CN220067401U - Mems传感器的接口电路 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种MEMS传感器的接口电路，包括：电荷电压转换单元，接收传感器的检测信号，并将所述检测信号转换为对应的检测电压以输出；运算放大单元，与所述电荷电压转换单元连接，基于自身的增益对所述检测电压放大处理；模数转换单元，与所述运算放大单元连接，将放大后的检测电压转换为数字信号；以及数字信号处理单元，与所述模数转换单元和输出接口连接，基于所述数字信号和对应的增益调整参数以及对应的零点漂移校准参数生成接口数据，并提供至所述输出接口。本公开在数字域消除了数字信号中包含的零点漂移值、不理想的信号增益，得到了目标的接口数据，又可以避免消耗太多的芯片面积。

Description

MEMS传感器的接口电路

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别地，涉及一种MEMS传感器的接口电路。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)传感器具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点，已经广泛应用于各种电器设备中。

由于元器件制作工艺限制，MEMS传感器在进行物理信号向电信号转换的同时，往往会将MEMS传感器本身的非理想特性引入到转换后的电信号中。进而后级电路将包含非理想分量的电信号放大并进行模数转换后得到的数据同样包含了MEMS传感器的非理想特性，这些非理想特性会影响用户获取目标数据的准确性。因此，必须在用户取得这些数据之前，将这些非理想因素影响消除，以提升MEMS传感器采集数据的可靠性。

实用新型内容

鉴于上述问题，本公开的目的在于提供一种可以进行增益调整、零点漂移校准的MEMS传感器的接口电路，以提升MEMS传感器采集数据的可靠性。

根据本公开的一方面，提供一种MEMS传感器的接口电路，包括：

电荷电压转换单元，接收传感器的检测信号，并将所述检测信号转换为对应的检测电压以输出；

运算放大单元，与所述电荷电压转换单元连接，基于自身的增益对所述检测电压放大处理；

模数转换单元，与所述运算放大单元连接，将放大后的检测电压转换为数字信号；以及

数字信号处理单元，与所述模数转换单元和输出接口连接，基于所述数字信号和对应的增益调整参数以及对应的零点漂移校准参数生成接口数据，并提供至所述输出接口。

可选地，所述数字信号处理单元根据所述数字信号和对应的增益调整参数生成中间接口数据，以及根据所述中间接口数据和对应的零点漂移校准参数生成所述接口数据。

可选地，所述数字信号处理单元对所述传感器各个方向分量对应的所述数字信号进行串行处理，并依次生成每个方向分量对应的所述接口数据。

可选地，所述数字信号处理单元包括：

乘法器，所述乘法器的输入端接收每个方向分量对应的所述数字信号和对应的增益调整参数，所述乘法器的输出端输出对应方向分量的中间接口数据；

加法器，所述加法器的输入端接收经过暂存后的每个方向分量对应的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数，所述加法器的输出端输出对应方向分量的所述接口数据；

暂存寄存器，与所述加法器、所述乘法器、输出寄存器连接，接收并存储所述乘法器输出的中间接口数据，以及将暂存后的中间接口数据提供至所述加法器，并将所述加法器输出的所述接口数据输出至输出寄存器；

时序控制器，在所述数字信号处理单元对每个方向分量对应的所述数字信号进行处理的阶段产生第一选择信号、第二选择信号、第三选择信号，并将所述第一选择信号提供至所述暂存寄存器以控制将对应方向分量的所述数字信号和对应的增益调整参数提供至所述乘法器，以及将所述乘法器产生的对应方向分量的中间接口数据存放至所述暂存寄存器；

将所述第二选择信号提供至所述暂存寄存器以控制将所述暂存寄存器中的对应方向分量的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数提供至所述加法器，以及将所述加法器产生的对应方向分量的所述接口数据存放至所述暂存寄存器；

将所述第三选择信号提供至输出寄存器以控制所述输出寄存器读取保存在所述暂存寄存器中的对应方向分量的所述接口数据，并且所述输出寄存器将所述接口数据输出；以及

输出寄存器，将每个方向分量对应的所述接口数据提供至所述输出接口。

可选地，所述数字信号处理单元还包括：

第一数据选择器，与所述加法器、所述乘法器、所述时序控制器连接，并根据所述第一选择信号将对应方向分量的所述数字信号和对应的增益调整参数输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号将所述暂存寄存器中对应方向分量的所述中间接口数据和对应的零点漂移校准参数输出至所述加法器的输入端。

