CN103401538A - 一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，包括微弱信号放大电路、滤波积分电路、电流模可控振荡器和数字微分电路。微弱信号放大电路的输入端和输出端分别与加速度传感器和滤波积分电路连接，以放大采集的微弱信号；滤波积分电路的输入端和输出端分别与微弱信号放大电路和电流模可控振荡器连接，以放大积分信号误差；电流模可控振荡器的输入端和输出端分别与滤波积分电路和数字微分电路连接，以相位积分系统输出信号；数字微分电路的输入端和输出端分别与电流模可控振荡器和加速度传感器连接，以输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器的反馈输入端。该电路不仅处理信号精度高，而且结构简单，使用效果好。

Description

一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路

技术领域

本发明涉及加速度传感器信号处理技术领域，特别是一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路。

背景技术

随着加速度传感系统对处理传感器输出信号电路芯片的精度要求越来越高，加速度传感器信号处理芯片成为工业界研究的热点。

分辨率，线性度是微惯性传感器的最主要性能指标。分辨率表征传感器所能分辨的输入信号最小值，受限于传感器所能分辨的输入信号的最小值，受限于传感器的机械热噪声和ASIC电路噪声，导航等高端应用需要微加速度计具有亚微g的分辨率。线性度表征传感器在输入范围内输出信号精确反映输入的能力，ASIC电路可以达到很高的线性度，因此微惯性传感器系统的线性度主要受MEMS器件限制。

根据静电力反馈形式的不同，闭环检测方法可以分为模拟静电力反馈和数字静电力反馈两大类。传统模拟力反馈方法对MEMS器件匹配性要求高，MEMS的器件失配对系统线性度影响严重。数字力反馈具有直接数字输出，线性度好的优点，通常采用DELTA-SIGMA调制方式进行反馈信号的脉冲密度调制，近年来大量应用于微加速度计的闭环检测中 ，并已有研究达到亚的分辨率。但是数字DELTA-SIGMA闭环检测系统结构复杂，反馈控制速度较慢，应用于高灵敏度，高Q值MEMS器件时，稳定性差，补偿设计困难；而且容易过载，通常需要增加额外的模拟力反馈启动模式。

模拟力反馈闭环检测系统具有结构简单，反馈控制迅速，闭环稳定性好等特点，适用于高灵敏度，高Q微传感器件。如果能够解决线性度差的潜在问题，将极有可能配合MEMS器件实现高性能指标，满足高端惯性测量需求。其主要方法为直接反馈电压模拟量和对反馈电压进行脉宽调制。在直接反馈电压模拟量中，传感器的不匹配导致电-力转换环节的二次非线性显著增大。在存在百分之几的器件失配情况下，传统模拟力反馈闭环检测方法难以确保微惯性传感器满足高端导航应用。在脉宽调制中，MEMS结构的失配将表现在两个方向上加力大小的不对称（力固定），结构失配最终表现为输出失调，而不是非线性，即有利于避免控制反馈电压的大小非线性大的缺点，同时保留其结构相对简单，反馈迅速，稳定性好的优点。但此种方法由于脉宽调制信号的频率为一个具有较高固定频率的调制信号，所以在输出的脉宽调制信号频谱中会具有一个与调制信号频率一致且能量相当成分；同时，由于调制信号的频率不是一个单一的频率而是还具有谐波频率，所以在输出的脉宽调制信号频谱中还存在多个由调制信号引起的谐波分量 。而惯性传感器的寄生电容只能滤除其能量的一部分，这样输出信号将会在电路系统中产生电磁干扰的现象，使得整个系统电路的功耗增加同时影响惯性传感器的精度表现。所以，以上因素给高精度系统电路的设计提出了挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，该电路不仅处理信号精度高，而且结构简单，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，包括：

微弱信号放大电路，所述微弱信号放大电路的输入端与加速度传感器的输出端相连接，输出端与滤波积分电路的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

滤波积分电路，所述滤波积分电路的输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端与电流模可控振荡器的输入端相连接，用于对信号误差进行放大积分，以提高电路系统处理信号的精度；

电流模可控振荡器，所述电流模可控振荡器的输入端与滤波积分电路的输出端相连接，输出端与数字微分电路的输入端相连接，用于对系统输出信号进行相位积分；

数字微分电路，所述数字微分电路的输入端与电流模可控振荡器的输出端相连接，输出端与加速度传感器的反馈输入端相连接，用于输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器的反馈输入端。

本发明的有益效果是利用电流模频控振荡器和数字微分电路组成的频控力反馈回路对滤波积分电路所输出的信号进行量化噪声整形处理，使得其变为包含反馈信息的数字信号反馈回加速度计反馈输入端，其利用数字信号所具有的恒力特性对传感器失配不敏感以及整形的量化噪声能量分散特性，有效的解决了其在电-力转换环节因传感器的失配（不对称）造成的失真，从而实现芯片电路处理信号的高精度。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理图。

