CN103424570A - 微机械加速度计的MASH结构sigma-delta闭环控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机械加速度计的MASH结构sigma-delta闭环控制电路，属于加速度信号测量处理领域。该电路由电荷放大器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，比较器12，D触发器Ⅰ13，积分器14，D触发器Ⅱ15，模拟开关16组成。本发明的有益效果是：同单环结构相比，MASH结构使系统能够达到绝对稳定，并且随着级联阶数的增加，稳定性也不会改变；同时MASH结构能够有效地抑制空闲噪声，减小空闲噪声对系统的影响；另外MASH结构还能够增大输入信号的幅值范围，使输入信号幅值可以达到它的最大转换值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微机械加速度计的MASH结构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
微机械加速度计具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性好、军事和民用应用价值巨大等特点而成为各国研究机构和公司研究的重点。其中电容式微机械加速度计具有灵敏度高、受温度影响小等优点而逐渐成为微机械加速度计设计的主流。电容式微机械加速度计的工作原理为：当有加速度信号时，微机械加速度计的中心质量块在加速度信号方向上产生位移，导致检测电容大小发生变化，通过测量其变化量，可以计算出加速度信号的大小。
电容式微机械加速度计的控制方案中，ΣΔΜ闭环控制电路具有有效抑制带宽内量化噪声、大幅度提高带宽内信噪比、在实现闭环工作方式的同时可得到直接的数字输出等优点而备受青睐。从结构上来说，ΣΔΜ闭环控制电路分为单环结构和MASH结构：单环结构，整个系统只有一个高阶调制器环路；而MASH（Multi Stage Noise Shaping)结构即多级噪音整形技术结构，是由多个低阶单环调制器级联而成的。
美国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单环结构ΣΔΜ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、高阶调制器11、比较器12、D触发器13，输出脉宽密度调制信号b(t)控制模拟开关14将反馈控制电压Vfb加载到反馈电容上。该电路具有高阶噪声整形效果，能够有效提高信噪比。不过该控制系统仍然存在一定的弊端：
对于闭环系统来说2阶的系统是绝对稳定的，超过2阶就变为条件稳定，且阶数越高稳定性越低。而在单环结构ΣΔΜ数字式闭环控制系统中，微机械加速度计本身就可以等效为一个2阶环节，因此加入了高阶调制器后其系统阶数大于2，导致系统稳定性降低。同时，单环结构抑制空闲噪声的能力不高，输入信号的幅值也受到限制，从而降低了微机械加速度计的单环结构ΣΔΜ数字式闭环控制电路的性能。
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MASH结构ΣΔΜ闭环控制电路，系统绝对稳定，且能够有效地提高空闲噪声抑制能力，并能够使输入信号的幅度范围增大。
参阅图2，微机械加速度计检测部分由固定电极Ⅰ2，固定电极Ⅱ3、可动电极4组成。当有加速度信号时，可动电极4在加速度方向上产生位移，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MASH结构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，比较器12，D触发器Ⅰ13，积分器14，D触发器Ⅱ15，模拟开关16组成。当有加速度信号a(t)输入时，微机械加速度计1中心质量块产生位移，导致检测电容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上产生两路变化的电流信号i(t)和i'(t)；接着i(t)和i'(t)经过电荷放大器5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，滤除掉低频噪声信号，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；然后信号V2(t)和V2'(t)进入全差分放大器9进行差分放大，得到两路差分电压信号V3(t)和V3'(t)；接着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10要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)进入比较器12对两路差分信号进行比较，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Ⅰ13，进行采样频率为fS的采样与量化，得到数据流b1(t)；同时，数字比较信号b'(t)进入积分器14积分，再经过D触发器Ⅱ15量化得到数据流b2(t)；然后b2(t)与b1(t)作差得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)；最后b(t)控制模拟开关16将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计1的反馈电容上，完成闭环控制。
本发明的有益效果是：同单环结构相比，MASH结构使系统能够达到绝对稳定，并且随着级联阶数的增加，稳定性也不会改变；同时MASH结构能够有效地抑制空闲噪声，减小空闲噪声对系统的影响；另外MASH结构还能够增大输入信号的幅值范围，使输入信号幅值可以达到它的最大转换值。
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是现有技术中美国加州大学伯克利分校提出的单环结构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MASH结构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MASH结构ΣΔΜ闭环控制电路示意图；
图中，1-微机械加速度计，2-固定电极Ⅰ，3-固定电极Ⅱ，4-可动电极，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-高阶调制器，12-比较器，13-D触发器Ⅰ，14-积分器，15-D触发器Ⅱ，16-模拟开关
具体实施方式
本实施例中提出的微机械加速度计的MASH结构ΣΔΜ闭环控制电路参阅图4，整个电路系统由微机械加速度计1，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，比较器12，D触发器Ⅰ13，积分器14，D触发器Ⅱ15，模拟开关16组成。当有加速度信号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，导致检测电容C1、C2电容量发生变化，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i(t)和i'(t)，其中载波幅值为A＝2.8V频率为f＝4.39×105Hz；然后i(t)和i'(t)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滤波，滤除掉低频噪声信号，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解调，再经过低通滤波器8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＝8×103Hz，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=50；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
移相后的信号V4(t)和V4'(t)进入比较器12对两路差分信号进行比较，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Ⅰ13，进行采样与量化，得到数据流b1(t)，其中D触发器Ⅰ13的采样频率fS＝65000Hz；数字比较信号b'(t)进入积分器14积分，再经过D触发器Ⅱ15量化得到数据流b2(t)，其中D触发器Ⅱ15的采样频率fS＝65000Hz；然后b2(t)与b1(t)作差得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)；最后脉宽调制数字信号b(t)控制模拟开关16将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计1的反馈电容上，形成闭环控制系统。
Claims (1)
1.微机械加速度计的MASH结构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）、比较器（12）、D触发器Ⅰ（13）、积分器（14）、D触发器Ⅱ15）、模拟开关（16）组成；当有加速度信号a(t)输入时，微机械加速度计（1）中心质量块产生位移，导致检测电容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上产生两路变化的电流信号i(t)和i'(t)；接着i(t)和i'(t)经过电荷放大器（5）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），滤除掉低频噪声信号，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）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；然后信号V2(t)和V2'(t)进入全差分放大器（9）进行差分放大，得到两路差分电压信号V3(t)和V3'(t)；接着V3(t)和V3'(t)进入相位补偿电路（10）移相得到V4(t)和V4'(t)；移相后的信号V4(t)和V4'(t)进入比较器（12）对两路差分信号进行比较，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Ⅰ（13），进行采样频率为fS的采样与量化，得到数据流b1(t)；同时，数字比较信号b'(t)进入积分器（14）积分，再经过D触发器Ⅱ（15）量化得到数据流b2(t)；然后b2(t)与b1(t)作差得到系统输出——脉宽密度调制数字信号b(t)；最后b(t)控制模拟开关（16）将反馈电压Vfb加载到微机械加速度计（1）的反馈电容上，完成闭环控制。
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