CN107192851A - 一种电荷调制器加速度计电容检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电荷调制器加速度计电容检测系统，所述系统包括：敏感结构电容模块、载波发生模块、基础电容补偿模块、输入共模补偿模块、开关电容积分器模块、一位的数模转换模块、加法器模块、后端数字处理与补偿模块、数字处理与补偿参数调整模块、电路串行输出模块；解决了现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题，实现了系统设计合理，不易受到环境和自身的影响，检测结果准确，且功耗较低的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及加速度计研究领域，具体地，涉及一种电荷调制器加速度计电容检测系统。
背景技术
当前加速度计广泛应用于汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域。相比于压阻式加速度计，电容式加速度计以其低温度灵敏性而大受欢迎。另外，和模拟加速度计相比，数字加速度计具有无需额外的ADC就可以直接进行误差矫正和补偿的优势成为主流选择。
如图2是传统的数字加速度计电容检测电路结构。传统的数字加速度计电容检测电路有两个重要的模块，电容-电压转化器(C/V)及其后级的电压-数字转换器(V/D)。但是这种组合存在着三个主要的缺点：第一，转换为电压这种方式很容易受环境因素(如温度)，以及电路自身噪声的影响；第二，在大多数的电容检测电路中，C/V模块都消耗着相当多的功耗，因为它需要较大的带宽和很高的增益以实现低噪声的输出，这是低功耗设计很不希望的。第三，由于在MEMS制造过程中会存在大的工艺偏差，传感器敏感结构的基础电容可能会有很大变化，这将会给前端C/V设计带来很大的难题。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种电荷调制器加速度计电容检测系统，解决了现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题，实现了系统设计合理，不易受到环境和自身的影响，检测结果准确，且功耗较低的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种电荷Sigma-Delta调制器加速度计电容检测系统，所述系统包括：
敏感结构电容模块、载波发生模块、基础电容补偿模块、输入共模补偿模块、开关电容积分器模块、一位的数模转换模块、加法器模块、后端数字处理与补偿模块、数字处理与补偿参数调整模块、电路串行输出模块；输入共模补偿模块包括：输入共模补偿+、输入共模补偿-；一位的数模转换模块包括：D/A1和D/A2；加法器模块包括：add1、add2、add3、add4；其中，敏感结构电容模块的检测端口Vst连接加法器add1的输入正端口，另一检测端Vsb连接加法器模块add2的输入正端口；开关电容积分器模块中的多个积分器连接成多级开关电容Sigma-Delta调制器；基础电容补偿模块连接在Vst端与Vsb端之间；输入共模补偿+的输入为Sigma Delta调制器结构的中间级输出C，输出连接到加法器add3的输入正端口；输入共模补偿-的输入为Sigma Delta调制器结构的中间级输出D，输出连接到加法器add4的输入正端口；C连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的正输出端，D连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的负输出端口；载波发生模块连接到敏感结构电容模块的Vctr端；D/A1的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器add3的输入正端口，D/A2的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器add4的输入正端口；加法器add3的输出连接到add1输入负端口，加法器add4的输出连接到add2输入负端口；加法器add1的输出连接到Sigma-Delta调制器的输入A，加法器add2的输出连接到Sigma-Delta调制器的输入B；A连接Sigma Delta调制器器结构中第一级开关电容积分器的负输入，B连接Sigma Delta调制器结构第一级开关电容积分器的正输入端；后端数字处理与补偿模块的输入为一位的数模转换模块的数字输出流，输出送入到电路串行输出模块，将数字结果传送出去。
进一步的，敏感结构电容模块用于将外界加速度信号转换为电容的变化量；载波发生模块用于产生方波信号对加速度计敏感结构电容进行充放电；基础电容补偿模块用于补偿加速度计敏感结构的基础电容；输入共模补偿模块用于检测第一级开关电容积分器输出共模量并反馈到开关电容积分器；开关电容积分器模块用于对输入差值进行积分；一位的数模转换模块用于将调制器的数字输出转换为电压反馈到第一级开关电容积分器，加法器模块用于完成电荷的加减运算；后端数字处理与补偿模块用于对一位的数字输出流做数字处理与补偿；数字处理与补偿参数调整模块用于对数字处理与补偿电路进行参数调试；电路串行输出模块用于将系统的检测结果串行输出。
