CN105785075B - 一种电容式惯性传感器数字伺服电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式惯性传感器数字伺服电路，包括电容式传感器、读出放大电路，模数转换器(ADC)，数字环路滤波器，多位量化器和脉冲宽度调制发生器。所述电容式传感器、读出放大电路，模数转换器(ADC)，数字环路滤波器，多位量化器和脉冲宽度调制发生器依次连接并构成回路。该电容式惯性传感器数字伺服电路采用数字环路滤波器，具有高的灵活性和精确性；采用多位量化器，实现多位量化，具有小的量化噪声、高线性度和高负载比；采用脉冲宽度调制发生器，产生差分的力反馈控制信号，来实现多位力反馈控制，可以大大的减小普通多位数模转换器(DAC)引入的非线性，并且提高对共模噪声的抑制能力。

Description

一种电容式惯性传感器数字伺服电路

技术领域

本发明属于传感器控制技术领域，具体涉及一种电容式惯性传感器数字伺服电路。

背景技术

电容式惯性传感器一般包括加速度传感器和陀螺仪等惯性传感器，由这些惯性传感器实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数，并将被测量的变化转化为电容的变化。

下面以MEMS(Micro Electro Mechanical System)电容式惯性传感器为例进行介绍。

随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的日益成熟，MEMS电容式惯性传感器由于具有体积小、灵敏度高、直流特性稳定、漂移小、功耗低、温度系数小等优点被广泛的运用，然而MEMS电容式惯性传感器的电容变化小，所以要求MEMS电容式惯性传感器伺服电路具有精度高，线性度好，动态范围大等特性。

现有MEMS电容式惯性传感器伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的电容式惯性传感器伺服电路在稳定性、线性度和动态范围等性能上都不如闭环结构的电容式惯性传感器伺服电路；数字信号输出的电容式惯性传感器伺服电路方便后续处理，如信号处理，储存，传输都比模拟信号方便，同时数字信号抗干扰能力强，所以下面主要分析MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路。

现有技术：现有MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路被最广泛运用的结构是单量化器1位反馈sigma-delta调制器(参见图2)。它包含读出放大电路，环路滤波器，比较器和1位力反馈控制信号发生器。其中读出放大电路将电容式惯性传感器电容的变化转换为电压的变化；环路滤波器将读出放大电路的输出信号进行处理，实现噪声的整形和整个闭环回路的稳定；比较器将环路滤波器的输出信号量化成1位的数字信号输出，以便于后续处理，同时输入给1位力反馈控制信号发生器；1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号。整个闭环回路实现对MEMS电容式惯性传感器的检测，并且数字化输出。这个结构的MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路存在以下一些缺点：

由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中的环路滤波器是用模拟电路实现的，而环路滤波器对数字闭环伺服电路的稳定性和噪声整形效果至关重要，所以对环路滤波器的参数精确性和匹配性要求高。然而由于MEMS制造工艺的复杂性和特殊性，MEMS电容式惯性传感器自身参数的准确性较差，分散性大，往往导致原本匹配好的环路滤波器变得不匹配，轻者导致数字闭环伺服电路性能下降，重者导致数字闭环伺服电路不稳定，无法正常工作；用模拟电路实现的环路滤波器由于集成电路加工的误差和寄生效应的存在，导致环路滤波器的参数精确性比较差，难于准确控制。

由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中使用比较器及1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号，所以这个数字闭环伺服电路具有量化噪声比较大，线性度较差，稳定性较差，实际最大检测量占整个系统设计量程的比例小等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度，高线性度，大动态范围的电容式惯性传感器数字伺服电路。

本发明的技术方案如下：一种电容式惯性传感器数字伺服电路，所述伺服电路包括：

一电容式传感器，所述传感器用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为电容的变化成为传感器输出信号；

