CN103986472B - 微机械加速度计的多级噪声整形σδμ闭环控制电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路和方法，控制电路包括第一前置电荷放大器；第一解调电路；第二前置电荷放大器；第二解调电路；全差分放大电路；相位补偿电路；第一量化器；模拟开关；第一增益放大电路；第二增益放大电路；第三增益放大电路；第四增益放大电路；第一减法电路；第二减法电路；第一增益放大和减法电路；第一全差分积分电路；第二增益放大和减法电路；第二全差分积分电路；第二量化器；第三减法电路，其中所述微机械加速度计包括中心质量块、第一检测电极、第二检测电极、第一反馈电极和第二反馈电极。本发明通过上述技术方案能获得较好的稳定性，同时具有四阶噪声整形能力，能获得较高的信噪比。

Description

微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路和方法

技术领域

本发明属于微机械加速度计的信号测量处理领域，特别涉及一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路和方法。

背景技术

微机械加速度计是一种重要的微惯性传感器，广泛应用于消费电子、工业自动化和惯性导航等领域。为了有效地提高其带宽和稳定性，降低其非线性度，微机械加速度计通常采用单回路高阶低通ΣΔΜ(Sigma-Delta)数字闭环的控制方法，所以该数字闭环控制方法一直是微机械加速度计领域研究的重点和热点。

现有技术中，在单回路高阶低通ΣΔΜ数字闭环控制方法中，为了获得较高的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)，通常采用较高的阶数来实现，但是高阶ΣΔΜ带来较高信噪比的同时，其稳定性较低阶(例如二阶)ΣΔΜ差，而且可检测的加速度信号的范围变小，反而限制了微机械加速度计的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例一方面提供了一种微机械加速度计的Mash(Multi Stage Noise Shaping，多级噪声整形)ΣΔΜ闭环控制电路，不仅能够提供高阶噪声整形来获得较高的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)，还能够解决单回路高阶闭环控制电路中稳定性差和检测输入信号范围小的问题。该闭环控制回路包括：用于将所述第一已调信号转换为第一电压信号的第一前置电荷放大器，所述第一前置电荷放大器的输入端与所述第一检测电极连接；用于将所述第二已调信号转换为第二电压信号的第二前置电荷放大器，所述第二前置电荷放大器的输入端与所述第二检测电极连接；用于对所述第一电压信号进行解调和滤波的第一解调电路，所述第一解调电路的输入端与所述第一前置电荷放大器的输出端连接；用于对所述第二电压信号进行解调和滤波的第二解调电路，所述第二解调电路的输入端与所述第二前置电荷放大器的输出端连接；全差分放大电路，所述全差分放大电路的反相输入端与所述第一解调电路的输出端连接，所述全差分放大电路的正相输入端与所述第二解调电路的输出端连接；用于对经所述全差分放大电路处理得到的两个信号分别进行相位补偿以使闭环控制电路的相移不等于2nΠ的相位补偿电路，所述相位补偿电路的第一输入端与所述全差分放大电路的正相输出端连接，所述相位补偿电路的第二输入端与所述全差分放大电路的反相输出端连接；用于对经所述相位补偿电路处理得到的两个信号分别进行采样量化的第一量化器，所述第一量化器的第一输入端与所述相位补偿电路的第一输出端连接，所述第一量化器的第二输入端与所述相位补偿电路的第二输出端连接；用于在经所述第一量化器处理得到的一个信号的作用下将反馈电压加载到第一反馈电极或第二反馈电极上的模拟开关，所述模拟开关的第一输入端与所述第一量化器的第二输出端或第一输出端连接，所述模拟开关的第二输入端接收反馈电压，所述模拟开关的第一输出端与所述第一反馈电极连接，所述模拟开关的第二输出端与所述第二反馈电极连接，以形成闭环控制；第一增益放大电路，其反相输入端与所述相位补偿电路的第一输出端连接；第三增益放大电路，其反相输入端与所述第一量化器的第二输出端连接；第一减法电路，其反相输入端与所述第一增益放大电路的输出端连接，其正相输入端与所述第三增益放大电路的输出端连接；

第二增益放大电路，其反相输入端与所述相位补偿电路的第二输出端连接；第四增益放大电路，其反相输入端与所述第一量化器的第一输出端连接；

第二减法电路，其反相输入端与所述第二增益放大电路的输出端连接，其正相输入端与所述第四增益放大电路的输出端连接；第一增益放大和减法电路，其第一反相输入端与所述第二减法电路的输出端连接，其第一正相输入端与所述第一减法电路的输出端连接，其第二反相输入端与第二量化器的第一输出端连接，其第二正相输入端与第二量化器的第二输出端连接；第一全差分积分电路，其反相输入端与所述第一增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与所述第一增益放大和减法电路的反相输出端连接；第二增益放大和减法电路，其第一反相输入端与所述第一全差分积分电路的正相输出端连接，其第二正相输入端与所述第一全差分积分电路的反相输出端连接，其第二反相输入端与所述第二量化器的第一输出端连接，其第二正相输入端与所述第二量化器的第二输出端连接；第二全差分积分电路，其反相输入端与所述第二增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与所述第二增益放大和减法电路的反相输出端连接

