CN112748256A - 一种热交换式加速度计及其加热控制方法 - Google Patents

一种热交换式加速度计及其加热控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热交换式加速度计及其加热控制方法。所述加热控制方法包括：感应封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；放大温度电压信号得到放大的温度电压信号；求取放大的温度电压信号和参考电压信号的差值得到电压差值信号；将所述电压差信号转成数字序列；将所述数字序列中的每N位组成一组进行求和，再乘以预定增益得到加热功率调整因子；基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；将所述加热功率控制参数转换成控制开关控制信号；利用开关控制信号控制所述加热控制开关的导通或断开，进而控制加热电阻给所述封闭腔体加热。这样可以显著提高闭环控制回路的稳定速度，同时避免芯片面积和功耗的显著增加。

Description

一种热交换式加速度计及其加热控制方法
【技术领域】
本发明涉及热交换式加速度计领域，尤其是涉及一种具有快速稳定闭环加热控制电路的热交换式加速度计以及其加热控制方法。
【背景技术】
热交换式加速度计是基于对封闭腔体内的气体加热并探测不同位置的热电偶的温度实现的。为了获得稳定的灵敏度，封闭腔体内气体的温度必须被精确地控制。现有的方案是通过在加热控制电路的回路中使用积分器，令加热控制电路的回路的带宽小于加速度计带来的任何一个极点实现的。其缺点是温度稳定速度慢，导致在按需模式下加速度计开始测量前需要大量时间和功耗来稳定封闭腔体的温度，从而导致数据速率过低。
因此，有必要提供一种新的改进方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于提供一种热交换式加速度计及其加热控制方法，可以显著提高闭环加热控制电路的稳定速度，同时避免芯片面积和功耗的显著增加。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种热交换式加速度计，其包括具有一个封闭空腔的本体和对所述封闭空腔进行可控加热的加热控制电路，其中所述加热控制电路包括：给所述封闭空腔加热的加热电阻；控制所述加热电阻的通电和断电的加热控制开关；温控热电偶，被配置的感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；与所述温控热电偶耦接的放大器，被配置的将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号；调制器，被配置的将电压差信号转成数字序列，其中所述电压差信号为放大的温度电压信号和一个参考电压信号的差值；与所述调制器耦接的加热功率调整模块，被配置的根据数字序列得到加热功率调整因子，其中所述加热功率调整因子表征了所述电压差信号；与所述加热功率调整模块耦接的加热功率确定模块，被配置的基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；与所述加热功率确定模块耦接的转换模块，被配置的将所述加热功率控制参数转换成控制所述加热控制开关的导通或断开的开关控制信号。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种热交换式加速度计的加热控制方法，所述热交换式加速度计包括具有一个封闭空腔的本体和对所述封闭空腔进行可控加热的加热控制电路，其包括：感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号；求取放大的温度电压信号和一个参考电压信号的差值得到电压差值信号；利用调制器将所述电压差信号转成数字序列；基于所述数字序列得到加热功率调整因子；基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；将所述加热功率控制参数转换成控制开关控制信号；利用所述开关控制信号控制加热控制开关的导通或断开，进而控制加热电阻给所述封闭腔体加热。
相对于现有技术，本发明在闭环加热控制电路中只是用线性放大而不引入积分器的极点，因此更大的带宽得以实现，从而可以显著提高闭环加热控制电路的稳定速度，同时避免芯片面积和功耗的显著增加。
关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1为本发明中的热交换式加速度计的加热控制电路在一个实施例中的结构框示意图；
