WO2017016273A1 - 加速度器 - Google Patents

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Abstract

一种加速度器，包括：加速度传感器(100)，用于对载体运动的加速度进行检测并输出相应的电信号；采样低通滤波器(200)，与加速度传感器(100)连接，用于定时地对电信号进行采样，并滤掉电信号中的噪声；放大器(300)，用于将滤掉噪声的电信号放大；模数转换器(400)，用于将放大后的电信号转换为数字电信号；功能控制模块(500)，用于对数字电信号进行处理并输出控制信号，以对模数转换器(400)、放大器(300)及采样低通滤波器(200)进行控制；以及振荡器模块(600)，用于根据功能控制信号输出采样信号给采样低通滤波器(200)，以控制采样低通滤波器(200)定时地对电信号进行采样。

Description

加速度器 技术领域
本发明涉及测量仪器设计领域，特别是涉及一种加速度器及其控制方法。
背景技术
加速度器常应用于手机或可穿戴设备，其对低功耗及抗干扰的要求较高。加速度传感器内一般带有重锤，其共振频率落在音频范围内时会对加速度的检测会产生一定影响。因此，需要使用低通滤波器将音频的干扰去除，才能得到比较准确的加速度信号。传统的加速度器中为调整低通滤波器的工作频宽，需要使用多工器从多个电阻或者电容中进行选择，从而导致整个加速度器的功耗以及成本较高。
发明内容
基于此，有必要提供一种低功耗且低成本的加速度器。
一种加速度器，包括：加速度传感器，用于对载体运动的加速度进行检测，并输出相应的电信号；采样低通滤波器，与所述加速度传感器连接，用于定时地对所述电信号进行采样，并滤掉所述电信号中的噪声；放大器，与所述采样低通滤波器连接，用于将滤掉噪声的电信号放大；模数转换器，与所述放大器连接，用于将放大后的电信号转换为数字电信号；功能控制模块，分别与所述模数转换器、放大器及采样低通滤波器连接；所述功能控制模块用于对所述数字电信号进行处理，并输出功能控制信号，以对所述模数转换器、放大器及采样低通滤波器进行控制；以及振荡器模块，分别与所述功能控制模块和所述采样低通滤波器连接，用于根据所述功能控制信号输出采样信号给所述采样低通滤波器，以控制所述采样低通滤波器定时地对所述电信号进行采样。
一种加速度器的控制方法，包括步骤：对载体运动的加速度进行检测， 并输出相应的电信号；定时地对所述电信号进行采样，并滤掉所述电信号中的噪声；将滤掉噪声的电信号放大；将放大后的电信号转换成数字电信号；对所述数字电信号进行处理，并输出功能控制信号；以及根据所述功能控制信号输出采样信号；所述采样信号用于控制定时地对所述电信号进行采样。
上述加速度器，通过采样低通滤波器以采样的方式来对加速度传感器输出的电信号进行滤波，这样通过所述振荡器模块调整采样信号就可以调整采样低通滤波器的工作频宽，不需要使用多工器从多个电阻或电容中进行选择，降低了电阻、电容的面积，成本低。另外，因振荡器模块不需要持续使能，使得加速度传感器的功耗也随之降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施例中加速度器的结构框图；
图2为图1中加速度传感器与采样低通滤波器的连接图；
图3为图2中采样低通滤波器的控制时序图；
图4为图1中功能控制模块与振荡器模块的结构框图；
图5为图4中振荡器调节逻辑模块的结构框图；
图6为图5中检测单元的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
图1为一实施例中加速度器的结构框图。该加速度器包括加速度传感器100、采样低通滤波器200、放大器300、模数转换器400、功能控制模块500以及振荡器模块600。
加速度传感器100安装在载体内，用于检测载体运动的加速度，然后输出与加速度成一定函数关系的电信号。采样低通滤波器200与加速度传感器100连接，用于定时地对电信号进行采样，并滤掉电信号中因音频共振等原因所产生的噪声。放大器300与采样低通滤波器200连接，用于将滤掉噪声后的电信号放大。模数转换器400与放大器300连接，用于将放大后的电信号转换为数字电信号。功能控制模块500分别与模数转换器400、放大器300及采样低通滤波器200连接，用于对数字电信号进行处理并输出功能控制信号，以对模数转换器400、放大器300及采样低通滤波器200进行功能控制。振荡器模块600分别与功能控制模块500和采样低通滤波器200连接，用于根据功能控制信号输出采样信号给采样低通滤波器200，以控制采样低通滤波器200定时地对电信号进行采样。