；用于对经所述第二全差分积分电路处理得到的两个信号分别进行采样量化得到第二输出信号的第二量化器，其第一输入端与所述第二全差分积分电路的正相输出端连接，其第二输入端与所述第二全差分积分电路的反相输出端连接，其第一输出端与所述第一增益放大和减法电路的第二反相输入端连接，还与所述第二增益放大和减法电路的第二反相输入端连接，所述第二量化器的第二输出端与所述第一增益放大和减法电路的第二正相输入端连接，还与所述第二增益放大和减法电路的第二正相输入端连接；以及用于得到表征物体加速度的输出电压信号的第三减法电路，其反相输入端与所述第一量化器的第二输出端连接，其正相输入端与所述第二量化器的第二输出端连接；或所述第三减法电路的反相输入端与所述第一量化器的第一输出端连接，其正相输入端与所述第二量化器的第一输出端连接，其中，所述微机械加速度计包括用于在物体加速度方向上，产生与物体加速度相对应的位移变化的中心质量块，用于产生表征所述中心质量块位移变化的第一电流信号的第一检测电极，用于产生表征所述中心质量块位移变化、且与所述第一电流信号反相的第二电流信号的第二检测电极，用于在反馈电压作用下产生静电力使所述中心质量块复位的第一反馈电极和第二反馈电极，所述第一反馈电极位于所述第一检测电极侧，所述第二反馈电极位于所述第二检测电极侧，高频载波信号加载到所述中心质量块上，并分别对所述第一电流信号和所述第二电流信号进行调频以得到第一已调信号和第二已调信号。

本发明实施例另一方面还提供了一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制方法，该方法包括：

通过高频载波对微机械加速度计产生的表征物体加速度的第三电流信号进行调频，得到第三已调信号；将所述第三已调信号转换为第三电压信号；对所述第三电压信号依次进行解调和滤波处理、全差分放大运算、相位补偿处理以得到第四电压信号；对所述第四电压信号进行采样量化得到第一输出信号；通过所述第一输出信号控制模拟开关将反馈电压加载到所述微机械加速度计的反馈电极上，以形成闭环控制；对所述第四电压信号和所述第一输出信号在分别经过增益放大运算后做减法运算以得到第五电压信号；对所述第五电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第六电压信号；对所述第六电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第七电压信号；对所述第七电压信号进行采样量化得到所述第二输出信号；对所述第一输出信号和所述第二输出信号进行减法运算得到表征物体加速度的输出电压信号。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

该多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路仅为二阶ΣΔΜ闭环控制回路，能够获得较好的稳定性，但是同时具有四阶噪声整形能力，能够获得较高的信噪比。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种微机械加速度计的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多级噪声整形Sigma-Delta闭环控制电路的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多级噪声整形Sigma-Delta闭环控制电路的结构示意图；

其中，图中符号说明如下：

1-第一反馈电极，2-第二反馈电极-，3-第二反馈电极，4-第一反馈电极，

5-第一检测电极，6-第二检测电极，7-中心质量块，8-微机械加速度计，

9-第一前置电荷放大器，9′-第二前置电荷放大器，10-二极管，

11-低通滤波器，12-全差分放大电路，13-相位补偿电路，14-第一量化器，

15-第一增益放大电路，15′-第二增益放大电路，16-第三增益放大电路，

16′-第四增益放大电路，17-第一减法电路，17′-第二减法电路，

1924-第一增益放大和减法电路，2125-第二增益放大和减法电路，

18-模拟开关，19-第四减法电路，20-第一全差分积分电路，

21-第五减法电路，22-第二全差分积分电路，23-第二量化器，

24-第五增益放大电路，25-第六增益放大电路，26-第三减法电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明实施例提供的微机械加速度计的结构示意图，该微机械加速度计包括：中心质量块7、检测电极和反馈电极。中心质量块用于在物体加速度方向上，产生与物体加速度相对应的位移变化，其呈“H”型，形成有上、下凹槽。位于上凹槽内的第一检测电极6，用于产生表征中心质量块位移变化的第一电流信号；位于下凹槽内的第二检测电极5，用于产生表征中心质量块位移变化、且与第一电流信号反相的第二电流信号。位于第一检测电极6侧的第一反馈电极，用于在反馈电压作用下产生静电力使中心质量块7复位；位于第二检测电极5侧的第二反馈电极，用于在反馈电压作用下产生静电力使中心质量块复位。实际中，第一反馈电极(如图1符号1、4所示之处)的数量为两个，分列于中心质量块两侧且靠近上凹槽；第二反馈电极(如图1符号2、3所示之处)的数量为两个，分列于中心质量块两侧且靠近下凹槽。高频载波信号加载到中心质量块上，并分别对第一电流信号和第二电流信号进行调频以得到第一已调信号和第二已调信号。

