CN109633207B - 一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法，所述在线自检测系统包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。本发明采用电学静电力激励MEMS敏感结构，可以实现加速度计谐波失真的自检测，避免了传统检测方式中对复杂仪器设备的依赖并能实现在线测量。

Description

一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法

技术领域

本发明属于传感器接口专用集成电路技术领域，涉及一种MEMS加速度计片上实时在线自检测系统及方法。

背景技术

在MEMS加速度计中，电容式敏感结构是实际应用中最为广泛使用的敏感结构类型。这不仅由于其具有更好的稳定性和工艺适应性，其平行板结构更容易通过静电力实现闭环静电伺服也是一个重要的原因。闭环静电力伺服技术不仅有效提高了加速度计的带宽、线性度、动态范围等重要指标，而且缓解了敏感结构设计时所遇到的相互矛盾的折中关系，使得低阻尼真空封装结构得以采用，从而大幅降低了敏感结构的机械噪声。

在此基础上，近年来又演变出将MEMS敏感结构包含到Sigma-Delta闭环中的数字闭环实现方案。该方案集成了模拟闭环方案的优点，又兼具有直接的数字输出功能。由于其具有简洁紧凑、高效率、高性能的优点，成为高端电容式MEMS加速度计接口电路的首选解决方案。

发明内容

为了解决MEMS器件参数易漂移、易失效以及传统检测方案受限于复杂仪器设备难以完成实时在线测量的问题，本发明以Sigma-Delta数字闭环加速度计检测方案为基础，提出了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法，从而实现对其工作状态的实时监控以及环路谐波失真的在线测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：

所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；

所述上电极通过第三开关与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端相连，通过第一开关与正电源相连，通过第五开关与零电压相连；

所述下电极通过第四开关与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端相连，通过第二开关与负电源相连，通过第六开关与零电压相连；

所述中间质量块通过第九开关与电荷放大器的输入端相连，通过第八开关与负电源相连，通过第七开关与零电压相连；

所述电荷放大器的输出端与环路补偿器的输入端相连；

所述环路补偿器的输出端与Sigma-Delta调制器的前馈输入端相连；

所述Sigma-Delta调制器的反馈输入端与数字运算单元的输出端相连；

所述Sigma-Delta调制器的同相输出端与所述数字信号处理模块的第一输入端相连；

所述数字信号处理模块的第二输入端与数字自检测激励源的输出端相连；

所述数字自检测激励源的输出端与数字运算单元的第一输入端相连；

所述数字运算单元的第二输入端与Sigma-Delta调制器的同相输出端相连；

所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；

所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。

一种利用上述数字闭环加速度计片上在线自检测系统进行系统环路增益及谐波失真幅度的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将MEMS敏感结构置于闭环负反馈伺服系统中，调整闭环负反馈伺服系统稳定工作；

步骤二、生成一位数字自检测正弦激励，将自检测激励注入到闭环负反馈伺服系统中；

步骤三、所注入的自检测激励信号V_t与闭环负反馈伺服系统输出信号V_out相减获得数字残差信号V_error，数字残差信号V_error进一步注入到Sigma-Delta调制器的反馈网络中；

步骤四、分别对自检测激励信号V_t与闭环负反馈伺服系统输出信号V_out进行采样，并利用数字信号处理模块计算闭环负反馈伺服系统环路增益LG：

步骤五、利用数字信号处理模块对步骤四求得的闭环负反馈伺服系统环路增益LG进行频谱分析，进一步获得闭环负反馈伺服系统环路增益的大小及其各次谐波分量的幅度。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用电学静电力激励MEMS敏感结构，可以实现加速度计谐波失真的自检测，避免了传统检测方式中对复杂仪器设备的依赖并能实现在线测量。