图2为传统基于积分器的加热控制电路的环路增益；
图3为本发明中的只用线性放大的加热控制电路的环路增益。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。
本发明提供一种具有快速稳定闭环加热控制电路的热交换式加速度计，可以显著提高闭环加热控制电路的稳定速度，同时避免芯片面积和功耗的显著增加。
本发明中的热交换式加速度计包括具有一个封闭空腔的本体、对所述封闭空腔进行可控加热的加热控制电路和设置于所述封闭空腔的不同位置的多个检测热电偶，基于各个检测热电偶产生的温度电压信号得到加速度测量值。本文的侧重点在于加热控制电路100的改进，因此对于如何基于各个检测热电偶产生的温度电压信号得到加速度测量值并未详细介绍。
图1为本发明中的热交换式加速度计的加热控制电路100在一个实施例中的结构框示意图。所述加热控制电路包括加热电阻Rh、加热控制开关S1、温控热电偶Rt、放大器110、压差模块120、调制器130、加热功率调整模块140、加热功率确定模块150和转换模块160。
所述加热电阻Rh在通电时给所述封闭空腔(未图示)加热，所述加热电阻Rh在断电时停止给所述封闭空腔加热。所述加热控制开关S1控制所述加热电阻的通电和断电。在图1所示的实施例中，所述加热电阻Rh和所述加热控制开关S1依次串联于电源端VDD和接地端之间。在另一个可替换的实施例中，所述加热电阻Rh和所述加热控制开关S1的位置可以互换，即所述加热控制开关S1和所述加热电阻Rh依次串联于电源端VDD和接地端之间，另外还可以有其他接法，只要所述加热控制开关S1能够控制所述加热电阻Rh的通电或断电即可。具体的，如图1所示，所述加热控制开关S1的导通或断开由开关控制信号Sn控制，在所述开关控制信号Sn为第一逻辑电平时，比如高电平，所述加热控制开关S1导通，此时所述加热电阻Rh被控制的通电以发热，在所述开关控制信号Sn为第二逻辑电平时，比如低电平，所述加热控制开关S1断开，此时所述加热电阻Rh被控制的断电以停止发热。
所述温控热电偶Rt被配置的感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号。所述放大器110与所述温控热电偶Rt耦接，其被配置的将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号。所述压差模块120被配置在放大的温度电压信号上减去一个参考电压信号Vref得到电压差信号。所述调制器130被配置的将电压差信号转成数字序列a[1],a[2],a[i]，其中i为数字序列的第i位。所述数字序列中每一位数字的取值为第一整数数值和第二整数数值中的一个，其中第一整数数值和第二整数数值的和为0。举例来说，第一整数数值为1，第二整数数值为-1，两者的和为0。取决于应用的具体需要，所述压差模块120可以与所述放大器110实现在一起，也可以与所述调制器130实现在一起，还可以单独实现。具体的，所述调制器为经过Sigma-Delta调制器，该Sigma-Delta调制器在电压差信号为0时，其输出的数字序列中-1和1的数量相同，随着电压差信号为正或负，其输出的数字序列中-1或1的数量会增多，电压差信号的值越大，数字序列中1和-1的数量的差就越大。
所述加热功率调整模块140与所述调制器130耦接，其被配置的对a[i]进行分组，每组包含N个连续的值，即a[N*(j-1)+1],a[N*(j-1)+2],…a[N*j]，之后将所述数字序列中的每组进行求和，再乘以预定增益M得到加热功率调整因子，其中N为大于等于2的自然数,j为组数。
具体的，所述加热功率调整因子为：
Figure BDA0002252135300000041
其中M为预定增益，ai为数字序列的第i位，b[j]为第j组数字序列对应的第j个加热功率调整因子，j为大于等于1的整数。所述加热功率调整因子b[j]可以反应所述电压差信号的值，即封闭空腔即时温度与参考值的差距，M反应的是回路的矫正力度。
在另一个可以替换的实施例中，第一整数数值和第二整数数值的和也可以不为0，比如第一整数数值为0，第二整数数值为1，此时两者的和为1，此时所述加热功率调整模块140就不是将所述数字序列中的每N位组成一组进行求和，再乘以预定增益M得到加热功率调整因子，而是每N位组成一组进行求和后减去N/2，再乘以预定增益M得到加热功率调整因子。当然，还可以有其他的替代方式，只要所述加热功率调整模块140可以根据数字序列得到加热功率调整因子，其中所述加热功率调整因子能够表征所述电压差信号就可以。所述加热功率调整因子表征所述电压差信号是指，所述加热功率调整因子的大小能够反映所述电压差值信号的大小，在电压差值信号趋于0时，所述加热功率调整因子也趋于0。
