CN104914275A - 一种新型mems电容式加速度计温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成温度补偿模块的电容式加速度计读出电路。传统的读出电路在电荷放大器后级对输出进行校正，信号放大的同时，噪声也放大相同的增益。本发明公开的读出电路采用不同的处理办法：温度补偿模块通过改变相应可变电容的容值来实时调整电荷放大器的增益和偏置，从而抵消温漂。其优点是有更高的信噪比。同时，为降低应用复杂性，提供了简单易用的数据接口，用户仅需要通过GPIO设备以及PC即可完成标定以及温度补偿功能。最后，考虑到温度传感器测得当前温度与加速度计感受到这个温度之间有时间差，电路能够缓存多个温度采样值，补偿时采用该时间差之前的采样值，从而提高补偿的动态特性。

Description

一种新型MEMS电容式加速度计温度补偿电路

技术领域：

本发明属于惯性传感器设计领域，具体涉及一种集成了温度补偿模块的电容式加速度计读出电路。 

背景技术：

MEMS加速度计是体感技术、惯性制导等领域的关键器件，具有微型化，低成本，与集成电路工艺兼容的优点。其中MEMS电容式加速度计更具有高灵敏度，低噪声的优势。然而作为硅基器件，MEMS加速度计温度稳定性较差，为了应用在高精度或者大温差的场合，可以使用温度补偿技术来降低温漂。 

目前加速度计的温度补偿技术可以分为两个步骤：第一步，模型辨识，即通过温度标定实验拟合出加速度计温度模型参数；第二步，实时补偿，即根据模型实时地调整可编程放大器的增益和偏置，输出经过补偿的信号，或者更简单地，直接在后级电路根据模型对输出信号进行实时地校正。文献【1】【2】就都采用后面一种做法，即片上集成的温度补偿模块直接在模拟信号模块的后级对其输出电压进行校正。还有的文献【3】采用的读出电路并没有集成温度补偿装置，需要在PCB板上焊接单片机或FPGA来实施温度补偿在焊接过程中很多不可靠因素，比如虚焊、短路等问题。 

本发明公开一种新型的温度补偿装置，把温度补偿所需的插值运算单元及其所需要的ROM存储器集成到读出电路芯片当中，通过实时地调整电荷放大器的增益和偏置的方式，补偿由温度引起的信号变化，能够降低成本和应用系统的复杂性，提高加速度计最终产品的可靠性。 

发明内容：

本发明公开一种新型的带有温度补偿模块的加速度计读出电路，电路主要包括温度传感器模块，增益和偏置可编程的电荷放大器，差值运算单元及其所需要的ROM存储器，以及一个简单的逻辑控制器。温度补偿是由芯片中的运算单元自动进行的，在最终的应用系统上不需要使用单片机或FPGA。 

说明书附图1为加速度计系统原理图，其中包括电容式加速度计模块，增益和偏置可编程控制的模拟电荷放大器，低通滤波器以及温度补偿模块。模拟电荷放大器由模拟运算放大器和可编程控制的电容阵列CS1，CS2，CF构成。 

说明书附图2为温度补偿模块逻辑框图，其中包括移位寄存器1，温度传感器，A/D转换器，移位寄存器2，插值运算单元，EEPROM，控制器。移位寄存器1用于缓存当前 温度下所应当采用的控制参数(CS1，CS2，CF)的数值其输出直接控制电容阵列CS1，CS2，CF接入的容值。移位寄存器1既可以接受来自外部的串行输入数据，也可以接受插值运算单元输出的并行数据。A/D转换器可以在标定实验中由外部触发信号触发，记录采样温度值于EEPROM的温度数据表中，也用于在实时补偿过程中接受由控制器产生的定时内部触发信号，给出当前温度信息。插值运算单元本质是一个乘加运算单元，用于实现牛顿插值算法。移位寄存器2用于在实时补偿过程中维护一个温度队列，新插入的温度采样值保存在队尾，同时移除队首的采样值用于温度补偿的计算。EEPROM用于记录电路的工作模式(0代表补偿模式，非0代表标定模式)，温度采样点的数据表、各温度下应当施加的控制参数(即CS1，CS2，CF的容值)的数据表。控制器能够产生若干控制信号，包括插值运算单元使能信号，A/D转换器内部触发信号，移位寄存器1的串行输入/并行输入选择信号。 