图2为图1中加速度传感器与采样低通滤波器的连接图。在本实施例中，加速度传感器100采用电桥结构，每四个电阻构成一个电桥。加速度传感器100的输出端包括从三个电桥分别引出的输出端Xp、Xn、Yp、Yn、Zp、Zn以及三个电桥的公共输出端SG。
采样低通滤波器200包括电阻Rm、电容Cm以及采样控制开关Φs，其中电阻Rm与电容Cm组成了一阶低通滤波器，采样控制开关Φs连接在加速度传感器100的输出端，以在固定时间对加速度传感器100输出的电信号进行采样，其采样控制时序如图3所示。
设采样控制开关Φs采样的时间间隔为Ts，每次采样的有效时间为Tp，电阻Rm的阻值为R，电容Cm的电容值为C，则采样低通滤波器200对应的时间常数和截止频率分别为：
Ts/Tp×2RC和Tp/Ts×1/4πRC。
通过调节Tp与Ts的比例就可以对采样低通滤波器200的带宽实现动态调节，这样不需要使用多工器从多个电阻或电容中进行选择，节约了电阻或电容在硅片中占有的面积。
图4为图1中功能控制模块与振荡器模块的结构框图。其中，功能控制模块500主要集成了加速度器中的模拟接口，并集成包括放大器300、模数转换器400以及采样低通滤波器200的控制信号逻辑电路，以生成控制信号对上述各电路进行控制。功能控制模块500可以通过烧录有相应控制信号逻辑电路的单片机来实现或者通过相应的控制芯片实现。
振荡器模块600包括或门610、快速振荡器620、慢速振荡器630以及振荡器调节逻辑模块640。其中，或门610的第一输入端与功能控制模块500的快速振荡器使能信号输出端连接，以接收功能控制模块500输出的快速振荡器使能信号EN_FOSC。慢速振荡器630的输入端与功能控制模块500的慢速振荡器使能信号输出端连接，以接收慢速振荡器使能信号EN_SOSC。或门610的输出端与快速振荡器620连接，快速振荡器620的输出端与振荡逻辑模块640的快速振荡器频率输入引脚FOSC连接，以接收快速振荡器频率信号FOSC。慢速振荡器630的输出端与振荡器调节逻辑模块640的慢速振荡器频率输入引脚SOSC连接，以接收慢速振荡器频率信号SOSC。或门610的第二输入端与振荡器调节逻辑模块640的输出端连接，功能控制模块500的工作引脚直接与振荡器调节逻辑模块640连接，以输出功能控制信号ACTIVE给振荡器调节逻辑模块640。
在本实施例中，慢速振荡器630具有M位的频率调整，依据所需要的频率范围及精度设计，慢速振荡器630可以产生2M种频率设定。振荡器调节逻辑模块640用以产生采样信号Φs′和频率调节信号TRIM，采样信号Φs′使得快速振荡器620仅在Tp为高(采样有效时间内)或功能控制模块500动作时为使能，其它时段为非使能，即关断状态。频率调节信号TRIM用于调节慢速振荡器630的输出频率。
进一步地，慢速振荡器630的设计要求是：当频率调节信号TRIM设定 值全为0时，其输出的频率不低于所需频率，而频率调节信号TRIM设定值增加时其频率降低；当频率调节信号TRIM设定值全为1时，其输出的频率不高于所需频率。M的位数则由快速振荡器620与慢速振荡器频率630校对所需的精度来定义。通过输出频率的自动校准，其设计难度大为降低。
为了降低功耗，慢速振荡器630的输出频率远低于快速振荡器620的输出频率。快速振荡器620的输出频率取决于设计规格或应用上的数据输出率。假设快速振荡器620的输出频率与慢速振荡器630的输出频率的比值为FRATIO(N位)，此处设计FRATIO为大于100的整数值。
可以理解，在其他实施例中，可以根据实际的应用情况，对FRATIO进行调整，比如调整为小于100的整数。
图5为图4中振荡器调节逻辑模块的结构框图。振荡器调节逻辑模块640包括主频计数器641、比较器642、检测单元643、TRIM设置器644、反向器645、输出频率控制器646、Ts分频器647、Tp计数器648以及第一与门649。