可选地，所述数字信号处理单元还包括：第二数据选择器，与所述时序控制器和所述第一数据选择器连接，根据所述第一选择信号选择将对应方向分量的所述数字信号经由所述第一数据选择器输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号选择将对应方向分量的所述中间接口数据经由所述第一数据选择器输出至所述加法器的输入端；

第三数据选择器，与所述时序控制器和所述第一数据选择器连接，根据所述第一选择信号选择将对应方向分量的所述增益调整参数经由所述第一数据选择器输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号选择将对应方向分量的所述零点漂移校准参数经由所述第一数据选择器输出至所述加法器的输入端。

可选地，所述时序控制器在所述数字信号处理单元对每个方向分量对应的所述数字信号进行处理的阶段依次产生所述第一选择信号、所述第二选择信号、所述第三选择信号。

可选地，还包括修调电容，与所述运算放大单元连接，用于调整所述运算放大单元的增益。

本公开提供的MEMS传感器的接口电路，采用数模混合电路，将MEMS传感器的非电学物理量首先转换成电学量、以及将电学量调整到适合模数转换单元进行转换的电压范围，进而进行模数转换生成对应的数字信号。进而通过复用加法器、乘法器对MEMS传感器的多个方向分量进行增益及零点漂移调整，并结合暂存寄存器、时序控制器、多个数据选择器完成对各个方向分量的调整计算。既消除了数字信号中包含的零点漂移值、不理想的信号增益，得到了目标的接口数据，又避免消耗太多的芯片面积；进一步地，在数字域进行增益调整和零点漂移校准，信号处理速度更快且精度更高。

进一步地，本公开在运算放大单元处设置一个修调电容进行粗调，初步调整接口电路的增益值，以使其对于满量程的检测信号，输出不产生失真，以使得模数转换单元得到准确的量化输出。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了一种MEMS传感器的接口电路的示意图；

图2示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路的示意图；

图3示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中一种数字信号处理单元的示意图；

图4示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中另一种数字信号处理单元的示意图；

图5示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中又一种数字信号处理单元的示意图；

图6示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中数字信号处理单元的工作时序示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

MEMS传感器主要是将物理信号，例如加速度，角速度，磁场强度等转换成相应的电信号。这些电信号往往很微弱，或者淹没在噪声信号中。一般采用接口电路将上述微弱的电信号进行放大，以及消除非理想信号的影响后进行模数转换处理，得到表征物理信号大小的接口数据。为了使输出的接口数据有合理的范围及准确的零点，接口电路需要根据实际信号的特性在用户得到接口数据之前进行增益调整及零点调整。一般地，增益调整及零点调整会放在模数转换之前，即在模拟域对物理信号对应的模拟信号进行增益调整及零点调整。

示例性地，图1示出了一种MEMS传感器的接口电路的示意图。

如图1所示，MEMS传感器的接口电路12包括修调电容阵列1211、修调电容阵列1212、电荷电压转换单元122、运算放大单元123、模数转换单元124。

物理运动引起MEMS传感器11中的质量块的物理状态发生变化，进而引起了敏感电级发生位移，导致由该电极构成的敏感电容量的变化。接口电路12将对应的敏感电容量的变化转换成用户可读取的接口数据并输出。进一步地，电荷电压转换单元122与MEMS传感器11连接，将MEMS传感器11的检测信号转换为对应的检测电压，其中，检测信号包含了敏感电容变化量。运算放大单元123将检测电压放大处理。模数转换单元124将放大后的检测电压转换成接口数据并提供至输出接口输出。

由于MEMS传感器11的非理想效应，接口数据往往存在零点漂移及增益误差。本实施例中通过在MEMS传感器11与接口电路12之间的信号线上接入修调电容阵列1211和修调电容阵列1212，进而将修调电容阵列1211和修调电容阵列1212的差值叠加到两条信号线的输出上，以抵消MEMS传感器11的敏感电容的非理想变化。进一步地，MEMS传感器11在零输入信号下给到接口电路12的信号可能不完全相等，通过修调电容阵列的修调，在零输入的情况下，使给到接口电路12的信号完全相等。零输入的情况例如是静止的时候，即消除了MEMS传感器11零点漂移的影响。另外增益的调整需要在额定的运动状态下，精细地调整运算放大单元123的放大位数，使得接口数据达到预计值。为了能够更准确地校准，修调电容阵列1211、修调电容阵列1212、以及运算放大单元123的增益需要很大的调整范围，需要消耗较大的芯片面积来配置校准电路。

