CN114660328B - 一种mems加速度计的自检电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS加速度计的自检电路，包括电流检测模块、比较器模块、逻辑门模块和参考电压模块；所述电流检测模块串联在MEMS加速度计的电源供电电路中；所述比较器模块包括高电平阈值比较电路、低电平阈值比较电路和电流阈值比较电路，所述高电平阈值比较电路和所述低电平阈值比较电路分别串接在所述MEMS加速度计与所述逻辑门模块之间，所述电流阈值比较电路串接在所述电流检测模块与所述逻辑门模块之间；所述参考电压模块分别连接所述高电平阈值比较电路、所述低电平阈值比较电路和所述电流阈值比较电路。本发明电路组成简单，采集电压和电流两种信号进行判断，无需在内部安装振动激励源，也不影响加速度传感器正常工作信号的实时传输。

Description

一种MEMS加速度计的自检电路
【技术领域】
本发明涉及加速度计检测技术领域，具体是一种MEMS加速度计的自检电路。
【背景技术】
加速度计，也叫加速度传感器，是一种利用加速度敏感芯体将加速度信号转换成相应比例的电压信号输出的一种力学传感器，在轨道转向架、飞机驾驶舱或其他内燃动力机械中，都需要加速度传感器来测量振动状况。为判断加速度敏感芯体是否正常，需要对加速度芯体进行自检。目前实现加速度传感器自检的方法主要是通过在传感器内部安装激励装置如电动马达或利用压电陶瓷的正压电效应产生振动，使得加速度敏感芯体产生振动信号，继而通过采集振动信号并做相应的信号分析来实现自检。
目前这种加速度传感器自检的方法主要缺陷在于：
1、内部安装振动激励源，使得组装变得复杂，且振动激励源需占据一定空间，无形中增大了体积。
2、因需要对振动信号进行分析，实现自检功能的电路将变得更为复杂。
3、在实现自检时间里，导致加速度传感器间断工作，影响加速度传感器正常工作信号的实时传输。
4、仅采集加速度敏感芯体的电压信号，并以此电压信号作为自检依据，导致检测结果不够可靠。
5、可受到虚假信号影响，比如内部安装的振动激励源在工作的时候，传感器因其他振动而产生干扰信号，这些干扰信号可存在于传感器环境中，造成检测结果可能不准确。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题，在于提供一种MEMS加速度计的自检电路，主要由电流检测电路、电平阈值比较电路和逻辑门判断电路组成，采集电压和电流两种信号进行判断，无需在内部安装振动激励源，也不影响加速度传感器正常工作信号的实时传输。
本发明是这样实现的：一种MEMS加速度计的自检电路，包括电流检测模块、比较器模块、逻辑门模块和参考电压模块；
所述电流检测模块串联在MEMS加速度计的电源供电电路中；
所述比较器模块包括高电平阈值比较电路、低电平阈值比较电路和电流阈值比较电路，所述高电平阈值比较电路和所述低电平阈值比较电路分别串接在所述MEMS加速度计与所述逻辑门模块之间，所述电流阈值比较电路串接在所述电流检测模块与所述逻辑门模块之间；
所述参考电压模块分别连接所述高电平阈值比较电路、所述低电平阈值比较电路和所述电流阈值比较电路。
进一步的，所述MEMS加速度计包括加速度敏感芯体U1，加速度敏感芯体U1具有电源输入端VDD、电压信号输出端OUT和接地端GND；
所述电流检测模块进一步包括监控芯片U2和采样电阻R1，所述监控芯片U2为电压输出电流并联监控芯片，包括输入端IN+、输入端IN-和输出端OUT；所述采样电阻R1串接在所述电源供电电路和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间，输入端IN+连接在所述电源供电电路和采样电阻R1之间，输入端IN-则连接在采样电阻R1和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间；
所述电源供电电路提供的电源经过监控芯片U2后给所述加速度敏感芯体U1供电，电流经过采样电阻R1产生压降，监控芯片U2将该压降转换成对应比例的电压输出。
进一步的，所述参考电压模块包括电源端VCC、接地端GND，低电平参考信号输出端，高电平参考信号输出端和转换电压参考信号输出端，还包括电阻R2、R3、R4、R5、R6和R7；R2和R5，R3和R6，R4和R7均串接在电源端VCC、接地端GND之间；所述高电平参考信号输出端设在串接的R2和R5之间，所述低电平参考信号输出端设在串接的R3和R6之间，转换电压参考信号输出端设在串接的R4和R7之间。
进一步的，所述比较器模块包括比较器芯片U3和U4；
