CN110277990A - 一种k参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路。包括K参数调制电路，微弱信号放大电路、可控振荡器电路、基准振荡器电路，鉴频鉴相电路和电‑力反馈驱动模块；K参数调制电路用于对惯性传感器的K参数进行调制；微弱信号放大电路，用于对采集的微弱信号进行放大；可控振荡器电路，用于提高整体检测信号环路增益，以提高电路系统处理信号的精度；基准振荡器电路，用于与可控振荡器输出相频相比较；鉴频鉴相电路，用于转换相位信号为电压信号；模拟滤波采样电路，用于减小由于寄生电容失配所产生的失调；电‑力反馈驱动模块，用于对惯性传感器进行反馈驱动。本发明不仅处理信号精度高，而且结构简单，使用效果好。

Description

一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路

技术领域

本发明涉及惯性传感器信号处理技术领域，特别一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传 感器读出电路。

背景技术

随着加速度传感系统对处理传感器输出信号电路芯片的精度要求越来越高，加速度传感器 信号处理芯片成为工业界研究的热点。

分辨率，线性度是微惯性传感器的最主要性能指标。分辨率表征传感器所能分辨的输入信 号最小值，受限于传感器所能分辨的输入信号的最小值，受限于传感器的机械热噪声和ASIC 电路噪声，导航等高端应用需要微加速度计具有亚微g的分辨率。线性度表征传感器在输入范 围内输出信号精确反映输入的能力，ASIC电路可以达到很高的线性度，因此微惯性传感器系统 的线性度主要受MEMS器件限制。

根据静电力反馈形式的不同，闭环检测方法可以分为模拟静电力反馈和数字静电力反馈两 大类。传统模拟力反馈方法对MEMS器件匹配性要求高，MEMS的器件失配对系统线性度影响 严重。数字力反馈具有直接数字输出，线性度好的优点，通常采用DELTA-SIGMA调制方式进 行反馈信号的脉冲密度调制，近年来大量应用于微加速度计的闭环检测中，并已有研究达到亚 的分辨率。但是数字DELTA-SIGMA闭环检测系统结构复杂，反馈控制速度较慢，应用于高灵 敏度，高Q值MEMS器件时，稳定性差，补偿设计困难；而且容易过载，通常需要增加额外的 模拟力反馈启动模式。

在脉宽调制或者频控反馈中，MEMS结构的失配将表现在两个方向上加力大小的不对称 (力固定)，结构失配最终表现为输出失调，而不是非线性，即有利于避免控制反馈电压的大小 非线性大的缺点，同时保留其结构相对简单，反馈迅速，稳定性好的优点。但此种方法为了提 高滤波电路增益以增加信号处理精度，通常需要增加运放增益，所以需要设计较为复杂的运放 结构；所以，以上因素给高精度系统电路的设计提出了挑战。

另外，由于惯性传感器因绑定线的寄生电容的不匹配产生失调电压，其绑定线微笑的漂移 将会导致失调电压变化非常大。传统的方法利用额外的数字校准电路进行校准，但这种方法并 不能对输出失调电压进行实时校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路，该电路不 仅处理信号精度高，而且结构简单，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读 出电路，包括：

K参数调制电路，所述K参数调制电路的两个电位端通过开关选择分别与惯性传感器的输 出端相连接，用于对惯性传感器的K参数进行调制；

微弱信号放大电路，所述微弱信号放大电路的输入端与惯性传感器的输出端相连接，输出 端与振荡器的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

可控振荡器电路，所述可控振荡器电路输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出 端与鉴频鉴相电路的一输入端相连接，用于提高整体检测信号环路增益，以提高电路系统处理 信号的精度；

基准振荡器电路，所述基准振荡器电路输出端与鉴频鉴相电路的另一输入端相连接，用于 与可控振荡器输出相频相比较；

鉴频鉴相电路，所述鉴频鉴相电路输出端与电-力反馈驱动模块的输入端相连接，用于转换 相位信号为电压信号；

模拟滤波采样电路，所述模拟滤波采样电路输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接，输出 端与微弱信号放大器的输出端相连接，用于减小由于寄生电容失配所产生的失调；

电-力反馈驱动模块，所述电-力反馈驱动模块的输出端与惯性传感器的输入端相连接，用于 对惯性传感器进行反馈驱动。

在本发明一实施例中，该电路的工作方式如下：

在力反馈环节中引入K参数调制，调制后的K参数可表示为：

调制信号为0：k_M(t)＝0

调制信号为1：

由上式可知，读出电路的寄生电容所造成的失调电压已得到调制，因此读出失调电压通过 模拟滤波采样得到处理；由于有用信号被调制到高频，低通滤波除去有用信号得到失调电压， 同时采样处理为反馈的失调电压信号，此时，输出的失调电压可表示为：