其中，本申请中的加速度计电容检测系统具有如下特点：加速度计的敏感结构电容直接被用作Sigma Delta调制器的第一级开关电容积分器的输入采样电容，成为调制器整体的一部分；加速度计敏感结构电容由图1中基础电容补偿阵列电路模块进行补偿。输入共模补偿电路模块，检测第一级开关电容积分器的输出电压，并反馈到第一级积分器，实现对输入共模的补偿。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请中新的集成检测电路系统，通过将敏感结构与Sigma-Delta调制器结合来解决上述的问题，敏感结构的差分电容被用作Sigma-Delta调制器的采样电容。差分电容的变化直接转换成了Sigma-Delta环路中的误差信号，因而这里就不再需要把电压作为转换中介。该结构还有另一个好处，前端运放仅仅是一个简单的集成运放，而不在是需要消耗掉大量功耗的C/V，因此，有效降低了系统的功耗。同时为了解决前端输入共模得到问题，本文也提出了一个适当的输入共模补偿反馈电路。解决了现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题，实现了系统设计合理，不易受到环境和自身的影响，检测结果准确，且功耗较低的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是电荷Sigma Delta调制器加速度计电容检测电路框图；
图2是传统加速度计电容检测电路框图；
图3数字加速度计电容检测电路应用实例；
图4Non-Overlapping Clock(非重叠时钟)要求的时序图。
具体实施方式
本发明提供了一种电荷调制器加速度计电容检测系统，解决了现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题，实现了系统设计合理，不易受到环境和自身的影响，检测结果准确，且功耗较低的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请提供了本发明的集成全差分加速度计电容检测系统，通过将敏感结构与Sigma-Delta调制器相结合，敏感结构的差分电容被用作Sigma-Delta调制器的采样电容，其结构如图1所示，系统包括电容式加速度计中的敏感结构电容模块【加速度计敏感结构】、载波发生模块【载波信号发生电路】、基础电容补偿模块【基础电容补偿阵列】、输入共模补偿模块【输入共模补偿+】和【输入共模补偿-】、开关电容积分器模块【积分器】、一位的数模转换模块【D/A1】和【D/A2】、加法器模块【add1】【add2】【add3】【add4】、后端数字处理与补偿模块【数字处理与补偿电路】、数字处理与补偿参数调整模块【OTP参数调试与修改模块】、电路串行输出模块【数字串行输出接口】。
【加速度计敏感结构】用于将外界加速度信号转换为电容的变化量，【载波信号发生电路】用于产生方波信号对加速度计敏感结构电容进行充放电，【基础电容补偿阵列】用于补偿加速度计敏感结构的基础电容，【输入共模补偿+】和【输入共模补偿-】用于检测第一级开关电容积分器输出共模量并反馈到开关电容积分器，【积分器】用于对输入差值进行积分，【D/A1】和【D/A2】用于将调制器的数字输出转换为电压反馈到第一级开关电容积分器，【add1】【add2】【add3】【add4】用于完成电荷的加减运算，【数字处理与补偿电路】用于对一位的数字输出流做数字处理与补偿，【OTP参数调试与修改模块】用于对数字处理与补偿电路进行参数调试，【数字串行输出接口】用于将系统的检测结果串行输出。
【加速度计敏感结构】模块的检测端口【Vst】连接加法器【add1】的输入正端口，另一检测端【Vsb】连接加法器【add2】的输入正端口。调制器中的【积分器】连接成多级开关电容Sigma-Delta调制器的结构，【基础电容补偿阵列】连接在【加速度计敏感结构】的检测端【Vst】与【Vsb】。【输入共模补偿+】的输入为Sigma Delta调制器结构的【C】，输出连接到加法器【add3】的输入正端口。【输入共模补偿-】的输入为Sigma Delta调制器结构的【D】，输出连接到加法器【add4】的输入正端口。【C】连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的正输出端，【D】连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的负输出端口。【载波信号发生电路】连接到【加速度计敏感结构】的【Vctr】端。一位【D/A1】的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器【add3】的输入正端口，一位【D/A2】的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器【add4】的输入正端口。加法器【add3】的输出连接到【add1】输入负端口，加法器【add4】的输出链接到【add2】输入负端口。加法器【add1】的输出连接到Sigma-Delta调制器的【A】，加法器【add2】的输出连接到Sigma-Delta调制器的【B】。【A】连接SigmaDelta调制器器结构中第一级开关电容积分器的负输入，【B】连接Sigma Delta调制器结构第一级开关电容积分器的正输入端。【数字处理与补偿电路】模块的输入为一位的数字输出流，输出送入到【数字输出串行接口】模块，将数字结果传送出去。【OTP参数调试与修改模块】控制【数字处理与补偿电路】模块。