下面以微机械加速度计的第一检测电极和第二检测电极的中心电容均为C＝3.43e-12F，检测梳齿个数均为966，中心质量块的质量为m＝1.4×10^-6Kg，第一反馈电极和第二反馈电极的中心电容均为C＝1e-12F，反馈梳齿个数均为72为例对多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路进行说明，需要说明的是上述值并不是对本发明的限定，在其他实施例中可以为其他值。

参见图3，该多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路包括：第一前置电荷放大器9、第二前置电荷放大器9′、第一解调电路、第二解调电路、全差分放大电路12、相位补偿电路13、第一量化器14、模拟开关18、第一增益放大电路15、第二增益放大电路15′、第一减法电路17、第三增益放大电路16、第四增益放大电路16′、第二减法电路17′、第一增益放大和减法电路1924、第二增益放大和减法电路2125、第一全差分积分电路20、第二全差分积分电路22、第二量化器23和第三减法电路26。

由于物体加速度的作用，微机械加速度计的中心质量块7在加速度信号方向上产生位移y(t)，如此导致第一检测电极6和第二检测电极5的电容变化，进而产生相应变化的第一电流信号i(t)和第二电流信号i'(t)，即产生相应变化的两路信号。加载到中心质量块上的频率为f₁的高频载波分别对第一电流信号和第二电流信号进行调频以将其调制到高频段，调制后得到的信号分别为第一已调信号和第二已调信号。

由第一前置电荷放大器9、第一解调电路、第二前置电荷放大器9′、第二解调电路、全差分放大电路12、相位补偿电路13、第一量化器14、模拟开关18形成对微机械加速度计的闭环控制电路。

具体而言，第一前置电荷放大器9用于将第一已调信号转换为第一电压信号V_i(t)，即进行C/V转换，其输入端与第一检测电极6连接，优选地，第一前置电荷放大器9包括运算放大器，运算放大器的反相输入端作为第一前置电荷放大器9的输入端，运算放大器的输出端作为第一前置电荷放大器9的输出端，且其通过并联在一起的第十一电阻R_f和第三电容C_f与运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端接地。实际中，第十一电阻R_f的阻值优选为100MΩ，第三电容C_f的电容值优选为3pF。

第一解调电路用于对第一电压信号进行解调和滤波，其输入端与第一前置电荷放大器9的输出端连接，优选地，第一解调电路包括：二接管10和低通滤波器11。二接管10的阳极作为第一解调电路的输入端，二接管10的阴极与低通滤波器11的输入端连接，低通滤波器的输出端作为第一解调电路的输出端。

第二前置电荷放大器9′用于将第二已调信号转换为第二电压信号V'_i(t)，其输入端与第二检测电极5连接。

第二解调电路用于对第二电压信号进行解调和滤波，其输入端与第二前置电荷放大器9′的输出端连接。由于第二前置电荷放大器9′的结构与第一前置电荷放大器9的结构相同，第二解调电路的结构和第一解调电路的结构相同，此处不再一一赘述。

全差分放大电路12用于对经解调和滤波处理后得到的两个信号进行全差分放大以得到信号V_i2(t)和V'_i2(t)，其反相输入端与第一解调电路的输出端连接，其正相输入端与第二解调电路的输出端连接，其正相输出端输出信号V_i2(t)，其反相输出端输出信号V'_i2(t)。

相位补偿电路13用于对信号V_i2(t)和V'_i2(t)分别进行相位补偿以得到信号V_i3(t)和V'_i3(t)，从而使整个闭环控制回路的相移总和不等于2nΠ，如此可以防止整个闭环控制回路自激振荡的产生，提高闭环控制回路的稳定性。相位补偿电路的第一输入端与全差分放大电路12的正相输出端连接，其第二输入端与全差分放大电路12的反相输出端连接，其第一输出端输出信号V_i3(t)，该输出信号对应的输入信号为V_i2(t)；其第二输出端输出信号V'_i3(t)，该输出信号对应的输入信号为V'_i2(t)。

第一量化器14用于对信号V_i3(t)和V'_i3(t)分别进行采样量化以得到数字信号D₁(t)+和D₁(t)-，其第一输入端与相位补偿电路的第一输出端连接，其第二输入端与相位补偿电路的第二输出端连接，其第一输出端输出数字信号D₁(t)-，该数字信号对应的输入信号为V_i3(t)；其第二输出端输出信号D₁(t)+，该数字信号对应的输入信号为V'_i3(t)。数字信号D₁(t)+或D₁(t)-代表D₁