其中，V'_OS为调制后失调电压信号，A_反馈为反馈回路传递函数；

即调制后的失调电压经过再调制和滤波采样反馈后的能量已大为减小，不会产生相应的失 调电压变化较大的情况，以提高惯性传感器的动态输出范围表现；

由于反馈环路中积分器在积分过程中增益有限，在力反馈环节中引入振荡模块，其转换输 入电压或电流信号为频率信号进行相位积分，后由检测出所需的信号，此时，检测回路的锁相 环振荡器模块部分的理想传递函数可以简单的表示为：

V_out＝V_读出信号G

其中，G为锁相环振荡器模块增益，即模块关于微弱放大器读出信号V读出信号的传输函 数为一线性函数，即相对于Delta-sigma调制通过积分器feedforward或mash结构增加增益，其 振荡器的相位增益可通过电流或电压调整，结构简单，同时不产生额外极点，以提高惯性传感 器的精度表现；另外，在输出信号上表现为脉宽调制数字信号，进一步提高了传感器读出的精 度。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用锁相环开环增益容易提高，且输 出信号与模拟脉宽调制力反馈输出信号相同，采用了恒力和时间的乘积的特点，使最终的结构 失配表现为失调电压，以消除力反馈环节引入的非线性。与此同时，对惯性传感器K参数进行 调制，以消除绑定线寄生电容不匹配所造成的失调电压。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理图。

图中，1-惯性传感器，2-微弱信号放大电路，3-可控振荡器电路，4-基准振荡器电路，5-鉴 频鉴相电路，6，模拟滤波采样模块，7-电-力反馈驱动模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路，即惯性传感器频控力反馈 信号处理电路，用于惯性传感器后续微弱信号处理芯片电路，如图1所示，包括：

K参数调制电路，所述K参数调制电路的两个电位端通过开关选择分别与惯性传感器1的 输出端相连接，用于对惯性传感器的K参数进行调制。

微弱信号放大电路2，所述微弱信号放大电路的输入端与惯性传感器的输出端相连接，输出 端与振荡器的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

可控振荡器电路3，所述的振荡器电路输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端 与鉴频鉴相电路的输入端相连接，用于提高整体检测信号环路增益，以提高电路系统处理信号 的精度；

基准振荡器电路4，所述的振荡器电路输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端 与鉴频鉴相电路的输入端相连接，用于提高整体检测信号环路增益，以提高电路系统处理信号 的精度；

鉴频鉴相电路5，所述的鉴频鉴相电路输入端与振荡器的输出端相连接，输出端与电-力反 馈驱动模块的输入端相连接，用于转换相位信号为电压信号；

模拟滤波采样电路6，所述的模拟滤波采样电路输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接，输 出端与微弱信号放大器的输出端相连接，用于减小由于寄生电容失配所产生的失调；

电-力反馈驱动模块7，所述电-力反馈驱动模块的输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接， 输出端与惯性传感器的输入端相连接，用于对惯性传感器进行反馈驱动；

本发明是由K参数调制电路对惯性传感器1的K参数进行调制；可控振荡器电路3用于对 微弱信号放大电路2的输出信号进行相位放大，以提高系统处理信号的精度；鉴频鉴相电路5 构成对可控振荡器电路3和基准振荡器4的输出信号的比较同时进行电压信号转换；模拟滤波 采样电路6用于减小由于寄生电容失配所产生的失调电压；电-力反馈驱动模块7用于对惯性传 感器1进行反馈驱动。

图1描述了示范性的根据本发明实施的惯性传感器频控力反馈信号处理电路。惯性传感器 频控力反馈信号处理电路分成以下几个部分，包括：所述K参数调制电路的两个电位端通过开 关选择分别与惯性传感器的输出端相连接。微弱信号放大电路，所述微弱信号放大电路的输入 端与惯性传感器的输出端相连接，输出端与振荡器的输入端相连接；振荡器电路，所述的振荡 器电路输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端与鉴频鉴相电路的输入端相连接； 鉴频鉴相电路，所述的鉴频鉴相电路输入端与振荡器的输出端相连接，输出端与电-力反馈驱动 模块的输入端相连；所述的模拟滤波采样电路输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接，输出端 与微弱信号放大器的输出端相连接，用于减小由于寄生电容失配所产生的失调；所述电-力反馈 驱动模块的输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接，输出端与惯性传感器的输入端相连接。

参考附图1，读出电路力图改变以上数字和模拟力反馈以及人工数字校准失调电压的信号处 理方式，即避免在力反馈环节上引入过多的非线性和功耗，同时保持低成本以及模拟力反馈系 统结构的简单，反馈迅速，稳定性好和数字力反馈线性度好的优点，为了达到此目的，读出电 路通过K参数调制减小由于寄生电容导致的失调电压同时利用锁相环数字反馈增加开环增益的 检测方法。