所述温度补偿模块具有标定和补偿两种工作模式，工作模式字节预先存储在所述EEPROM存储器第一个存储区块的某个固定地址当中。在上电启动阶段，所述控制器读取该地址处的字节数据，若该字节为0，则工作在补偿模式，如说明书附图2所示，其过程为：所述差值运算使能信号有效，所述移位寄存器工作在并行输入模式，控制器定时在所述内部转换触发信号线上产生脉冲信号以读取当前温度，然后控制器在一个有限循环内遍历EEPROM里面存储的所述温度采样点线性表和所述各个控制参数(CS1，CS2，CF)相关线性表，在线性时间内通过牛顿插值算法计算出当前温度下所应采取的控制参数CS1，CS2，CF的数值。 

若控制器在启动阶段读取的工作模式字节非0，则工作在标定模式，如说明书附图3所示，其过程为：所述插值值运算使能信号无效，所述移位寄存器工作在串行输入模式，由外部输入CS1，CS2，CF的数值，外部在输入上述数据之后通过万用表或数据采集仪同步地测量加速度计的输出电压VOUT，在每个温度采样点通过上述方式输入多组控制参数CS1，CS2，CF并记录对应的输出电压VOUT，据此计算出各个温度采样点下所应采取的控制参数；在每个温度点下还应通过A/D转换器的外部触发信号线触发A/D转换器采样温度传感器的电压，并把该数值顺序记录在所属EEPROM当中；当标定完成并处理完数据之后由外部把处理结果(即各个温度下为了消除温漂，所应采取的控制参数CS1，CS2，CF的数值)写入EEPROM中。 

标定实验完成之后还需要把工作模式字节改为0，以便下次启动时进入补偿模式。 

附图说明：

图1加速度计系统原理图 

图2读出电路温度补偿模块逻辑框图 

图3补偿工作模式流程图 

图4标定工作模式流程图 

具体实施方式：

一，温度模型概述 

所述加速度计的静态温度模型为： 

$\mathrm{vout}=\mathrm{vp}\left(T\right)\frac{\mathrm{cs}2-\mathrm{cs}1+k\left(T\right)a+\mathrm{cs}0\left(T\right)}{\mathrm{cf}}+v_{\mathrm{off}}\left(T\right)$

上述模型不仅考虑到加速度计零阶和一阶系数的温漂，也考虑到激励信号vp以及偏置电压voff的温漂。 

设应用要求的指标为：标度因子s0，零点偏压为v0，那么由此得到温度T条件下所需的控制参数为 

$\mathrm{cf}=\frac{k\left(T\right)\mathrm{vp}\left(T\right)}{s0}$

$\frac{v0-v_{\mathrm{off}}\left(T\right)}{s0}k\left(t\right)-\mathrm{cs}0\left(T\right)$

二，实施温度标定实验 

将包含加速度计、读出电路的PCB电路板固定在安装在恒温箱中的分度头上。PC机通过串口与单片机连接，后者利用GPIO口连接所述电路的移位寄存器串行输入端，以及A/D转换器的外部触发端口。PC机还可以通过额外的串口或者GPIB接口与数字万用表相连，用于同步的测量输出电压VOUT。 