快速振荡器620的输出端分别与主频计数器641的时钟脉冲输入端CK、检测单元643的时钟脉冲输入端CK及Tp计数器648的时钟脉冲输入端CK连接，主频计数器641输出端通过比较器642与检测单元643的输入端D连接，检测单元643的输出端R分别与主频计数器641的外部输入端INC、TRIM设置器644的外部输入端INC连接，TRIM设置器644的输出端用于输出频率调节信号TRIM反馈给慢速振荡器630。
功能控制模块500的功能控制信号ACTIVE经反向器645反向后输出给检测单元643、TRIM设置器644、输出频率控制器646以及Ts分频器647的清除端CLR。
慢速振荡器630的输出端分别与主频计数器641的清除端CLR、输出频率控制器646的时钟脉冲输入端CK、Ts分频器647的时钟脉冲输入端CK、Tp计数器648的清除端CLR以及TRIM设置器644的时钟脉冲输入端CK连接，第一与门649的两个输入端分别与输出频率控制器646、Tp计数器648 的输出端连接，第一与门649的输出端用于输出采样信号Φs′。
下面结合图4和图5说明振荡器调节逻辑模块640的工作原理：
首先当慢速振荡器630的输出为高时，主频计数器641的计时清除为0。当慢速振荡器630的输出为低时允许主频计数器641计数，快速振荡器620输出的时钟信号会让主频计数器641的计数往上加1直到比较器642结果翻转，这时检测单元643会锁存翻转的信号使得主频计数器641及TRIM设置器644停止递增，此时TRIM设置器644即锁存设置慢速振荡器630所需的参数。而当检测单元643尚未检测到比较器642的翻转信号时，主频计数器641即被慢速振荡器630的高准位重置，这时TRIM设置器644中的设定值会递增加1，慢速振荡器630所需的参数的增加会使得慢速振荡器630的震荡频率降低，振荡器调节逻辑模块640的检测工作会重复进行，直到正确的参数被设定到慢速振荡器630，最后慢速振荡器630的输出可用于输出频率的控制。
当慢速振荡器630的输出被校准之后，一方面是作为输出频率控制器646的时钟，根据数据输出频率的要求送出有效信号；另一方面是作为Ts分频器647的时钟，每隔Ts的时间送出一个使能信号以启动快速振荡器620产生时钟并开始Tp计数器648的计时。Tp计数器648的计时周期可根据低通滤波器的频宽变化来设定调整，其输出经第一与门649运算后产生采样信号Φs′。
由于加速度传感器110只有在采样信号Φs′为高时才会耗电，而快速振荡器620也只有在部分的时间使能执行所需的功能，因此，该加速度器得以用较低的功耗运行。
图6为图5中检测单元的原理图。检测单元649包括第一D型存储器651、第二D型存储器652、第三D型存储器653、第二与门654及多工器655。
具体地，第一D型存储器651的输出端Q分别与第二D型存储器652的输入端D、第二与门654的第一输入端连接。第二与门654的第二输入端与第二D型存储器652的反向输出端NQ连接，第二与门654的输出端与多工器655其中一个输入端连接，多工器655的输出端与第三D型存储器653 的输入端D连接，第三D型存储器653的输出端Q和反向输出端NQ均与多工器655的输入端连接。其中，第三D型存储器653的反向输出端NQ作为整个检测单元649的输出端。
当第一D型储存器651的输入电平由低转为高时，经过第二与门654及多工器655功能组合后会将结果锁存到第三D型存储器653中。
上述加速度器，通过采样低通滤波器200以采样的方式来对加速度传感器100输出的电信号进行滤波，通过振荡器模块600调整采样信号就可以调整采样低通滤波器200的工作频宽，不需要使用多工器从多个电阻或电容中进行选择，降低了电阻、电容的面积，成本低。另外，因振荡器模块600不需要持续使能，使得加速度传感器的功耗也随之降低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

  1. 一种加速度器，其特征在于，包括：
    加速度传感器，用于对载体运动的加速度进行检测，并输出相应的电信号；
    采样低通滤波器，与所述加速度传感器连接，用于定时地对所述电信号进行采样，并滤掉所述电信号中的噪声；