所述加热功率确定模块150与所述加热功率调整模块140耦接，其被配置的基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数。具体的，所述加热功率控制参数为所述加热功率调整因子和加热功率初始因子之和。所述加热功率控制参数反映了所述加热电阻Rh给所述封闭空腔的加热功率。
具体的，所述加热功率控制参数为：
h[j]＝b[j]+c[k] (2)
h[j]为第j个加热功率控制参数，c[k]为加热功率初始因子，所述加热功率初始因子可以为常数。
所述转换模块160与所述加热功率确定模块150耦接，被配置的将所述加热功率控制参数转换成控制所述加热控制开关S1的导通或断开的开关控制信号Sn。
具体的，所述转换模块为数字式积分器，其输出D[n]的表达式为：
D[n]＝D[n-1]+h[n]， (3)
n为迭代的次数，n为大于等于1的整数；
h[n]为本次迭代时的加热功率控制参数的值，
每次数字式积分器溢出时，所述开关控制信号Sn为第一逻辑电平时，其余时间为第二逻辑电平，验证足够多的时钟周期后，所述开关控制信号Sn的占空比等于所述加热功率控制参数的当前值与其全值信号的比。该等式(3)使用h[n]而不是h[j],是因为在每个h[j]更新周期内可能有多次基于相同h[j]的积分运算以及D[n]的更新。
在所述闭环加热控制电路100稳定时，所述放大的温度电压信号被控制的稳定于所述参考电压信号附近，这表示封闭腔体的即时温度被控制的稳定于参考温度附近，此时，所述电压差信号为稳定于0附近，Sigma-Delta调制器输出的数字序列中-1和1的数量基本相同，所述加热功率调整因子b[j]趋近于0，所述加热功率控制参数基本保持不变，所述开关控制信号Sn的占空比基本保持不变。在所述闭环加热控制电路100不稳定时，所述电压差信号远离0，此时所述加热功率调整因子b[j]远离0，从而加大或减小所述加热功率控制参数，实现负反馈控制，进而使得所述放大的温度电压信号趋近于所述参考电压信号，并最终稳定于所述参考电压信号附近。
在本发明中，b[j]的表达式是基于数字式的低通滤波器，由于采样频率高，低通滤波器的截止频率大大高于加速度计的截止频率，因此在加速度计的带宽范围内，该低通滤波器可以近似为对差值信号的线性放大。同时该低通滤波器可以用较小的芯片面积实现。与传统的有积分器的设计不同，只使用线性放大的系统不会引入积分器的极点，所以可以使用加速度计的频率最低的极点P0作为系统的主极点，而系统的截止频率f0就由环路增益的0dB点确定。图2将本发明的系统(即加热控制电路形成的闭环控制系统)与传统的基于积分器的系统的环路增益做了对比，可见有积分器的情况下，f0需要明显小于P0来保证稳定性，而只采用线性放大的系统，f0大于P0。因此更大的带宽得以实现。
从图2可以发现，只使用线性放大的系统在DC的环路增益明显小于有积分器的系统，这意味着c[k]不变的情况下，封闭空腔的温度的终值和参考值之间的误差要大大超过有积分器的系统。因此，优选的，在本发明中所述加热功率初始因子也可以按照预定规则更新。
在一个实施例中，c[k]的值要按照如下的方法进行更新。
c[k]的值存储与寄存器中，当加速度计被启用时，系统会使用寄存器中存储的c[k]作为初始值c0。当加速度计在上电重置后第一次被启用时，c[0]设为0。假设h[j]＝htarget时，放大器110的输出达到参考电压信号Vref,这时候a[m]的数据串中0和1出现的概率相等。由于误差的存在，加速度计第一次启用后，经过足够长时间，h[j]的终值为：
Figure BDA0002252135300000061
令
Figure BDA0002252135300000064
可以证明在下一个更新周期
Figure BDA0002252135300000062
以此类推，
Figure BDA0002252135300000063
考虑到环路增益G大于1，所以hi的值越来越接近htarget。假设增益G＝3，经过4次迭代，系统误差即小于1％。
在每次测量中获得的h[j]的终值，都会被存入寄存器中，用于下次测量的c[k]。这样经过几个初始测量周期之后，加速度计就会在短时间内准确地达到目标值。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种热交换式加速度计的加热控制方法，所述加热控制方法包括：
感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；