2、本发明针对Sigma-Delta数字闭环加速度计的特点，利用其便捷的数字接口施加一位量化的Sigma-Delta调制的数字自检测激励。

3、数字自检测激励具有带内噪声低、失真小的特点，与模拟实现方案相比具有实现简单、稳定可靠、控制便捷、面积紧凑、易于片上集成等多种优点，非常适合搭建片上自检系统。

附图说明

图1为本发明中所述数字闭环加速度计片上在线自检测系统的结构示意图；

图2为本发明中所述数字闭环加速度计片上在线自检测系统的小信号数学抽象模型；

图3为本发明中所述数字闭环加速度计自检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，如图1所示，所述在线自检测系统800由MEMS敏感结构100、电荷放大器200、环路补偿器300、Sigma-Delta调制器400、数字自检测激励源500、数字运算单元600、数字信号处理模块700构成，其中：

所述电容式MEMS敏感结构100由上电极101、质量块102、下电极103三个部分构成，所述上电极101与质量块102构成第一敏感电容C_S1，所述下电极103与质量块102构成第二敏感电容C_S2。当存在外界加速度时，所述第一敏感电容C_S1、第二敏感电容C_S2差分变化，小信号条件下，差分电容变化ΔC正比于输入加速度的大小a_in。所述上电极101通过第五开关S5与零电位相连，通过第一开关S1与正电源+Vs相连，通过第三开关S3与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端D_out-相连。所述下电极103通过第六开关S6与零电位相连，通过第二开关S2与负电源-Vs相连，通过第四开关S4与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端D_out+相连。所述MEMS敏感结构100在所述控制开关S1～S6的控制下，分别在检测、力反馈、清零三个状态中切换，完成对外界物理加速度的感知，实现闭环静电力控制，并在控制结束后清除质量块上所受静电力。

所述电荷放大器200由运算放大器201、反馈电容C_f和第十开关S10构成。所述反馈电容C_f与所述第十开关S10并联，跨接在所述运算放大器201的负输入端与输出端之间。所述运算放大器201的负输入端通过第九开关S9与所述敏感结构100的质量块102相连。所述运算放大器201的输出端与所述环路补偿器300的输入端相连。所述运算放大器201的正输入端与零电位相连。当在检测状态中，所述电荷放大器200与所述第一敏感电容C_S1和第二敏感电容C_S2构成电容式比例放大结构，所述电荷放大器200的输出电压正比于所述差分电容变化ΔC，实现差分电容变化ΔC到电压的转换。

所述环路补偿器300由开关电容滤波器实现比例微分控制，为系统提供一定超前相位补偿，以避免发生环路震荡。所述环路补偿器300的输入端与所述电荷放大器200的输出端相连。所述环路补偿器300的输出端与所述Sigma-Delta调制器400的前馈输入端L₀相连。

所述Sigma-Delta调制器400抽象成由前馈网络和反馈网络组成的四端口网络。所述四端口网络具有两个输入端和两个输出端，分别为：前馈输入端L₀、反馈输入端L₁、同相输出端D_out+、反相输出端D_out-。所述前馈输入端L₀为前馈网络的等效输入，所述反馈输入端L₁为反馈网络的等效输入。所述同相输出端D_out+输出与所述前馈输入端L₀同相位的一位数字位流信号，所述反相输出端D_out-输出与所述同相输出端D_out+逻辑值相反的一位数字位流信号。所述前馈输入端L₀与环路补偿器300的输出端相连。所述反馈输入端L₁与数字运算单元600的输出端相连。所述同相输出端D_out+通过第四控制开关S4与MEMS敏感结构100的下电极103相连。所述反相输出端D_out-通过第三控制开关S3与MEMS敏感结构100的上电极101相连。所述同相输出端D_out+的输出信号V_out是所述在线自检测系统800的最终输出数字信号。所述Sigma-Delta调制器400实现模拟电压到数字位流信号的转换，并将所获得的数字位流信号反馈到所述电容式MEMS敏感结构100上，构成数字静电力伺服系统，使所述质量块102伺服在平衡位置，减少了所述质量块102的位移，提高了系统的线性度。此外，所述Sigma-Delta调制器400内部的数字接口也为数字自检测激励的施加提供了便捷的条件。

所述数字自检测激励源500由片上数字电路实现，产生一位数字正弦自检测激励V_t，用于激励反馈环路以测量系统响应。所述数字自检测激励源500具有一个片外控制端，通过所述片外控制端可以控制自检测激励的幅度、相位以及谐振频率。所述数字自检测激励源500的输出端与所述数字运算单元600的第一输入端相连，所述数字运算单元600的第二输入端与Sigma-Delta调制器的同相输出端D_out+相连。