图中，1-加速度传感器，2-微弱信号放大电路，3-滤波积分电路，4-电流模可控振荡器，5-数字微分电路。

具体实施方式

本发明的惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，用于惯性加速度传感器后续微弱信号处理芯片电路，如图1所示，包括：

微弱信号放大电路2，所述微弱信号放大电路的输入端与加速度传感器1的输出端相连接，输出端与滤波积分电路的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

滤波积分电路3，所述滤波积分电路的输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端与电流模可控振荡器的输入端相连接，用于对信号误差进行放大积分，以提高电路系统处理信号的精度；

电流模可控振荡器4，所述电流模可控振荡器的输入端与滤波积分电路的输出端相连接，输出端与数字微分电路的输入端相连接，用于对系统输出信号进行相位积分；

数字微分电路5，所述数字微分电路的输入端与电流模可控振荡器的输出端相连接，输出端与加速度传感器的反馈输入端相连接，用于输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器的反馈输入端。

本发明是由微弱信号放大电路2对加速度传感器1输出的微弱信号进行采集放大；滤波积分电路3用于对微弱信号放大电路2的输出信号进行积分，以提高系统处理信号的精度；电流模可控振荡器4构成对滤波积分电路3的输出信号进行相位积分；数字微分电路 5用于对电流模可控振荡器4所输出的相位进行微分，以输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器1的反馈输入端。

图1描述了示范性的根据本发明实施的惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路。惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路分成以下几个部分，包括：输入端和输出端分别同加速度传感器1的信号输出端和滤波积分电路3输入端相连的微弱信号放大电路 2；输入端和输出端分别同微弱信号放大电路2输出端和电流模可控振荡器4输入端相连的滤波积分电路3；输入端和输出端分别同滤波积分电路3的输出端和数字微分电路5的输入端相连的电流模可控振荡器4；输入端同电流模可控振荡器4的输出端和加速度传感器1反馈输入端相连的数字微分电路5 。

参考附图1，由于力反馈环节在脉宽调制中的调制信号能量非常集中，本发明从脉宽调制信号的频谱能量着手，提出一种振荡频控力反馈的闭环检测信号处理方法，即在力反馈环节中引入电流模可控振荡器和数字微分电路组成频控力反馈回路，其转换输入电压或电流信号为频率信号进行相位积分，然后微分处理为包含力反馈信息的噪声整形调制信号。 

此时，频控振荡电-力反馈环节在转换为力之前的理想传递函数可以简单的表示为：

    （1）

其中，V_in(s)为输入电流模可控振荡器的的模拟连续信号，其同时为系统输出信号；V_out(z)为数字微分电路输出的脉冲密度调制信号，其包含反馈信息反馈回系统的反馈输入端；E(s)为量化噪声。 和 分别为电流模可控振荡器和数字微分电路的理想传递函数。由

（T_S 为对反馈信号进行采样的采样周期），可以推导出上述模块的理想传递函数最简式：

        （2）

即频控振荡力反馈的关于输入信号V_in(s)的传输函数为一常数（

）；而关于量化噪声的传输函数为对量化噪声进行一阶调制

，即此时相对于模拟脉宽调制调制信号的非线性，其调制后的量化噪声的能量分散到具有可控频率振荡器的可控频率范围中，通过加速度传感器本身的寄生电容即可滤除，不会产生相应的电磁干扰现象，以提高惯性传感器的精度表现。同时在力转换环节上，因其为数字信号输出，结合脉宽调制的恒力特性：

    （3）

由上式可知，其同样对加速度传感器的不匹配特性不敏感。与脉宽调制方法比较，频控振荡反馈信号处理方法的优势在于能够对量化噪声进行整形，解决由于脉宽调制造成调制信号能量集中的问题。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，其特征在于，包括：

微弱信号放大电路，所述微弱信号放大电路的输入端与加速度传感器的输出端相连接，输出端与滤波积分电路的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

滤波积分电路，所述滤波积分电路的输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端与电流模可控振荡器的输入端相连接，用于对信号误差进行放大积分，以提高电路系统处理信号的精度；

电流模可控振荡器，所述电流模可控振荡器的输入端与滤波积分电路的输出端相连接，输出端与数字微分电路的输入端相连接，用于对系统输出信号进行相位积分；

数字微分电路，所述数字微分电路的输入端与电流模可控振荡器的输出端相连接，输出端与加速度传感器的反馈输入端相连接，用于输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器的反馈输入端。