一传感器电容检测单元，所述传感器电容检测单元将传感器输出信号转化为数字算法单元可识别的数字信号；

一数字算法单元，所述数字算法单元将所述的输入信号进行数字信号处理，实现噪声整形，实现对信号真值的估计，实现对整个闭环反馈系统的控制，实现整个环路的稳定性和其他性能的最佳，同时将高位宽的数字信号转化为低位宽的数字信号输出。

一脉冲宽度调制反馈单元，所述脉冲宽度调制反馈单元将所述的输入信号转换成差分式反馈控制信号，作用于电容式传感器上。

进一步地，所述脉冲宽度调制反馈单元包括脉冲宽度调制发生器。

进一步地，所述脉冲宽度调制装置根据多位量化器输出的低位宽数字信号的大小和极性转换成差分式的反馈控制信号，作用于电容式传感器上。

进一步地，所述数字算法单元，包括数字滤波器及多位量化器。

进一步地，所述数字滤波器将所述数字信号进行处理，实现噪声整形，实现对信号真值的估计，实现对整个闭环反馈系统的控制，实现整个环路的稳定性和其他性能的最佳，输出高位宽的数字信号；

所述多位量化器将所述高位宽的数字信号转换为包含电容式传感器检测量信息的低位宽的数字信号输出。

进一步地，所述传感器电容检测单元，包括读出装置及模数转换装置。

进一步地，所述读出装置为一读出放大电路，所述读出放大电路将所述传感器输出信号转化为模拟电压信号；所述模数转换装置为一模数转换器，将所述模拟电压信号转化为数字信号。

进一步地，所述电容式传感器、读出放大电路、模数转换器，数字环路滤波器，多位量化器及脉冲宽度调制发生器依次连接，构成闭环回路。

进一步地，所述电容式传感器包括待测电容的上中下极板，所述读出装置与所述上中下极板同时连接。

一种电容式惯性传感器数字伺服控制方法，所述方法包括如下步骤：

提供一电容式传感器，所述传感器用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为电容的变化成为传感器输出信号；

所述传感器电容检测单元，将传感器输出信号进行读出放大，转化为适合模数转换器输入的模拟电压信号，模数转换器将所述输入信号转化为数字信号；

所述数字算法单元，将所述的输入信号进行数字信号处理，实现噪声整形，实现对信号真值的估计，实现对整个闭环反馈系统的控制，实现整个环路的稳定性和其他性能的最佳，同时将高位宽的数字信号转化为低位宽的数字信号输出。

所述脉冲宽度调制反馈单元，将所述的输入信号转换成差分式反馈控制信号，作用于电容式传感器上，平衡所述惯性力。

本发明的有益效果为：实现了电容式惯性传感器检测信号的数字化输出，同时由于采用数字环路滤波器，具有高的灵活性，可以根据不同电容式惯性传感器的参数实时的、精确的调整数字环路滤波器的参数，以达到最好匹配，使整个数字闭环伺服电路性能最佳；

采用多位量化器，具有小的量化噪声、高线性度和高负载比，同时由于环路滤波器是数字化实现的，所以增加少量的硬件资源，就能实现多位量化器；采用脉冲宽度调制发生器，产生差分的力反馈控制信号，来实现多位力反馈控制，可以进一步提高线性度，并且提高对共模噪声的抑制能力。

附图说明

图1是本发明一种电容式惯性传感器数字伺服电路结构示意图；

图2是现有技术中的电容式惯性传感器数字伺服电路结构示意图；

图3是本发明提供的实施例中MEMS电容式加速度传感器数字伺服电路结构示意图；

图4是本发明提供的实施例中读出放大电路时序的示意图；

图5是本发明提供的实施例中MEMS电容式加速度传感器数字伺服电路等效的线性模型示意图；

图6是本发明提供的实施例中脉冲宽度调制发生器输出信号phtc/phbc的一种时序的示意图；

图7是本发明提供的实施例中MEMS电容式加速度传感器数字伺服电路系统仿真得到的PSD示意图；

图8是本发明提供的实施例中现有技术统仿真得到的PSD示意图；

图9是本发明提供的实施例中不同输入加速度，本发明与现有技术的系统信噪比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见说明书附图1及附图3，为本发明提供的MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路实施例示意图。