比较器芯片U3包括电流检测输入端IN+、转换电压参考信号输入端IN-，第一电平信号输出端OUT；所述电流检测输入端IN+连接所述监控芯片U2的输出端OUT，所述转换电压参考信号输入端IN-连接所述转换电压参考信号输出端；
比较器芯片U4包括电平检测输入端IN1+、电平检测输入端IN2-、高电平参考信号输入端IN1-，低电平参考信号输入端IN2+，第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述电平检测输入端IN1+和所述电平检测输入端IN2-均连接加速度敏感芯体U1的电压信号输出端OUT，所述高电平参考信号输入端IN1-连接所述参考电压模块的高电平参考信号输出端；所述低电平参考信号输入端IN2+连接所述参考电压模块的低电平参考信号输出端；
当所述监控芯片U2的输出端OUT输出的电压大于转换电压参考信号输出端的电压，或加速度敏感芯体U1的电压信号输出端OUT的输出电压V1大于高电平参考信号输出端的电压或小于低电平参考信号输出端的电压时，均将输出高电平，否则输出低电平。
进一步的，所述逻辑门模块包括逻辑或门芯片U5和U6；所述逻辑或门芯片U5具有三个输入和一个输出，三个输入分别连接比较器芯片U3的第一电平信号输出端OUT，比较器芯片U4的第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述逻辑或门芯片U6具有两个输入和一个输出，两个输入分别连接所述逻辑或门芯片U5的输出和触发信号V_trl。
本发明的优点在于：本发明的MEMS加速度计的自检电路，主要由电流检测电路、电平阈值比较电路和逻辑门判断电路组成，根据加速度敏感芯体自身的性能指标确定自身消耗的电流阈值以及输出电压范围，从而设计相应的参考电压模块，进而根据比较器模块的输出判断加速度敏感芯体实际电流和电压输出是否正常。其采集电压和电流两种信号进行判断，无需在内部安装振动激励源，也无需对振动信号进行分析，也不影响加速度传感器正常工作信号的实时传输，且电路简单，易实现，节约空间占用。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明MEMS加速度计的整体电路结构示意图；
图2是本发明加速度敏感芯体和电流检测模块的电路结构示意图；
图3是本发明参考电压模块的电路结构示意图；
图4是本发明比较器模块和逻辑门模块的电路结构示意图；
图5是本发明逻辑门模块的逻辑判断流程示意图。
【具体实施方式】
本发明实施例通过提供一种MEMS加速度计的自检电路，主要由电流检测电路、电平阈值比较电路和逻辑门判断电路组成，采集电压和电流两种信号进行判断，无需在内部安装振动激励源，也不影响加速度传感器正常工作信号的实时传输。
本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：在MEMS加速度计上加入自检电路，使自检电路与正常的信号处理链路并行，自检电路，主要由电流检测电路、电平阈值比较电路和逻辑门判断电路组成，根据加速度敏感芯体自身的性能指标确定自身消耗的电流阈值以及输出电压范围，从而设计相应的参考电压模块，进行判断芯体实际电流和电压输出是否正常。当MEMS加速度计芯体自身消耗电流以及输出电压的范围超出参考电压模块提供的参考阈值范围时，即可判断芯体工作异常。电流检测电路串联在MEMS加速度计的电源供电电路中，检测电流并转换成对应比例的电压输出。通过比较加速度计芯体输出电压、电流检测电路的输出电压，并做逻辑处理，输出自检信号。
根据本发明构思，MEMS加速度计则包括正常信号处理链路和自检电路，其中：
正常信号处理链路主要包括依次连接的加速度敏感芯体，差分放大电路和低通滤波电路；
自检电路，主要包括电流检测电路，高电平阈值比较电路、低电平阈值比较电路、电流阈值比较电路，逻辑门判断电路。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
请参阅图1至图4所示，本发明的一种MEMS加速度计的自检电路，包括电流检测模块、比较器模块、逻辑门模块和参考电压模块；
所述电流检测模块串联在MEMS加速度计的电源供电电路中；
所述比较器模块包括高电平阈值比较电路、低电平阈值比较电路和电流阈值比较电路，所述高电平阈值比较电路和所述低电平阈值比较电路分别串接在所述MEMS加速度计与所述逻辑门模块之间，所述电流阈值比较电路串接在所述电流检测模块与所述逻辑门模块之间；
所述参考电压模块分别连接所述高电平阈值比较电路、所述低电平阈值比较电路和所述电流阈值比较电路。