本公开提供的以下实施例可以解决上述技术问题。

图2示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路的示意图。图3示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中数字信号处理单元的示意图。图4示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中另一种数字信号处理单元的示意图。图5示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中又一种数字信号处理单元的示意图。图6示出了根据本公开实施例提供的MEMS传感器的接口电路中数字信号处理单元的工作时序示意图。

如图2所示，MEMS传感器的接口电路22包括电荷电压转换单元222、运算放大单元223、模数转换单元224、数字信号处理单元225。

物理运动引起MEMS传感器11中的质量块的物理状态发生变化，进而引起了敏感电级发生位移，导致由该电极构成的敏感电容量的变化。电荷电压转换单元222接收MEMS传感器11的检测信号(例如包含了敏感电容的变化量)，并将检测信号转换为对应的检测电压以输出。运算放大单元223与电荷电压转换单元222连接，基于自身的增益对检测电压放大处理。模数转换单元224与运算放大单元223连接，将放大后的检测电压转换为数字信号。数字信号处理单元225与模数转换单元224和输出接口连接，基于数字信号和对应的增益调整参数以及对应的零点漂移校准参数生成接口数据，并提供至输出接口。即，本实施例通过在数字域对MEMS传感器的物理信号对应的数字信号进行零点漂移校准和增益调整以得到用户可读的准确度较高的接口数据。

进一步地，数字信号处理单元225根据数字信号和对应的增益调整参数生成中间接口数据，以及根据中间接口数据和对应的零点漂移校准参数生成对应的接口数据。

进一步地，数字信号处理单元225对传感器11各个方向分量对应的数字信号进行串行处理，并依次生成每个方向分量对应的接口数据。

示例性地，如图3所示。数字信号处理单元225包括乘法器2251、加法器2252、输出寄存器2253、暂存寄存器2254、时序控制器2258。乘法器2251的输入端接收每个方向分量对应的数字信号和对应的增益调整参数，乘法器2251的输出端输出对应方向分量的中间接口数据。加法器2252的输入端接收每个方向分量对应的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数，加法器2252的输出端输出对应方向分量的接口数据。输出寄存器2253将每个方向分量对应的接口数据提供至输出接口。暂存寄存器2254与加法器2252、乘法器2251、输出寄存器2253连接，接收并存储乘法器2251输出的中间接口数据，以及将中间接口数据提供至加法器2252，并将加法器2252输出的接口数据输出至输出寄存器2253。时序控制器2258在数字信号处理单元225对每个方向分量对应的数字信号进行处理的阶段产生第一选择信号、第二选择信号、第三选择信号，并将第一选择信号提供至暂存寄存器2254以控制将对应方向分量的数字信号和对应的增益调整参数提供至乘法器2251，以及将乘法器2251产生的对应方向分量的中间接口数据存放至暂存寄存器2254；将第二选择信号提供至暂存寄存器2254以控制将暂存寄存器2254中的对应方向分量的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数提供至加法器2252，以及将加法器2252产生的对应方向分量的接口数据存放至暂存寄存器2254；将第三选择信号提供至输出寄存器2253以控制所述输出寄存器读取保存在所述暂存寄存器中的对应方向分量的所述接口数据，并且所述输出寄存器将所述接口数据输出至输出接口。

在可替换的实施例中，如图4所示。数字信号处理单元225还包括第一数据选择器2255。第一数据选择器2255与暂存寄存器2254连接以接收中间接口数据，以及接收各个方向分量的数字信号、增益调整参数、零点漂移校准参数。并与加法器2252、乘法器2251、时序控制器2258连接，根据第一选择信号将对应方向分量的数字信号和对应的增益调整参数输出至乘法器2251的输入端，以及根据第二选择信号将暂存寄存器2254中对应方向分量的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数输出至加法器2252的输入端。