标定实验过程可以概述如下：控制恒温箱产生某一个温度，待温度稳定后，PC机首先通过串口通信接口向单片机发送预设的控制参数，等待单片机向所述读出电路写入数据之后，同步地通过GPIB接口控制数字万用表采集当前控制参数所对应的输出电压VOUT；在每一个温度采样点，如此向读出电路发送若干组独立的控制参数CS1，CS2，CF，同时在这些数据使能信号的作用下，所述读出电路的外部A/D转换器触发信号也会收到有效信号，读出电路会自动地累加当前的温度，最后把他们的平均值写入到EEPROM中，待补偿计算使用；重复执行以上步骤直到达到所需的采样点数目。 

三，数据处理 

设温度采样点为Ti(i＝0，1，…，N)，由温度模型以及标定实验得到的数据可以计算出温度Ti下所应采取的CF[Ti]，CS1[Ti]，CS2[Ti]的数值。为了便于进行牛顿差值计算，并不直接把CF[Ti]，CS1[Ti]，CS2[Ti]写入EEPROM，而是先对他们进行一步预处理，求出他们关于温度T的各阶均差，把这些均差存入EEPROM。 

以CF为例，根据牛顿差值公式： 

CF[T]＝D₀+D_[x0,x1]f₁(T)+D_[x0,x1,x2]f₂(T)+…+D_{[x0,x1，...，xN]}f_N(T) 

其中 

f_N(T)＝(T-T₀)(T-T₁)…(T-T_N-1) 

D₀＝CF[T0] 

$D_{[x0,x1]}=\frac{\mathrm{CF}\left[T0\right]-\mathrm{CF}\left[T1\right]}{T0-T1}$

… 

$D_{[x0,x1,...,\mathrm{xN}]}=\frac{D_{[x0,x1,...,\mathrm{xN}-1]}-D_{[x1,x2,...,\mathrm{xN}]}}{T0-\mathrm{TN}}$

由说明书附图2所述补偿算法流程可知，运算单元在控制器的控制下只需执行N次乘加运算即可得到当前温度T所需的控制参数CF[T].针对CS1，CS2进行同样地计算，把得到的数据存入EEPROM当中，最后把EEPROM中存储的工作模式字节改为0，则下次启动即可自动进行温度补偿。 

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。 

参考文献： 

【1】汪健 赵忠惠等.一种MEMS陀螺仪高阶温度补偿的实用方法[P].中国专利：201310136730 

【2】张霞 胡世昌等.一种用于电容式微机械加速度计的温度补偿[P].中国专利：201010182499 

【3】卢剑寒 李波等.小型温度补偿石英加速度计伺服电路[P].中国专利：201210329144.2。 

Claims (4)

1.一种包含温度补偿模块的新型的加速度计读出电路，其特征在于包含了由温度传感器，A/D转换器，插值运算单元，控制器，EEPROM以及以及移位寄存器构成的温度补偿模块，并且补偿模块能够根据温度变化实时地调整模拟电荷放大器的增益和偏置来实现温度补偿。

2.如权利要求1所述的加速度计读出电路，其特征在于具有两种工作模式：温度标定模式和温度补偿模式。工作模式字节存储在EEPROM上的特定地址处。首先从外部改写该工作模式字节为温度标定模式。完成标定实验之后把补偿所需数据写入EEPROM，再把工作模式改为温度补偿模式。在启动阶段，通过控制器读取EEPROM某特定地址处存储的工作模式字节来确定当前工作模式。

3.如权利要求1所述的加速度计读出电路，其特征在于：为了降低读出电路接口的复杂性，所述的A/D转换器的外部触发信号线和所述移位寄存器的使能信号线复用。

4.如权利要求1所述的加速度计读出电路，其特征在于引入了能够抵消加速度计和读出电路之间温度响应不同步的缺陷的机制：考虑到温度传感器当前的采样值对应的温度经过一个延时之后才能传递到传感器，电路包含了一个具有能够缓存多个温度传感器采样值的移位寄存器，形成一个温度采样值队列，当前的温度采样值插入到队尾，对应着当前电路的温度，而队列头部的温度采样值则对应着当前传感器的温度，补偿时把该值移除队列进行计算。