具体的，如图2所示，所述MEMS加速度计包括加速度敏感芯体U1，加速度敏感芯体U1具有电源输入端VDD、电压信号输出端OUT和接地端GND；
所述电流检测模块进一步包括监控芯片U2和采样电阻R1，所述监控芯片U2为电压输出电流并联监控芯片，包括输入端IN+、IN-和输出端OUT，所述采样电阻R1串接在所述电源供电电路和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间，输入端IN+连接在所述电源供电电路和采样电阻R1之间，输入端IN-则连接在采样电阻R1和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间；
所述电源供电电路提供的电源经过监控芯片U2后给所述加速度敏感芯体U1供电，电流经过采样电阻R1产生压降，监控芯片U2将该压降转换成对应比例的电压输出。可通过评估该压降的大小来判断其是否对MEMS加速度计的供电造成影响。一般地，采样电阻R1可取低阻值电阻，这样可以忽略由R1引起的压降对MEMS供电的影响，而经过采样电阻R1的电流不会流经监控芯片U2内部。监控芯片U2输出端OUT的电压即为与采样电阻R1两端的电压降成比例的输出电压，该电压的大小，反映了所述电源供电电路给加速度敏感芯体U1供电电流的大小。
如图3所示，所述参考电压模块包括电源端VCC、接地端GND，低电平参考信号输出端(输出的电压为低电平参考电压REF_L)，高电平参考信号输出端(输出的电压为高电平参考电压REF_H)和转换电压参考信号输出端(输出的电压为转换电压参考值REF_I)，还包括电阻R2、R3、R4、R5、R6和R7；R2和R5，R3和R6，R4和R7均串接在电源端VCC、接地端GND之间；所述高电平参考信号输出端(REF_H)设在串接的R2和R5之间，从而可通过调整R2和R5的阻值大小来调整确定；所述低电平参考信号输出端(REF_L)设在串接的R3和R6之间，从而可通过调整R3和R6的阻值大小来调整确定；转换电压参考信号输出端(REF_I)设在串接的R4和R7之间，从而可通过调整R4和R7的阻值大小来调整确定。所述参考电压模块输出的转换电压参考值REF_I是根据加速度敏感芯体U1自身消耗电流阈值进行确定(检测时已经由监控芯片U2转换为电压值)。高电平参考电压REF_H和低电平参考电压REF_L是根据加速度敏感芯体U1自身的性能指标进行确定的输出电压值范围的两个端值。
如图4所示，所述比较器模块包括比较器芯片U3和U4；
比较器芯片U3包括电流检测输入端IN+、转换电压参考信号输入端IN-，第一电平信号输出端OUT；所述电流检测输入端IN+连接所述监控芯片U2的输出端OUT，所述转换电压参考信号输入端IN-连接所述转换电压参考信号输出端(REF_I)；从而比较器芯片U3即可根据转换电压参考值REF_I判断监控芯片U2输出的电压大小是否超标，即判断所述电源供电电路给加速度敏感芯体U1供电电流的大小是否超标。
比较器芯片U4包括电平检测输入端IN1+、电平检测输入端IN2-、高电平参考信号输入端IN1-，低电平参考信号输入端IN2+，第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述电平检测输入端IN1+和所述电平检测输入端IN2-均连接加速度敏感芯体U1的电压信号输出端OUT，所述高电平参考信号输入端IN1-连接所述参考电压模块的高电平参考信号输出端(REF_H)；所述低电平参考信号输入端IN2+连接所述参考电压模块的低电平参考信号输出端(REF_L)；从而比较器芯片U4即可根据高电平参考电压REF_H和低电平参考电压REF_L来判断加速度敏感芯体U1的输出电压值范围是否异常。
如图4所示，所述逻辑门模块包括逻辑或门芯片U5和U6；所述逻辑或门芯片U5具有三个输入A、B、C和一个输出Y，三个输入A、B、C分别连接比较器芯片U3的第一电平信号输出端OUT，比较器芯片U4的第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述逻辑或门芯片U6具有两个输入A、B和一个输出Y，两个输入A、B分别连接所述逻辑或门芯片U5的输出和触发信号V_trl。
当所述监控芯片U2的输出端OUT输出的电压大于转换电压参考值REF_I，或者加速度敏感芯体U1的电压信号输出端OUT的输出电压V1大于高电平参考电压REF_H或小于低电平参考电压REF_L时，所述逻辑或门芯片U5均将输出高电平，即表示异常，否则输出低电平。