模拟开关18用于在数字信号D₁(t)+或D₁(t)-的控制下将反馈电压加载到微机械加速度计的第一反馈电极或第二反馈电极上。模拟开关18的第一输入端与第一量化器14的第二输出端或第一输出端连接，其第二输入端用于接收反馈电压，其第一输出端与第一反馈电极连接，其第二输出端与第二反馈电极连接，如此实现了微机械加速度计的二阶ΣΔΜ闭环控制，使多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制回路具有较好的稳定性。实际中，模拟开关的控制方式可以为：当接收的数字信号D₁(t)+为高电平时，将反馈电压加载到第一反馈电极上，此时第二反馈电极接地；当数字信号D₁(t)+为低电平时，将反馈电压加载到第二反馈电极上，此时第一反馈电极接地，也可以当接收的数字信号D₁(t)-为低电平时，将反馈电压加载到第一反馈电极上，此时第二反馈电极接地；当数字信号D₁(t)-为高电平时，将反馈电压加载到第二反馈电极上，此时第一反馈电极接地，还可以为其他控制方式，本实施例不对模拟开关的控制方式进行限定。反馈电压V_fb优选为5V。

应用时，载波信号V_c(t)加载到微机械加速度计的中心质量块上，当有外界加速度信号输入的时候，微机械加速度计的第一检测电极和第二检测电极的电容变化，进而产生变化的电流信号，该电流信号经过频率为f₁的高频载波V_c(t)调制到高频段，调制信号经过第一前置电荷放大器和第二前置电荷放大器进行C/V转换得到V_i(t)和V'_i(t)；然后V_i(t)和V'_i(t)分别经过由二极管和低通滤波器组成的第一解调电路和第二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的全差分放大电路以对两路信号做进一步的全差分放大且对应得到V_i2(t)和V'_i2(t)；相位补偿电路对V_i2(t)和V'_i2(t)分别进行相位移动对应得到信号V_i3(t)和V'_i3(t)，使得整个闭环控制回路的相移总和不等于2nΠ，以防止闭环回路自激振荡，从而提高闭环控制回路的稳定性；移相后的信号V_i3(t)和V'_i3(t)分别经过第一量化器进行采样量化对应得到数字信号D₁(t)+和D₁(t)-输出，同时数字信号D₁(t)+或D₁(t)-用于控制模拟开关将反馈电压V_fb＝5V加载到微机械加速度计的第一反馈电极或第二反馈电极上。

为了使多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制回路在获得较好稳定性的基础上，还能够获得较高的信噪比，该闭环控制回路还包括具有如下连接关系的器件：

第一增益放大电路15用于对相位补偿电路的第一输出端输出的信号V_i3(t)进行增益放大，其反相输入端与相位补偿电路13的第一输出端连接。

第三增益放大电路16用于对第一量化器的第二输出端输出的数字信号D₁(t)+进行增益放大，其反相输入端与第一量化器14的第二输出端连接。

第一减法电路17用于对经第一增益放大电路处理得到的信号和经第三增益放大电路处理得到的信号做减法运算以得到信号V_i4(t)，其反相输入端与第一增益放大电路的输出端连接，其正相输入端与第三增益放大电路的输出端连接。

第二增益放大电路15′用于对相位补偿电路电路的第二输出端输出的信号V'_i3(t)进行增益放大，其反相输入端与相位补偿电路13的第二输出端连接。

第四增益放大电路16′用于对第一量化器的第一输出端输出的数字信号D₁(t)-进行增益放大，其反相输入端与第一量化器14的第一输出端连接。

第二减法电路17′用于对经第二增益放大电路处理得到的信号和第四增益放大电路处理得到的信号做减法运算以得到信号V'_i4(t)，其反相输入端与第二增益放大电路15′的输出端连接，其正相输入端与第四增益放大电路的输出端连接。

第一增益放大和减法电路1924用于对第二量化器的第二输出端输出的数字信号D₂(t)+进行增益放大，并使增益放大后的信号与信号V_i4(t)做减法运算；还对第二量化器的第一输出端输出的数字信号D₂(t)-进行增益放大，且使增益放大后的信号与信号V'_i4(t)做减法运算，其第一反相输入端与第二减法电路的输出端连接，其第一正相输入端与第一减法电路的输出端连接，其第二反相输入端用于接收信号D₂(t)-，其第二正相输入端用于接收信号D₂(t)+。优选地，第一减法电路和增益放大电路包括：运算放大器，第一增益放大和减法电路的第一反相输入端通过第一电阻R₁与运算放大器的反相输入端连接，第一增益放大和减法电路的第一正相输入端通过第二电阻R'₁与运算放大器的正相输入端连接，第一增益放大和减法电路的第二反相输入端通过第三电阻R₂与运算放大器的反相输入端连接，第一增益放大和减法电路的第二正相输入端通过第四电阻R'₂与运算放大器的正相输入端连接，第一增益放大和减法电路的正相输出端通过第七电阻R₄与运算放大器的正相输出端连接，第一增益放大和减法电路的反相输出端通过第八电阻R'₄与运算放大器的反相输出端连接；运算放大器的正相输出端通过第五电阻R₃与运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的反相输出端通过第六电阻R₃'运算放大器的正相输入端连接。在图3中，该运算放大器的符号用A₁表示，在其他实施例中，第一减法电路和增益放大电路还可以包括两个第四减法电路和两个第五增益放大电路，即由两个具有独立减法功能的减法电路和两个独立增益放大功能的增益放大电路组成。一个第五增益放大电路对数字信号D₂(t)+进行增益放大，并将放大后的信号输出到一个第四减法电路中以使其与信号V_i4(t)做减法运算；另一个第五增益放大电路对数字信号D₂(t)-进行增益放大，并将放大后的信号输出到另一个第四减法电路中以使其与信号V'_i4(t)做减法运算。第一增益放大和减法电路电路的运算放大器为全差分运算放大器。