在可替换的实施例中，如图5所示。数字信号处理单元225还包括第二数据选择器2256、第三数据选择器2257。第二数据选择器2256与时序控制器2258和第一数据选择器2255连接，根据第一选择信号选择将对应方向分量的数字信号经由第一数据选择器2255输出至乘法器2251的输入端，以及根据第二选择信号选择将对应方向分量的中间接口数据经由第一数据选择器2255输出至加法器2252的输入端。第三数据选择器2257与时序控制器2258和第一数据选择器2255连接，根据第一选择信号选择将对应方向分量的增益调整参数经由第一数据选择器2255输出至乘法器2251的输入端，以及根据第二选择信号选择将对应方向分量的零点漂移校准参数经由第一数据选择器2255输出至加法器2252的输入端。

进一步地，时序控制器2258在数字信号处理单元225对每个方向分量对应的数字信号进行处理的阶段依次产生第一选择信号、第二选择信号、第三选择信号。

示例性地，如图6所示。时序控制器2258在设定的工作时序下进行工作。其中，图6表达按时间发生的事件顺序，具体的时序单位可以是纳秒(ns)或微秒(us)。以下依次对MEMS传感器11的三个方向分量的对应的数字信号进行增益调整和零点调整。

结合图6，第一拍，将MEMS传感器11的X方向分量的检测信号经接口电路22的电荷电压转换单元222、运算放大单元223、模数转换单元224转换得到对应的数字信号。

第二拍，时序控制器2258产生第一选择信号，并控制第二数据选择器2256将与X方向分量对应的数字信号经由第一数据选择器2255提供至乘法器2251的第一输入端，以及控制第三数据选择器2257将与X方向分量对应的增益调整参数经由第一数据选择器2255提供至乘法器2251的第二输入端。乘法器2251将X方向分量的数字信号和对应的增益调整参数做乘法，并将得到的中间接口数据存入暂存寄存器2251，以用于下一步零点漂移调整。

第三拍，时序控制器2258产生第二选择信号，并控制第二数据选择器2256将从暂存寄存器2251接收的X方向分量对应的中间接口数据经由第一数据选择器2255提供至加法器2252的第一输入端，以及控制第三数据选择器2257将与X方向分量对应的零点漂移校准参数经由第一数据选择器2255提供至加法器2252的第二输入端。加法器2252将X方向分量的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数相加得到对应方向分量的接口数据，完成零点漂移的校准。

第四拍，时序控制器2258产生第三选择信号，并控制输出寄存器2253读取保存在暂存寄存器2254中的X方向分量对应的接口数据，并且输出寄存器2253将所述接口数据输出至输出接口。

类似地，例如在空拍之后或者在第四拍之后，继续进行上述第一拍至第四拍的操作以完成对MEMS传感器11的Y方向分量的对应数字信号进行增益调整和零点调整的操作。接着例如继续进行上述第一拍至第四拍的操作以完成对MEMS传感器11的Z方向分量的对应数字信号进行增益调整和零点调整的操作。

本实施例通过以上数字域的串行操作，以及通过复用乘法器2251及加法器2252，完成了此前在模拟域进行的复杂的调整，以较低的成本可靠地实现了相应功能。

进一步地，本实施例的接口电路22还包括与运算放大单元223连接的修调电容221，通过粗调运算放大单元223的增益，初步调整接口电路22的增益值，以使其对于满量程的检测信号，输出不产生失真。使得模数转换单元224得到准确的量化输出。

由于MEMS传感器转换后的信号幅度与输出数据幅度的满幅值，信号零点与输出数据零点存在一定的差别。因此采用本公开的接口电路，先将MEMS传感器的检测信号(物理量)转换成对应的数字信号，再在数字域进行增益调整和零点漂移校准调整，以将输出的接口数据调整为表征一定量程下信号大小的数值。

进一步地，由于数字信号处理器的工作频率可以远高于输入模数转换器的采样频率，在获得模数转换器的一个数据后，可在模数转换器的下一个数据到来之前，有足够的时间来完成相关的增益及零点漂移调整计算。进一步地，本公开的数字信号处理单元通过复用加法器、乘法器对MEMS传感器的多个方向分量进行增益及零点漂移调整，并结合暂存寄存器、时序控制器、多个数据选择器完成对各个方向分量的调整计算。既消除了数字信号中包含的零点漂移值、不理想的信号增益得到了目标的接口数据，又避免消耗太多的芯片面积。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种MEMS传感器的接口电路，其特征在于，包括：