本实施例提供的MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路，包括：三明治式电容加速度传感器1、读出放大电路2，模数转换器3(ADC)，数字环路滤波器4，多位量化器5和脉冲宽度调制发生器6。

所述电容式传感器1为MEMS三明治式电容加速度传感器，所述MEMS三明治式电容加速度传感器可以等效成一个二阶系统。

读出放大电路2与MEMS三明治式电容加速度传感器待测电容的上中下极板与相连；读出放大电路2的输出端与模数转换器3(ADC)相连；模数转换器3(ADC)的输出端与数字环路滤波器4相连；数字环路滤波器4的输出端与多位量化器5相连；多位量化器5的输出端输出多位的数字信号给后续处理，同时多位量化器5的输出端与脉冲宽度调制发生器6相连；脉冲宽度调制发生器6的输出端与读出放大电路2相连。

读出放大电路2为常用的开关电容式读出电路，其工作时序如图4所示。Φ1时间段为采样时间，Φ2时刻为读出放大器时间，在Φ2高电平结束时，读出放大电路2完成对Φ1时间段采样的电容变化的读出放大，此时输出的电压为V_o：

其中C_T为三明治式电容加速度传感器1上极板电容，C_B三明治式电容加速度传感器1下极板电容，C_f，为读出放大电路2的反馈电容，V_p、V_n是连接在三明治式电容加速度传感器1上下极板电容的不同电压。

模数转换器3(ADC)将此电压数字化，以便后续电路的处理，此处模数转换器3(ADC)也会引入量化噪声，所以此处模数转换器3(ADC)位数的选择结合考虑整个系统所要求的噪声水平。

数字环路滤波器4是一个3阶ARMA模型，实现对噪声的整形，对信号的估计；同时对整个闭环反馈系统进行调整，实现整个闭环反馈系统的稳定性和大动态范围。下面我们具体说明如何选取数字环路滤波器4的参数，参考图5，该图为MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路包括传感器在内的等效线性模型。

三明治式电容加速度传感器1的s域线性模型为：

其中kxtc为传感器将位移的变化转化成电容变化的比例因子，ω_n为传感器的谐振频率，Q为传感器的品质因数。

将s域线性模型转换成Z域的一般表达式：

读出放大电路2的线性模型为：k_afe。

模数转换器3(ADC)的线性模型为：增益为k_q1，外加均值为0，方差为Q₁的高斯白噪声。

数字环路滤波器4线性模型为：3阶ARMA模型：

多位量化器5的线性模型为：增益为k_q2，外加均值为0，方差为Q₂的高斯白噪声。

脉冲宽度调制发生器6和力反馈单元线性模型为：

T(z)＝k_fb·(c+dZ^-1)

k_fb为力反馈单元的比例因子。

由于模数转换器3(ADC)引入的量化噪声，远小于多位量化器5引入的量化噪声，所以数字环路滤波器4参数的选择是根据量化器的噪声传递函数来确定的。

将NTF(z)转化成频域NTF(ω)，根据带宽内的噪声功率最小原则，确定NTF(ω)的零点，由于k_afe、k_q1、k_q2、k_fb、M(z)、T(z)为已知量，所以能确定数字环路滤波器4的参数a_i。

ω_B为整个数字伺服电路的带宽，P_niose多位量化器5的噪声功率谱密度。

再根据已有几种模拟滤波器原型(切比雪夫滤波器，巴特沃斯滤波器等)，结合系统带宽，映射到离散数字滤波器中，确定数字环路滤波器4的参数b_i。

最后由于整个数字伺服电路是一个复杂的非线性系统，所以利用上述线性模型的方法确定的参数只能是一个大致的范围，所以根据数字环路滤波器4参数对系统性能的影响的大小，有权重的系统仿真扫描这些参数，最终确定最佳匹配的参数。