第一全差分积分电路20用于对经第一增益放大和减法电路处理得到的两个信号进行全差分积分运算，其反相输入端与第一增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与第一增益放大和减法电路的反相输出端连接。优选地，第一全差分积分电路括运算放大器，其反相输入端作为第一全差分积分电路的反相输入端；其正相输入端作为第一全差分积分电路的正相输入端；其正相输出端通过并联在一起的第九电阻R₅和第一电容C₁与运算放大器的反相输入端连接；其反相输出端通过并联在一起的第十电阻R'₅和第二电容C'₁与运算放大器的正相输入端连接。第一全差分积分电路的运算放大器为全差分运算放大器，在图3中，该运算放大器的符号用A'₁表示。

第二增益放大和减法电路2125用于对第二量化器的第二输出端输出的数字信号D₂(t)+进行增益放大，并使增益放大后的信号与第一全差分积分电路第一输出端输出的信号做减法运算；还对第二量化器的第一输出端输出的数字信号D₂(t)-进行增益放大，且使增益放大后的信号与第一全差分积分电路第二输出端输出的信号做减法运算，其第一反相输入端与第一全差分积分电路的正相输出端连接，其第一正相输入端与第一全差分积分电路的反相输出端连接，其第二反相输入端用于接收信号D₂(t)-，其第二正相输入端用于接收信号D₂(t)+。在其他实施例中，第二减法电路和增益放大电路还可以包括两个第五减法电路和两个第六增益放大电路，即由两个具有独立减法功能的减法电路和两个独立增益放大功能的增益放大电路组成。一个第六增益放大电路对数字信号D₂(t)+进行增益放大，并将放大后的信号输出到一个第五减法电路中以使其与经第一全差分积分电路的正相输出端输出的信号做减法运算；另一个第六增益放大电路对数字信号D₂(t)-进行增益放大，并将放大后的信号输出到另一个第四减法电路中以使其与经第一全差分积分电路的反相输出端输出的信号做减法运算。

第二全差分积分电路22用于对经第二增益放大和减法电路处理得到的两个信号进行全差分积分运算以得到信号V_i5(t)和V'_i5(t)，其反相输入端与第二增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与第二增益放大和减法电路的反相输出端连接，其正相输出端输出信号V_i5(t)，其反相输出端输出信号V'_i5(t)。由于第二增益放大和减法电路的结构与第一增益放大和减法的结构相同，第二全差分积分电路的结构和第一全差分积分电路的结构相同，此处不再一一赘述，在图3中，第二增益放大和减法电路中的运算放大器用符号A₂表示，第二全差分积分电路中的运算放大器用符号A'₂表示。

第二量化器23用于对信号V_i5(t)和V'_i5(t)分别进行采样量化以得到与之对应的数字信号D₂(t)+和D₂(t)-，其第一输入端与第二全差分积分电路22的正相输出端连接，其第二输入端与第二全差分积分电路22的反相输出端连接，其第一输出端输出信号D₂(t)-，该数字信号对应的输入信号为V_i5(t)，其第二输出端输出信号D₂(t)+，该数字信号对应的输入信号为V'_i5(t)。优选地，第二量化器23的采样频率f_k(t)为32KHZ。数字信号D₂(t)+或D₂(t)-代表D₂。

第三减法电路26用于对数字信号D₂(t)+和D₁(t)+进行减法运算以得到表征物体加速度的数字信号D_out，其正相输入端与第二量化器23的第二输出端连接，其反相输入端与第一量化器14的第二输出端连接，在其他的实施例中，也可以对数字信号D₂(t)-和D₁(t)-进行减法运算以得到表征物体加速度的数字信号D_out，其正相输入端与第二量化器23的第一输出端连接，其反相输入端与第一量化器14的第一输出端连接。