本发明的数字加速计电容检测电路，需要由外部产生稳定的直流供电电压和时钟信号，在经过检测电路处理之后，加速度信号直接转换为数字串行信号输出，在后级的数字电路中完成降采样和数字滤波，，并且可以对结果做数字补偿，在经过数字电路的处理与补偿之后，后边可直接到单片机或上位机，由它们将数字信号读出。作为它们加速度信号的数据源。如图3所示电路框图，其所采用的时序如图4所示，该电路就是完成加速度计电容检测的一种应用形式。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本申请中新的集成检测电路系统，通过将敏感结构与Sigma-Delta调制器结合来解决上述的问题，敏感结构的差分电容被用作Sigma-Delta调制器的采样电容。差分电容的变化直接转换成了Sigma-Delta环路中的误差信号，因而这里就不再需要把电压作为转换中介。该结构还有另一个好处，前端运放仅仅是一个简单的集成运放，而不在是需要消耗掉大量功耗的C/V，因此，有效降低了系统的功耗。同时为了解决前端输入共模得到问题，本文也提出了一个适当的输入共模补偿反馈电路。解决了现有的加速度计电容检测电路存在容易受到环境和自身因素影响，且功耗较高，不便于补偿的技术问题，实现了系统设计合理，不易受到环境和自身的影响，检测结果准确，且功耗较低的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种电荷调制器加速度计电容检测系统，其特征在于，所述系统包括：
敏感结构电容模块、载波发生模块、基础电容补偿模块、输入共模补偿模块、开关电容积分器模块、一位的数模转换模块、加法器模块、后端数字处理与补偿模块、数字处理与补偿参数调整模块、电路串行输出模块；输入共模补偿模块包括：输入共模补偿+、输入共模补偿-；一位的数模转换模块包括：D/A1和D/A2；加法器模块包括：add1、add2、add3、add4；其中，敏感结构电容模块的检测端口Vst连接加法器add1的输入正端口，另一检测端Vsb连接加法器模块add2的输入正端口；开关电容积分器模块中的多个开关电容积分器连接成开关电容Sigma-Delta调制器；基础电容补偿模块连接在Vst端与Vsb端之间；输入共模补偿+的输入为Sigma Delta调制器结构的中间级输出C，输出连接到加法器add3的输入正端口；输入共模补偿-的输入为Sigma Delta调制器结构的中间级输出D，输出连接到加法器add4的输入正端口；C连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的正输出端，D连接Sigma Delta调制器结构中第一级开关电容积分器的负输出端口；载波发生模块连接到敏感结构电容模块的Vctr端；D/A1的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器add3的输入正端口，D/A2的输入为调制器数字输出流，输出连接到加法器add4的输入正端口；加法器add3的输出连接到add1输入负端口，加法器add4的输出连接到add2输入负端口；加法器add1的输出连接到Sigma-Delta调制器的输入A，加法器add2的输出连接到Sigma-Delta调制器的输入B；A连接Sigma Delta调制器器结构中第一级开关电容积分器的负输入，B连接Sigma Delta调制器结构第一级开关电容积分器的正输入端；后端数字处理与补偿模块的输入为一位的数模转换模块的数字输出流，输出送入到电路串行输出模块，将数字结果传送出去。
2.根据权利要求1所述的电荷调制器加速度计电容检测系统，其特征在于，敏感结构电容模块用于将外界加速度信号转换为电容的变化量；载波发生模块用于产生方波信号对加速度计敏感结构电容进行充放电；基础电容补偿模块用于补偿加速度计敏感结构的基础电容；输入共模补偿模块用于检测第一级开关电容积分器输出共模量并反馈到开关电容积分器；开关电容积分器模块用于对输入差值进行积分；一位的数模转换模块用于将调制器的数字输出转换为电压反馈到第一级开关电容积分器，加法器模块用于完成电荷的加减运算；后端数字处理与补偿模块用于对一位的数字输出流做数字处理与补偿；数字处理与补偿参数调整模块用于对数字处理与补偿电路进行参数调试；电路串行输出模块用于将系统的检测结果串行输出。
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