将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号；
求取放大的温度电压信号和一个参考电压信号的差值得到电压差值信号；
利用调制器将所述电压差信号转成数字序列；
基于所述数字序列得到加热功率调整因子，其中所述加热功率调整因子表征所述电压差信号；
基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；
将所述加热功率控制参数转换成控制开关控制信号；
利用所述开关控制信号控制加热控制开关的导通或断开，进而控制加热电阻给所述封闭腔体加热。
在一个实施例中，所述数字序列中每一位数字的取值为第一整数数值和第二整数数值中的一个，其中第一整数数值和第二整数数值的和为0，基于所述数字序列得到加热功率调整因子为：将所述数字序列中的每N位组成一组进行求和，再乘以预定增益得到加热功率调整因子，其中N为大于等于2的自然数，加热功率控制参数为所述加热功率调整因子和加热功率初始因子的和。
在一个实施例中，所述加热功率调整因子为：
Figure BDA0002252135300000071
其中M为预定增益，ai为数字序列的第i位，b[j]为第j组数字序列对应的第j个加热功率调整因子，j为大于等于1的整数。
所述加热功率控制参数为：
h[j]＝b[j]+c[k]，h[j]为第j个加热功率控制参数，c[k]为加热功率初始因子。
在一个实施例中，所述转换模块为数字式积分器，其输出D[n]的表达式为：
D[n]＝D[n-1]+h[n]，n为迭代的次数，n为大于等于1的整数；
h[n]为本次迭代时的加热功率控制参数的值，
每次数字式积分器溢出时，所述开关控制信号为第一逻辑电平时，其余时间为第二逻辑电平，
其中所述开关控制信号的占空比等于所述加热功率控制参数的当前值与其全值信号的比。
在一个实施例中，将一次测量后的加热功率控制参数的终值进行存储，在后续测量时将存储的加热功率控制参数更新为所述加热功率初始因子，c[k]为第k次更新的加热功率初始因子，所述加热功率初始因子的初始值等于0，k为大于等于0的整数。
在一个实施例中，在所述开关控制信号为第一逻辑电平时，加热控制开关导通，此时所述加热电阻被控制的通断以发热，在所述开关控制信号为第二逻辑电平时，加热控制开关断开，此时所述加热电阻被控制的断电以停止发热，所述调制器为Sigma-Delta调制器。
相对于现有技术，本发明在闭环加热控制电路中只是用线性放大而不引入积分器的极点，因此更大的带宽得以实现，从而可以显著提高闭环加热控制电路的稳定速度，同时避免芯片面积和功耗的显著增加。
在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接，“耦接”表示直接或间接的电性连接或耦合连接。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (13)

1.一种热交换式加速度计，其特征在于，其包括具有一个封闭空腔的本体和对所述封闭空腔进行可控加热的加热控制电路，其中所述加热控制电路包括：
给所述封闭空腔加热的加热电阻；
控制所述加热电阻的通电和断电的加热控制开关；
温控热电偶，被配置的感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；
与所述温控热电偶耦接的放大器，被配置的将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号；
调制器，被配置的将电压差信号转成数字序列，其中所述电压差信号为放大的温度电压信号和一个参考电压信号的差值；
与所述调制器耦接的加热功率调整模块，被配置的根据数字序列得到加热功率调整因子，其中所述加热功率调整因子表征所述电压差信号；
与所述加热功率调整模块耦接的加热功率确定模块，被配置的基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；
与所述加热功率确定模块耦接的转换模块，被配置的将所述加热功率控制参数转换成控制所述加热控制开关的导通或断开的开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的热交换式加速度计，其特征在于，所述数字序列中每一位数字的取值为第一整数数值和第二整数数值中的一个，其中第一整数数值和第二整数数值的和为0，所述加热功率调整模块被配置的将所述数字序列中的每N位组成一组进行求和，再乘以预定增益得到加热功率调整因子，其中N为大于等于2的自然数，加热功率控制参数为所述加热功率调整因子和加热功率初始因子的和。