应用时，经前述相位补偿电路处理以及第一量化器处理得到的信号V_i3(t)和D₁(t)+、V'_i3(t)和D₁(t)-，信号V_i3(t)和D₁(t)+通过第一增益放大电路、第三增益放大电路和第一减法电路得到信号V_i4(t)，信号V'_i3(t)和D₁(t)-通过第二增益放大电路和第四增益放大电路了和第二减法电路得到V'_i4(t)；V_i4(t)和V'_i4(t)依次经过第一增益放大和减法电路、第一全差分积分电路、第二增益放大和减法电路、第二全差分积分电路最终输出信号为V_i5(t)和V'_i5(t)；然后再进入第二量化器得到信号D₂(t)+和D₂(t)-，再将信号D₁(t)+和D₂(t)+经过第三减法电路做减法运算以得到多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路的最终输出数字信号，即输出电压信号。上述中第一增益放大电路和减法电路、与第二增益放大和减法电路结构相同，第一全差分积分电路和第二全差分积分线路结构相同，下面以第一增益放大电路和减法电路、第一全差分积分电路为例对其结构进行说明。第一增益放大电路和减法电路、与第一全差分积分电路各包括一个两个全差分运算放大器：第一增益放大电路和减法电路的全差分运算放大器A₁的正向和反向输出端分别通过电阻R₃和R₃'连接到其正向和反向输入端，同时通过R₄和R'₄连接到第一全差分积分电路的全差分运算放大器A'₁；同时A₁的正向和反向输入端还通过R₂和R'₂连接到D₂(t)+和D₂(t)-；全差分运算放大器A'₁的正向和反向输出端分别通过R₅和R'₅，C₁和C₁'连接到其输入正向端，A'₁的正向和反向输入端连接到下一级的电路，也即第二增益放大和减法电路、与第二全差分积分电路。

综上所述，本发明实施例带来的有益效果如下：

该多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路仅为二阶ΣΔΜ闭环控制回路，能够获得较好的稳定性，但是同时具有四阶噪声整形能力，能够获得较高的信噪比。

在另一方面，本发明实施例还提供了一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制方法，该控制方法包括：

步骤101，通过高频载波对微机械加速度计产生的表征物体加速度的第三电流信号进行调频，得到第三已调信号；

其中，步骤101中第三电流信号优选包括前述实施例中的第一电流信号和第二电流信号，第三已调信号包括前述实施例中的第一已调信号和第二已调信号，将第三电流信号转换为第三已调信号，即将第一电流信号转换为第一已调信号；将第二电流信号转换为第二已调信号，如上的具体实现方式可参见前述实施例中关于微机械加速度计的描述，此处不再一一赘述。

步骤102，将第三已调信号转换为第三电压信号；

其中，步骤102中第三电压信号优选包括前述实施例中的第一电压信号和第二电压信号，将第三已调信号转换为第三电压信号的，即将第一已调信号转换为第一电压信号；将第二已调信号转换为第二电压信号，如上的具体实现方式可参见前述实施例中关于第一前置电荷放大器或第二前置电荷放大器的描述，此处不再一一赘述。

步骤103，对第三电压信号依次进行解调和滤波处理、全差分放大运算、相位补偿处理以得到第四电压信号；

其中，步骤103中第四电压信号优选包括前述实施例中的经相位补偿电路进行相位补偿后的两个信号V_i3(t)和V'_i3(t)，对第三电压信号进行解调和滤波处理的具体实现方式可参见前述实施例中关于第一解调电路或第二解调电路的相关描述；对经解调和滤波处理后的信号进行全差分放大运算的具体实现方式可参见前述实施例中关于全差分放大电路的相关描述；对经全差分放大运算后的信号进行相位补偿处理的具体实现方式可参见前述实施例中关于相位补偿电路的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤104，对第四电压信号进行采样量化得到第一输出信号；

其中，步骤104中第一输出信号优选包括前述实施例中的数字信号D₁(t)+和D₁(t)-，对第四电压信号进行采样量化得到第一输出信号的具体实现方式可参见前述实施例中关于第一量化器的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤105，通过第一输出信号控制模拟开关将反馈电压加载到微机械加速度计的反馈电极上，以形成闭环控制；

其中，步骤105中通过第一输出信号控制模拟开关将反馈电压加载到微机械加速度计的反馈电极上的具体实现方式可参见上述实施例中关于模拟开关的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤106，对第四电压信号和第一输出信号在分别经过增益放大运算后做减法运算以得到第五电压信号；

其中，关于步骤106的具体实现方式可参见前述实施例中关于第一增益放大器、第三增益放大器和第一减法电路或第二增益放大器、第四增益放大器和第二减法电路的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤107，对第五电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第六电压信号；

其中，步骤107中的第五电压信号优选包括前述实施例中的经第一减法电路处理得到的信号V_i4(t)和经第二减法电路处理得到的信号V'_i4(t)，第二输出信号优选包括前述实施例中的经第二量化器处理得到的数字信号D₂(t)+和D₂(t)-，步骤107的具体实现方式可参见前述实施例中关于第一增益放大和减法电路、第一全差分积分电路的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤108，对第六电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第七电压信号；