电荷电压转换单元，接收传感器的检测信号，并将所述检测信号转换为对应的检测电压以输出；

运算放大单元，与所述电荷电压转换单元连接，基于自身的增益对所述检测电压放大处理；

模数转换单元，与所述运算放大单元连接，将放大后的检测电压转换为数字信号；以及

数字信号处理单元，与所述模数转换单元和输出接口连接，基于所述数字信号和对应的增益调整参数以及对应的零点漂移校准参数生成接口数据，并提供至所述输出接口。

2.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述数字信号处理单元根据所述数字信号和对应的增益调整参数生成中间接口数据，以及根据所述中间接口数据和对应的零点漂移校准参数生成所述接口数据。

3.根据权利要求2所述的接口电路，其特征在于，所述数字信号处理单元对所述传感器各个方向分量对应的所述数字信号进行串行处理，并依次生成每个方向分量对应的所述接口数据。

4.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述数字信号处理单元包括：

乘法器，所述乘法器的输入端接收每个方向分量对应的所述数字信号和对应的增益调整参数，所述乘法器的输出端输出对应方向分量的中间接口数据；

加法器，所述加法器的输入端接收经过暂存后的每个方向分量对应的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数，所述加法器的输出端输出对应方向分量的所述接口数据；

暂存寄存器，与所述加法器、所述乘法器、输出寄存器连接，接收并存储所述乘法器输出的中间接口数据，以及将暂存后的中间接口数据提供至所述加法器，并将所述加法器输出的所述接口数据输出至输出寄存器；

时序控制器，在所述数字信号处理单元对每个方向分量对应的所述数字信号进行处理的阶段产生第一选择信号、第二选择信号、第三选择信号，并将所述第一选择信号提供至所述暂存寄存器以控制将对应方向分量的所述数字信号和对应的增益调整参数提供至所述乘法器，以及将所述乘法器产生的对应方向分量的中间接口数据存放至所述暂存寄存器；

将所述第二选择信号提供至所述暂存寄存器以控制将所述暂存寄存器中的对应方向分量的中间接口数据和对应的零点漂移校准参数提供至所述加法器，以及将所述加法器产生的对应方向分量的所述接口数据存放至所述暂存寄存器；

将所述第三选择信号提供至输出寄存器以控制所述输出寄存器读取保存在所述暂存寄存器中的对应方向分量的所述接口数据，并且所述输出寄存器将所述接口数据输出；以及

输出寄存器，将每个方向分量对应的所述接口数据提供至所述输出接口。

5.根据权利要求4所述的接口电路，其特征在于，所述数字信号处理单元还包括：

第一数据选择器，与所述加法器、所述乘法器、所述时序控制器连接，并根据所述第一选择信号将对应方向分量的所述数字信号和对应的增益调整参数输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号将所述暂存寄存器中对应方向分量的所述中间接口数据和对应的零点漂移校准参数输出至所述加法器的输入端。

6.根据权利要求5所述的接口电路，其特征在于，所述数字信号处理单元还包括：第二数据选择器，与所述时序控制器和所述第一数据选择器连接，根据所述第一选择信号选择将对应方向分量的所述数字信号经由所述第一数据选择器输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号选择将对应方向分量的所述中间接口数据经由所述第一数据选择器输出至所述加法器的输入端；

第三数据选择器，与所述时序控制器和所述第一数据选择器连接，根据所述第一选择信号选择将对应方向分量的所述增益调整参数经由所述第一数据选择器输出至所述乘法器的输入端，以及根据所述第二选择信号选择将对应方向分量的所述零点漂移校准参数经由所述第一数据选择器输出至所述加法器的输入端。

7.根据权利要求4-6任一项所述的接口电路，其特征在于，所述时序控制器在所述数字信号处理单元对每个方向分量对应的所述数字信号进行处理的阶段依次产生所述第一选择信号、所述第二选择信号、所述第三选择信号。

8.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，还包括：

修调电容，与所述运算放大单元连接，用于调整所述运算放大单元的增益。