在读出电路中，由于绑定线寄生电容的不匹配以及移动造成输出失调电压出现较大的变化。 本项目从调制传感器K参数着手，提出一种K参数调制失调电压检测信号处理方法，即在力反 馈环节中引入K参数调制。其调制后的K参数可表示为：

调制信号为0：k_M(t)＝0

调制信号为1：

由上式可知，其寄生电容所造成的失调电压已得到调制。所以，读出失调电压通过模拟滤 波采样得到处理。由于有用信号被调制到高频，低通滤波除去有用信号得到失调电压，同时采 样处理为反馈的失调电压信号，具体如图1所示。

此时，输出的失调电压可表示为：

其中，V'_OS为调制后失调电压信号，A_反馈为反馈回路传递函数；

即调制后的失调电压经过再调制和滤波采样反馈后的能量已大为减小，不会产生相应的失 调电压变化较大的情况，以提高惯性传感器的动态输出范围表现；

由于反馈环路中积分器在积分过程中增益有限，在力反馈环节中引入振荡模块，其转换输 入电压或电流信号为频率信号进行相位积分，后由检测出所需的信号，具体如图1所示。

此时，检测回路的锁相环振荡器模块部分的理想传递函数可以简单的表示为：

V_out＝V_读出信号G

其中，G为锁相环振荡器模块增益。即模块关于微弱放大器读出信号V读出信号的传输 函数为一线性函数，即相对于Delta-sigma调制通过积分器feedforward或mash结构增加增益， 其振荡器的相位增益可通过电流或电压调整，结构简单，同时不产生额外极点(即避免频率补 偿)，以提高惯性传感器的精度表现。另外，在输出信号上表现为脉宽调制数字信号，进一步提 高了传感器读出的精度。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出 本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路，其特征在于：包括：

K参数调制电路，所述K参数调制电路的两个电位端通过开关选择分别与惯性传感器的输出端相连接，用于对惯性传感器的K参数进行调制；

微弱信号放大电路，所述微弱信号放大电路的输入端与惯性传感器的输出端相连接，输出端与振荡器的输入端相连接，用于对采集的微弱信号进行放大；

可控振荡器电路，所述可控振荡器电路输入端与微弱信号放大电路的输出端相连接，输出端与鉴频鉴相电路的一输入端相连接，用于提高整体检测信号环路增益，以提高电路系统处理信号的精度；

基准振荡器电路，所述基准振荡器电路输出端与鉴频鉴相电路的另一输入端相连接，用于与可控振荡器输出相频相比较；

鉴频鉴相电路，所述鉴频鉴相电路输出端与电-力反馈驱动模块的输入端相连接，用于转换相位信号为电压信号；

模拟滤波采样电路，所述模拟滤波采样电路输入端与鉴频鉴相电路的输出端相连接，输出端与微弱信号放大器的输出端相连接，用于减小由于寄生电容失配所产生的失调；

电-力反馈驱动模块，所述电-力反馈驱动模块的输出端与惯性传感器的输入端相连接，用于对惯性传感器进行反馈驱动。

2.根据权利要求1所述的一种K参数调制锁相环数字反馈的惯性传感器读出电路，其特征在于：该电路的工作方式如下：

在力反馈环节中引入K参数调制，调制后的K参数可表示为：

调制信号为0：k_M(t)＝0

调制信号为1：

由上式可知，读出电路的寄生电容所造成的失调电压已得到调制，因此读出失调电压通过模拟滤波采样得到处理；由于有用信号被调制到高频，低通滤波除去有用信号得到失调电压，同时采样处理为反馈的失调电压信号，此时，输出的失调电压可表示为：

其中，V′_OS为调制后失调电压信号，A_反馈为反馈回路传递函数；

即调制后的失调电压经过再调制和滤波采样反馈后的能量已大为减小，不会产生相应的失调电压变化较大的情况，以提高惯性传感器的动态输出范围表现；

由于反馈环路中积分器在积分过程中增益有限，在力反馈环节中引入振荡模块，其转换输入电压或电流信号为频率信号进行相位积分，后由检测出所需的信号，此时，检测回路的锁相环振荡器模块部分的理想传递函数可以简单的表示为：

V_out＝V_读出信号G

其中，G为锁相环振荡器模块增益，即模块关于微弱放大器读出信号V读出信号的传输函数为一线性函数，即相对于Delta-sigma调制通过积分器feedforward或mash结构增加增益，其振荡器的相位增益可通过电流或电压调整，结构简单，同时不产生额外极点，以提高惯性传感器的精度表现；另外，在输出信号上表现为脉宽调制数字信号，进一步提高了传感器读出的精度。