所述数字信号处理模块700由片外DSP芯片实现。所述数字信号处理模块700主要负责在自检测模式下，对自检测激励信号V_t和系统输出信号V_out进行采样、解调和运算，进而计算出系统环路增益，并对其进行频谱分析。通过所述频谱分析的结果，计算出所述在线自检测系统800的环路增益、谐波失真等参数。所述数字信号处理模块700的第一输入端与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端D_out+相连，所述数字信号处理模块700的第二输入端与数字自检测激励源500的输出端相连。

所述MEMS敏感结构100负责将物理加速度转化为电学的差分变化的电容值。所述差分变化的电容值进一步被所述电荷放大器200检测、放大、转化为电压信号。所述电压信号进一步被后续所述环路补偿器300与所述Sigma-Delta调制器400处理，实现相位补偿、一位量化及噪声整形，最终形成一位量化的系统数字输出信号。所述系统数字输出信号加载到所述MEMS敏感结构100上构成闭环负反馈伺服系统，通过静电力作用将所述MEMS敏感结构100伺服控制在平衡位置。在所述闭环负反馈伺服系统正常工作状态下，所述闭环负反馈伺服系统的带内环路增益足够大，伺服控制误差趋近于零，所述闭环负反馈伺服系统数字输出信号就很好的反应了外界物理加速度的大小。

在自检测模式下，所述数字自检测激励源500产生一位量化的数字正弦自检测激励。所述数字正弦自检测激励与所述闭环负反馈伺服系统数字输出信号进行数字相减运算，得到数字残差信号。所述数字残差信号通过所述Sigma-Delta调制器400的反馈网络加入到闭环负反馈伺服系统中。最后，所述数字正弦自检测激励与闭环负反馈伺服系统数字输出信号一起进入所述数字信号处理模块700。由接下来对闭环网络数学模型的分析可知，在环路增益足够大的情况下，可以通过所述自检测激励的幅度与闭环负反馈伺服系统数字输出信号的幅度求解出系统环路增益。对所求解出的系统环路增益进行频谱分析就可以得到闭环负反馈伺服系统环路增益的大小以及各次谐波分量的幅值。通过所述所述闭环负反馈伺服系统环路增益的大小可以监控系统是否成功达成有效的闭环伺服条件，进而反映出闭环负反馈伺服系统的正常工作情况。通过所述闭环负反馈伺服系统环路增益的各次谐波分量的幅值可以反映出闭环负反馈伺服系统的动态谐波失真幅度，进而反映出闭环负反馈伺服系统的非线性程度。

为了清楚的说明本发明中自检测模式下环路增益与谐波失真分析的原理，现结合图2所示系统的小信号数学抽象模型进行自检测原理的阐述。

如图2所示，图1中所述在线自检测系统800的各个模块可抽象成对应的数学模型。其中：

所述MEMS敏感结构100等效为敏感结构特征方程H_ms(s)与电容变化系数K_x/ΔC的乘积。所述敏感结构特征方程H_ms(s)描述外界加速度a_in与所述质量块102的位移x之间的关系。所述电容变化系数K_x/ΔC描述在小信号模式下的位移x到差分电容变化ΔC的转换关系。

所述电荷放大器200等效为增益级K_ΔC/V，描述所述差分电容变化ΔC到电压信号的转换关系。

所述环路补偿器300等效为离散时间z域表达式Hc(z)。可选的，环路补偿器可设计为比例微分环节，对应z域函数表达式可表示为：

Hc(z)＝1-αz^-1 (1)；

其中，α为补偿深度。

所述Sigma-Delta调制器400等效为由前馈网络与反馈网络叠加而成的离散时间滤波器。所述前馈网络z域表达式为L₀(z)，所述反馈网络z域表达式为L₁(z)。所述Sigma-Delta调制器400的信号传递函数表达式STF(z)可表示为：