3.根据权利要求2所述的热交换式加速度计，其特征在于，所述加热功率调整因子为：
Figure FDA0002252135290000011
其中M为预定增益，ai为数字序列的第i位，b[j]为第j组数字序列对应的第j个加热功率调整因子，j为大于等于1的整数，
所述加热功率控制参数为：
h[j]＝b[j]+c[k]，h[j]为第j个加热功率控制参数，c[k]为加热功率初始因子。
4.根据权利要求3所述的热交换式加速度计，其特征在于，
所述转换模块为数字式积分器，其输出D[n]的表达式为：
D[n]＝D[n-1]+h[n]，n为迭代的次数，n为大于等于1的整数；
h[n]为本次迭代时的加热功率控制参数的值，
每次数字式积分器溢出时，所述开关控制信号为第一逻辑电平时，其余时间为第二逻辑电平，
其中所述开关控制信号的占空比等于所述加热功率控制参数的当前值与其全值信号的比。
5.根据权利要求3所述的热交换式加速度计，其特征在于，将一次测量后的加热功率控制参数的终值进行存储，在后续测量时将存储的加热功率控制参数更新为所述加热功率初始因子，
c[k]为第k次更新的加热功率初始因子，所述加热功率初始因子的初始值等于0，k为大于等于0的整数。
6.根据权利要求4所述的热交换式加速度计，其特征在于，在所述开关控制信号为第一逻辑电平时，所述加热控制开关导通，此时所述加热电阻被控制的通电以发热，在所述开关控制信号为第二逻辑电平时，所述加热控制开关断开，此时所述加热电阻被控制的断电以停止发热，
所述调制器为Sigma-Delta调制器。
7.根据权利要求2所述的热交换式加速度计，其特征在于，其还包括有：
设置于所述封闭空腔的不同位置的检测热电偶，基于各个检测热电偶产生的温度电压信号得到加速度测量值。
8.一种热交换式加速度计的加热控制方法，所述热交换式加速度计包括具有一个封闭空腔的本体和对所述封闭空腔进行可控加热的加热控制电路，其特征在于，其包括：
感应所述封闭空腔内的温度并产生温度电压信号；
将所述温度电压信号进行放大得到放大的温度电压信号；
求取放大的温度电压信号和一个参考电压信号的差值得到电压差值信号；
利用调制器将所述电压差信号转成数字序列；
基于所述数字序列得到加热功率调整因子，其中所述加热功率调整因子表征了所述电压差信号；
基于所述加热功率调整因子和加热功率初始因子得到加热功率控制参数；
将所述加热功率控制参数转换成控制开关控制信号；
利用所述开关控制信号控制加热控制开关的导通或断开，进而控制加热电阻给所述封闭腔体加热。
9.根据权利要求8所述的加热控制方法，其特征在于，所述数字序列中每一位数字的取值为第一整数数值和第二整数数值中的一个，其中第一整数数值和第二整数数值的和为0，
基于所述数字序列得到加热功率调整因子为：将所述数字序列中的每N位组成一组进行求和，再乘以预定增益得到加热功率调整因子，其中N为大于等于2的自然数，
加热功率控制参数为所述加热功率调整因子和加热功率初始因子的和。
10.根据权利要求9所述的加热控制方法，其特征在于，所述加热功率调整因子为：
Figure FDA0002252135290000031
其中M为预定增益，ai为数字序列的第i位，b[j]为第j组数字序列对应的第j个加热功率调整因子，j为大于等于1的整数，
所述加热功率控制参数为：
h[j]＝b[j]+c[k]，h[j]为第j个加热功率控制参数，c[k]为加热功率初始因子。
11.根据权利要求10所述的加热控制方法，其特征在于，
所述转换模块为数字式积分器，其输出D[n]的表达式为：
D[n]＝D[n-1]+h[n]，n为迭代的次数，n为大于等于1的整数；
h[n]为本次迭代时的加热功率控制参数的值，
每次数字式积分器溢出时，所述开关控制信号为第一逻辑电平时，其余时间为第二逻辑电平，
其中所述开关控制信号的占空比等于所述加热功率控制参数的当前值与其全值信号的比。
12.根据权利要求10所述的加热控制方法，其特征在于，将一次测量后的加热功率控制参数的终值进行存储，在后续测量时将存储的加热功率控制参数更新为所述加热功率初始因子，
c[k]为第k次更新的加热功率初始因子，所述加热功率初始因子的初始值等于0，k为大于等于0的整数。
13.根据权利要求10所述的加热控制方法，其特征在于，在所述开关控制信号为第一逻辑电平时，加热控制开关导通，此时所述加热电阻被控制的通断以发热，在所述开关控制信号为第二逻辑电平时，加热控制开关断开，此时所述加热电阻被控制的断电以停止发热，
所述调制器为Sigma-Delta调制器。
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