其中，步骤108中的第二输出信号优选包括前述实施例中的经第二量化器处理得到的数字信号D₂(t)+和D₂(t)-，第六电压信号优选包括前述实施例中的经第一全差分积分电路处理得到的两个信号，步骤108的具体实现方式可参见前述实施例中关于第二增益放大和减法电路、第二全差分积分电路的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤109，对第七电压信号进行采样量化得到第二输出信号；

其中，步骤109中的第七电压信号优选包括前述实施例中的经第二全差分积分电路处理得到的两个信号，步骤109的具体实现方式可参见前述实施例中关于第二量化器的相关描述，此处不再一一赘述。

步骤110，对第一输出信号和第二输出信号进行减法运算得到表征物体加速度的输出电压信号。

其中，步骤110中的输出电压信号即为前述实施例中表征物体加速度的数字信号D_out，步骤110的具体实现方式可参见前述实施例中关于第三减法电路的相关描述，此处不再一一赘述。

综上所述，本发明实施例带来的有益效果如下：

该多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制方法仅为二阶ΣΔΜ闭环控制回路的控制方法，能够获得较好的稳定性，但是同时具有四阶噪声整形能力，能够获得较高的信噪比。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，所述微机械加速度计包括用于在物体加速度方向上，产生与物体加速度相对应的位移变化的中心质量块，用于产生表征所述中心质量块位移变化的第一电流信号的第一检测电极，用于产生表征所述中心质量块位移变化、且与所述第一电流信号反相的第二电流信号的第二检测电极，用于在反馈电压作用下产生静电力使所述中心质量块复位的第一反馈电极和第二反馈电极，所述第一反馈电极位于所述第一检测电极侧，所述第二反馈电极位于所述第二检测电极侧，高频载波信号加载到所述中心质量块上，并分别对所述第一电流信号和所述第二电流信号进行调频以得到第一已调信号和第二已调信号，其特征在于：所述多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路包括：

用于将所述第一已调信号转换为第一电压信号的第一前置电荷放大器，所述第一前置电荷放大器的输入端与所述第一检测电极连接；

用于将所述第二已调信号转换为第二电压信号的第二前置电荷放大器，所述第二前置电荷放大器的输入端与所述第二检测电极连接；

用于对所述第一电压信号进行解调和滤波的第一解调电路，所述第一解调电路的输入端与所述第一前置电荷放大器的输出端连接；

用于对所述第二电压信号进行解调和滤波的第二解调电路，所述第二解调电路的输入端与所述第二前置电荷放大器的输出端连接；

全差分放大电路，所述全差分放大电路的反相输入端与所述第一解调电路的输出端连接，所述全差分放大电路的正相输入端与所述第二解调电路的输出端连接；

用于对经所述全差分放大电路处理得到的两个信号分别进行相位补偿以使闭环控制电路的相移不等于2nΠ的相位补偿电路，所述相位补偿电路的第一输入端与所述全差分放大电路的正相输出端连接，所述相位补偿电路的第二输入端与所述全差分放大电路的反相输出端连接；

用于对经所述相位补偿电路处理得到的两个信号分别进行采样量化的第一量化器，所述第一量化器的第一输入端与所述相位补偿电路的第一输出端连接，所述第一量化器的第二输入端与所述相位补偿电路的第二输出端连接；

用于在经所述第一量化器处理得到的一个信号的作用下将反馈电压加载到第一反馈电极或第二反馈电极上的模拟开关，所述模拟开关的第一输入端与所述第一量化器的第二输出端或第一输出端连接，所述模拟开关的第二输入端接收反馈电压，所述模拟开关的第一输出端与所述第一反馈电极连接，所述模拟开关的第二输出端与所述第二反馈电极连接，以形成闭环控制；

第一增益放大电路，其反相输入端与所述相位补偿电路的第一输出端连接；

第三增益放大电路，其反相输入端与所述第一量化器的第二输出端连接；

第一减法电路，其反相输入端与所述第一增益放大电路的输出端连接，其正相输入端与所述第三增益放大电路的输出端连接；

第二增益放大电路，其反相输入端与所述相位补偿电路的第二输出端连接；

第四增益放大电路，其反相输入端与所述第一量化器的第一输出端连接；

第二减法电路，其反相输入端与所述第二增益放大电路的输出端连接，其正相输入端与所述第四增益放大电路的输出端连接；

第一增益放大和减法电路，其第一反相输入端与所述第二减法电路的输出端连接，其第一正相输入端与所述第一减法电路的输出端连接，其第二反相输入端与第二量化器的第一输出端连接，其第二正相输入端与第二量化器的第二输出端连接；

第一全差分积分电路，其反相输入端与所述第一增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与所述第一增益放大和减法电路的反相输出端连接；

第二增益放大和减法电路，其第一反相输入端与所述第一全差分积分电路的正相输出端连接，其第二正相输入端与所述第一全差分积分电路的反相输出端连接，其第二反相输入端与所述第二量化器的第一输出端连接，其第二正相输入端与所述第二量化器的第二输出端连接；