所述静电力反馈关系由电压到等效加速度的换算关系由K_V/a表示。

通过图2所示的数学模型，在正常工作模式下时，可以计算出闭环负反馈伺服系统的环路增益LG(z)为：

在自检测模式时，所述数字自检测激励V_t加入到环路之中。通过图2所示的数学模型可以计算出在自检测激励下的闭环负反馈伺服系统输出V_out为：

考虑到，所述Sigma-Delta调制器400为过采样系统，自检测激励V_t的频率远远小于采样频率。对于低频带内信号，且所述Sigma-Delta调制器400的前馈网络L₁(z)为3阶积分环节，因此L₁(z)远大于1，则式(4)可进一步化简为：

即：

因此闭环负反馈伺服系统的环路增益LG(z)的特性可以通过自检测数字激励V_t与闭环负反馈伺服系统数字输出V_out计算得到。所述计算工作可以通过片外数字信号处理模块实现。利用式(6)，通过计算基波处信号的幅度可以得到带内环路增益大小，进而通过所述带内环路增益的大小判断闭环负反馈伺服系统是否成功达成闭环静电力伺服条件，进而表征出闭环负反馈伺服系统的工作状态是否出现异常。利用式(6)，通过计算各次谐波处信号的幅度，可以反映出环路增益的谐波失真水平，进而反映出闭环负反馈伺服系统的非线性程度。

Claims (5)

1.一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述在线自检测系统包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：

所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；

所述上电极通过第三开关与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端相连，通过第一开关与正电源相连，通过第五开关与零电压相连；

所述下电极通过第四开关与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端相连，通过第二开关与负电源相连，通过第六开关与零电压相连；

所述中间质量块通过第九开关与电荷放大器的输入端相连，通过第八开关与负电源相连，通过第七开关与零电压相连；

所述电荷放大器的输出端与环路补偿器的输入端相连；

所述环路补偿器的输出端与Sigma-Delta调制器的前馈输入端相连；

所述Sigma-Delta调制器的反馈输入端与数字运算单元的输出端相连；

所述Sigma-Delta调制器的同相输出端与所述数字信号处理模块的第一输入端相连；

所述数字信号处理模块的第二输入端与数字自检测激励源的输出端相连；

所述数字自检测激励源的输出端与数字运算单元的第一输入端相连；

所述数字运算单元的第二输入端与Sigma-Delta调制器的同相输出端相连；

所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；

所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。

2.根据权利要求1所述的数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述上电极与质量块构成第一敏感电容C_S1；所述下电极与质量块构成第二敏感电容C_S2。

3.根据权利要求1所述的数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述电荷放大器由运算放大器、反馈电容C_f和第十开关构成，所述反馈电容与所述第十开关并联，跨接在所述运算放大器的负输入端与输出端之间，所述运算放大器的负输入端通过第九开关S9与所述敏感结构的中间质量块相连，所述运算放大器的输出端与所述环路补偿器的输入端相连，所述运算放大器的正输入端与零电位相连。

4.根据权利要求1所述的数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述数字自检测激励源采用数字Sigma-Delta调制技术直接生成一位数字正弦位流信号，并且所述数字正弦位流信号的频率和幅度通过片外控制端调整。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的数字闭环加速度计片上在线自检测系统进行闭环负反馈伺服系统环路增益及谐波失真幅度测量的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、将MEMS敏感结构置于闭环负反馈伺服系统中，调整闭环负反馈伺服系统稳定工作；

步骤二、生成一位数字正弦位流信号，将数字正弦位流信号注入到闭环负反馈伺服系统中；

步骤三、所注入的数字正弦位流信号V_t与闭环负反馈伺服系统输出信号V_out相减获得数字残差信号V_error，数字残差信号V_error进一步注入到Sigma-Delta调制器的反馈网络中；

步骤四、分别对数字正弦位流信号V_t与闭环负反馈伺服系统输出信号V_out进行采样，并利用数字信号处理模块计算闭环负反馈伺服系统环路增益LG：

步骤五、利用数字信号处理模块对步骤四求得的闭环负反馈伺服系统环路增益LG进行频谱分析，进一步获得闭环负反馈伺服系统环路增益的大小及其各次谐波分量的幅度。

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