    放大器，与所述采样低通滤波器连接，用于将滤掉噪声的电信号放大；
    模数转换器，与所述放大器连接，用于将放大后的电信号转换为数字电信号；
    功能控制模块，分别与所述模数转换器、放大器及采样低通滤波器连接；所述功能控制模块用于对所述数字电信号进行处理，并输出功能控制信号，以对所述模数转换器、放大器及采样低通滤波器进行控制；以及
    振荡器模块，分别与所述功能控制模块和所述采样低通滤波器连接，用于根据所述功能控制信号输出采样信号给所述采样低通滤波器，以控制所述采样低通滤波器定时地对所述电信号进行采样。
  2. 根据权利要求1所述的加速度器，其特征在于，所述采样低通滤波器包括电阻、电容以及采样控制开关；所述电阻与电容组成了一阶低通滤波器，所述采样控制开关连接在所述加速度传感器的输出端，以在固定时间对所述加速度传感器输出的电信号进行采样。
  3. 根据权利要求1所述的加速度器，其特征在于，所述振荡器模块包括或门、快速振荡器、慢速振荡器以及振荡器调节逻辑模块；所述或门的第一输入端、慢速振荡器的输入端均与所述功能控制模块连接；所述或门的输出端与所述快速振荡器连接；所述快速振荡器的输出端、慢速振荡器的输出端均与所述振荡器调节逻辑模块连接；所述或门的第二输入端与所述振荡器调节逻辑模块的输出端连接；所述振荡器调节逻辑模块用于调节所述慢速振荡器的频率；所述振荡器调节逻辑模块还用于控制所述快速振荡器的使能，并 输出采样信号给所述采样低通滤波器。
  4. 根据权利要求3所述的加速度器，其特征在于，所述慢速振荡器的输出频率低于所述快速振荡器的输出频率。
  5. 根据权利要求4所述的加速度器，其特征在于，所述快速振荡器的输出频率与所述慢速振荡器的输出频率的比值为大于100的整数。
  6. 根据权利要求3所述的加速度器，其特征在于，所述振荡器调节逻辑模块包括主频计数器、比较器、检测单元、TRIM设置器、反向器、输出频率控制器、Ts分频器、Tp计数器以及第一与门；
    所述快速振荡器的输出端分别与所述主频计数器的时钟脉冲输入端、检测单元的时钟脉冲输入端及Tp计数器的时钟脉冲输入端连接；所述主频计数器输出端通过所述比较器与所述检测单元的输入端连接；所述检测单元的输出端分别与所述主频计数器的外部输入端、TRIM设置器的外部输入端连接；所述TRIM设置器的输出端输出频率调节信号TRIM，并反馈给所述慢速振荡器；
    所述功能控制模块的控制信号经所述反向器反向后，输出给所述检测单元、所述TRIM设置器、所述输出频率控制器以及所述Ts分频器；
    所述慢速振荡器的输出端分别与所述主频计数器的清除端、输出频率控制器的时钟脉冲输入端、Ts分频器的时钟脉冲输入端、Tp计数器的清除端以及TRIM设置器的时钟脉冲输入端连接；所述第一与门的两个输入端分别与输出频率控制器、Tp计数器的输出端连接，所述第一与门的输出端用于输出采样信号。
  7. 根据权利要求6所述的加速度器，其特征在于，所述检测单元包括第一D型存储器、第二D型存储器、第三D型存储器、第二与门及多工器；
    所述第一D型存储器的输出端分别与所述第二D型存储器的输入端、第二与门的第一输入端连接；所述第二与门的第二输入端与所述第二D型存储器的反向输出端连接；所述第二与门的输出端与所述多工器其中一个输入端连接；所述多工器的输出端与第三D型存储器的输入端连接；所述第三D型 存储器的输出端和反向输出端均与所述多工器的输入端连接；第三D型存储器的反向输出端作为整个检测单元的输出端。
  8. 根据权利要求1所述的加速度器，其特征在于，所述加速度传感器采用电桥结构。
  9. 一种加速度器的控制方法，包括步骤：
    对载体运动的加速度进行检测，并输出相应的电信号；
    定时地对所述电信号进行采样，并滤掉所述电信号中的噪声；
    将滤掉噪声的电信号放大；
    将放大后的电信号转换成数字电信号；
    对所述数字电信号进行处理，并输出功能控制信号；以及
    根据所述功能控制信号输出采样信号；所述采样信号用于控制定时地对所述电信号进行采样。
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