088A (zh) * | 2012-05-28 | 2012-10-03 | 西北工业大学 | 微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路 |
-
2013
- 2013-06-04 CN CN201310219074XA patent/CN103308720A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6101864A (en) * | 1997-12-17 | 2000-08-15 | I/O Sensors, Inc. | Method and apparatus for generation of test bitstreams and testing of close loop transducers |
| CN101860338A (zh) * | 2010-06-03 | 2010-10-13 | 西北工业大学 | 一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路 |
| CN102621884A (zh) * | 2012-01-12 | 2012-08-01 | 西北工业大学 | MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路 |
| CN102707088A (zh) * | 2012-05-28 | 2012-10-03 | 西北工业大学 | 微机械加速度计的高阶连续低通sigma-delta闭环控制电路 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 詹陈长等: "一种低功耗高精度Sigma－Delta调制器", 《固体电子学研究与进展》 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103986472A (zh) * | 2014-05-12 | 2014-08-13 | 北京金禾天晟高新技术有限责任公司 | 微机械加速度计的多级噪声整形σδμ闭环控制电路和方法 |
| CN103986472B (zh) * | 2014-05-12 | 2017-01-18 | 北京金禾天晟高新技术有限责任公司 | 微机械加速度计的多级噪声整形σδμ闭环控制电路和方法 |
| CN104833823A (zh) * | 2015-05-22 | 2015-08-12 | 电子科技大学 | 电容式微机械加速度计动态性能改善系统和方法 |
| CN104833823B (zh) * | 2015-05-22 | 2017-11-03 | 电子科技大学 | 电容式微机械加速度计动态性能改善系统和方法 |
| CN105045960A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-11-11 | 浪潮电子信息产业股份有限公司 | 一种高速差分信号线等长匹配的设计方法 |
| CN105699694A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-06-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 基于fpga的微机电混合σδm加速度计闭环检测电路系统 |
| GB2560189A (en) * | 2017-03-03 | 2018-09-05 | Suunto Oy | Seismocardiography |
| GB2560189B (en) * | 2017-03-03 | 2020-09-09 | Suunto Oy | Seismocardiography |
| US10779770B2 (en) | 2017-03-03 | 2020-09-22 | Suunto Oy | Seismocardiography |
| CN114964447A (zh) * | 2021-02-26 | 2022-08-30 | 精工爱普生株式会社 | 测量方法、测量装置、测量系统以及存储介质 |
| CN114964447B (zh) * | 2021-02-26 | 2024-01-02 | 精工爱普生株式会社 | 测量方法、测量装置、测量系统以及存储介质 |
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