如图5所示，在本发明逻辑门模块的逻辑判断过程是：当比较器模块2的第一电平信号输出端OUT、第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2共三个输出中，当其中一路或多路输出高电平时，逻辑或门芯片U5输出高电平。当不需自检时，逻辑或门芯片U6的触发信号V_tri为高电平；当需要自检时，触发信号V_tri为低电平，从而触发自检。此时，如果逻辑或门芯片U5输出为高平，则表示加速度敏感芯体U1输出电压超过自身正常范围或者自身电流过大，也即加速度敏感芯体U1故障，此时U6输出高电平报故。
本发明的优点在于：本发明的MEMS加速度计的自检电路，主要由电流检测电路、电平阈值比较电路和逻辑门判断电路组成，根据加速度敏感芯体自身的性能指标确定自身消耗的电流阈值以及输出电压范围，从而设计相应的参考电压模块，进而根据比较器模块的输出判断加速度敏感芯体实际电流和电压输出是否正常。其采集电压和电流两种信号进行判断，无需在内部安装振动激励源，也无需对振动信号进行分析，也不影响加速度传感器正常工作信号的实时传输，且电路简单，易实现，节约空间占用。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种MEMS加速度计的自检电路，其特征在于：包括电流检测模块、比较器模块、逻辑
门模块和参考电压模块；
所述电流检测模块串联在MEMS加速度计的电源供电电路中；
所述比较器模块包括高电平阈值比较电路、低电平阈值比较电路和电流阈值比较电路，所述高电平阈值比较电路和所述低电平阈值比较电路分别串接在所述MEMS加速度计与所述逻辑门模块之间，所述电流阈值比较电路串接在所述电流检测模块与所述逻辑门模块之间；
所述参考电压模块分别连接所述高电平阈值比较电路、所述低电平阈值比较电路和所述电流阈值比较电路；
所述MEMS加速度计包括加速度敏感芯体U1，加速度敏感芯体U1具有电源输入端VDD、电压信号输出端OUT和接 地端GND；
所述电流检测模块进一步包括监控芯片U2和采样电阻R1，所述监控芯片U2为电压输出电流并联监控芯片，包括输入端IN+、输入端IN-和输出端OUT，所述采样电阻R1串接在所述电源供电电路和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间，输入端IN+连接在所述电源供电电路和采样电阻R1之间，输入端IN-则连接在采样电阻R1和所述加速度敏感芯体U1的电源输入端VDD之间；
所述电源供电电路提供的电源经过监控芯片U2后给所述加速度敏感芯体U1供电，电流经过采样电阻R1产生压降，由监控芯片U2将该压降转换成对应比例的电压输出；
所述参考电压模块 包括电源端VCC、接地端GND，低电平参考信号输出端，高电平参考信号输出端和转换电压参 考信号输出端，还包括电阻R2、R3、R4、R5、R6和R7；R2和R5，R3和R6，R4和R7均串接在电源端 VCC、接地端GND之间；所述高电平参考信号输出端设在串接的R2和R5之间，所述低电平参考信号输出端设在串接的R3和R6之间，转换电压参考信号输出端设在串接的R4和R7之间；
所述比较器模块包括比较器芯片U3和U4；
比较器芯片U3包括电流检测输入端IN+、转换电压参考信号输入端IN-，第一电平信号输出端OUT；所述电流检测输入端IN+连接所述监控芯片U2的输出端OUT，所述转换电压参考信号输入端IN-连接所述转换电压参考信号输出端；
比较器芯片U4包括电平检测输入端IN1+、电平检测输入端IN2-、高电平参考信号输入端IN1-，低电平参考信号输入端IN2+，第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述电平检测输入端IN1+和所述电平检测输入端IN2-均连接加速度敏感芯体U1的电压信号输出端OUT，所述高电平参考信号输入端IN1-连接所述参考电压模块的高电平参考信号输出端；所述低电平参考信号输入端IN2+连接所述参考电压模块的低电平参考信号输出端。
2.如权利要求1所述的一种MEMS加速度计的自检电路，其特征在于：所述逻辑门模块包括逻辑或门芯片U5和U6；所述逻辑或门芯片U5具有三个输入和一个输出，三个输入分别连接比较器芯片U3的第一电平信号输出端OUT，比较器芯片U4的第二电平信号输出端OUT1和第三电平信号输出端OUT2；所述逻辑或门芯片U6具有两个输入和一个输出，两个输入分别连接所述逻辑或门芯片U5的输出和触发信号V_trl。
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