多位量化器5，采用均匀量化的方式，将数字环路滤波器4输出的高位宽的数字信号量化成低位宽的数字信号，以便于后面脉冲宽度调制发生器6的工作。

脉冲宽度调制发生器6，根据多位量化器5输出的数字信号，转换成差分式的，脉冲宽度可调的力反馈脉冲控制信号，实现多位力反馈控制。参考图6为实施例中的一种情况，phtc的脉宽为8t₀，phbc的脉宽为4t₀，所以作用于三明治式电容加速度传感器1静电力反馈的净时间为4t₀，方向向下。可以通过控制phtc和phbc的脉宽，使作用于三明治式电容加速度传感器1静电力反馈的净时间不同，从而实现多位静电力反馈控制。

本发明提供的MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路，按照图5的线性模型，对数字环路滤波器4进行最佳匹配，多位量化器5是5位均匀量化的量化器，设计最大可检测加速度为1.63g，对这个数字闭环电路包括MEMS加速度传感器进行系统仿真，输入加速度0.1g，最后结果参考图7。同样的MEMS加速度传感器模型，采用现有技术，其电路结构参考图2，并对数字环路滤波器4进行最佳匹配，对这个数字闭环电路包括MEMS加速度传感器进行系统仿真，输入加速度0.1g，最后结果参考图8。同时对本发明提供的MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路和采用现有技术的输入加速度进行扫描，看它们的实际最大能检测加速度，最后结果参考图9。有图7，图8，图9以及表格1，可以看出本发明提供的MEMS三明治式电容加速度传感器的数字伺服电路在噪声基底，线性度，和负载比(实际最大能检测加速度与设计最大可检测加速度之比)都好于现有技术。

表格1。

Claims (4)

1.一种电容式惯性传感器数字伺服电路，其特征在于，所述伺服电路包括一电容加速度传感器、一传感器电容检测单元、一数字算法单元及一脉冲宽度调制反馈单元，所述电容加速度传感器、传感器电容检测单元、数字算法单元及脉冲宽度调制反馈单元依次连接并构成回路,所述传感器电容检测单元包括依次连接的读出放大电路和模数转换器，所述数字算法单元包括数字环路滤波器及多位量化器，所述模数转换器通过数字环路滤波器连接多位量化器，所述读出放大电路将电容加速度传感器的输出信号转换为模拟电压信号；模数转换器将该模拟电压信号转换为数字信号；数字环路滤波器将所述数字信号转换为高位宽的数字信号；多位量化器将高位宽的数字信号进行多位量化后转换为低位宽的数字信号；脉冲宽度调制反馈单元将低位宽的数字信号转换为差分式的反馈控制信号，并反馈作用到电容加速度传感器上。

2.根据权利要求1所述的一种电容式惯性传感器数字伺服电路，其特征在于，所述电容加速度传感器用于感受加速度信号，将所述加速度信号转化为电容的变化成为传感器输出信号；所述输出信号经由传感器电容检测单元转化为数字算法单元可识别的数字信号。

3.根据权利要求1所述的一种电容式惯性传感器数字伺服电路，其特征在于，所述电容加速度传感器包括待测电容的上中下极板，所述读出放大电路与所述上中下极板同时连接。

4.一种如权利要求1所述电容式惯性传感器数字伺服电路的数字伺服控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

利用电容加速度传感器感受加速度信号，将加速度信号转换为电容的变化成为传感器的输出信号；

利用读出放大电路将电容加速度传感器的输出信号转换为模拟电压信号；

利用模数转换器将该模拟电压信号转换为数字信号；

利用数字环路滤波器将所述数字信号转换为高位宽的数字信号；

利用多位量化器将高位宽的数字信号进行多位量化后转换为低位宽的数字信号；

利用脉冲宽度调制反馈单元将低位宽的数字信号转换为差分式的反馈控制信号，并反馈作用到电容加速度传感器上，用于平衡惯性力。