第二全差分积分电路，其反相输入端与所述第二增益放大和减法电路的正相输出端连接，其正相输入端与所述第二增益放大和减法电路的反相输出端连接；

用于对经所述第二全差分积分电路处理得到的两个信号分别进行采样量化得到第二输出信号的第二量化器，其第一输入端与所述第二全差分积分电路的正相输出端连接，其第二输入端与所述第二全差分积分电路的反相输出端连接，其第一输出端与所述第一增益放大和减法电路的第二反相输入端连接，还与所述第二增益放大和减法电路的第二反相输入端连接，所述第二量化器的第二输出端与所述第一增益放大和减法电路的第二正相输入端连接，还与所述第二增益放大和减法电路的第二正相输入端连接；以及

用于得到表征物体加速度的输出电压信号的第三减法电路，其反相输入端与所述第一量化器的第二输出端连接，其正相输入端与所述第二量化器的第二输出端连接；或所述第三减法电路的反相输入端与所述第一量化器的第一输出端连接，其正相输入端与所述第二量化器的第一输出端连接。

2.根据权利要求1所述的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于，所述第一增益放大和减法电路和所述第二增益放大和减法电路均包括：

运算放大器；

所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的第一反相输入端通过第一电阻与所述运算放大器的反相输入端连接；

所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的第一正相输入端通过第二电阻与所述运算放大器的正相输入端连接；

所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的第二反相输入端通过第三电阻与所述运算放大器的反相输入端连接；

所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的第二正相输入端通过第四电阻与所述运算放大器的正相输入端连接；

所述运算放大器的正相输出端通过第五电阻与所述运算放大器的反相输入端连接，且通过第七电阻与所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的正相输出端连接；

所述运算放大器的反相输出端通过第六电阻与所述运算放大器的正相输入端连接，通过第八电阻与所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的反相输出端连接。

3.根据权利要求1所述的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于，所述第一全差分积分电路和所述第二全差分积分电路均包括：

运算放大器；

所述运算放大器的反相输入端与所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的正相输出端连接；

所述运算放大器的正相输入端与所述第一增益放大和减法电路或所述第二增益放大和减法电路的反相输出端连接；

所述运算放大器的输出端作为所述第一全差分积分电路或所述第二全差分积分电路的第一输出端，通过并联在一起的第九电阻和第一电容与所述运算放大器的反相输入端连接；

所述运算放大器的第二输出端作为所述第一全差分积分电路或所述第二全差分积分电路的第二输出端，通过并联在一起的第十电阻和第二电容与所述运算放大器的正相输入端连接。

4.根据权利要求1所述的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于，所述第一解调电路和所述第二解调电路均包括：

二极管和低通滤波器；

所述二极管的阳极作为所述第一解调电路或所述第二解调电路的输入端；

所述低通滤波器的输入端与所述二极管的阴极连接，所述低通滤波器的输出端作为所述第一解调电路或所述第二解调电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于，所述第一前置电荷放大器和所述第二前置电荷放大器均包括：

运算放大器；

所述运算放大器的反相输入端作为所述第一前置电荷放大器或所述第二前置电荷放大器的输入端；

所述运算放大器的输出端作为所述第一前置电荷放大器或所述第二前置电荷放大器的输出端，且通过并联在一起的第十一电阻和第三电容与所述运算放大器的反相输入端连接。

6.根据权利要求5所述的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制电路，其特征在于，所述第十一电阻的电阻值为100MΩ，所述第三电容的电容值为3pF。

7.一种微机械加速度计的多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制方法，所述微机械加速度计包括：用于在物体加速度方向上，产生与物体加速度相对应的位移变化的中心质量块，用于产生表征所述中心质量块位移变化的第三电流信号的检测电极，用于在反馈电压作用下产生静电力使所述中心质量块复位的反馈电极，其特征在于，所述多级噪声整形ΣΔΜ闭环控制方法包括：

通过高频载波对微机械加速度计产生的表征物体加速度的第三电流信号进行调频，得到第三已调信号；

将所述第三已调信号转换为第三电压信号；

对所述第三电压信号依次进行解调和滤波处理、全差分放大运算、相位补偿处理以得到第四电压信号；

对所述第四电压信号进行采样量化得到第一输出信号；

通过所述第一输出信号控制模拟开关将反馈电压加载到所述微机械加速度计的反馈电极上，以形成闭环控制；

对所述第四电压信号和所述第一输出信号在分别经过增益放大运算后做减法运算以得到第五电压信号；

对所述第五电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第六电压信号；

对所述第六电压信号与经过增益放大处理的第二输出信号依次进行减法运算、全差分积分运算后得到第七电压信号；

对所述第七电压信号进行采样量化得到所述第二输出信号；

对所述第一输出信号和所述第二输出信号进行减法运算得到表征物体加速度的输出电压信号。