[發(fā)明專利]一種用于微機械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010191597.4
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN101860338A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬大勇;王玉朝;任森;苑偉政;袁廣民;李小卿
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H03H9/00
• 分類號: H03H9/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種閉環(huán)驅(qū)動電路，特別是針對微機械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動電路。

背景技術(shù)

隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，基于機械的諧振原理而制造的微機械諧振結(jié)構(gòu)可用于微傳感器、微制動器和微諧振器，比如諧振式壓力傳感器，振動式微機械陀螺和掃描微鏡。其中，共電極變電容微機械諧振結(jié)構(gòu)是其中一大類。該類微機械諧振結(jié)構(gòu)的共同特點是由具有一個公共電極1的一對電容或多對電容構(gòu)成，參照圖1所示。通常情況下公共電極1是可動的諧振結(jié)構(gòu)，固定電極I2和固定電極II3作為固定結(jié)構(gòu)。并且處于諧振狀態(tài)時，由于公共電極1的振蕩，當(dāng)一個電容C1的容值增大時，另一個電容C2的容值減小。其具體結(jié)構(gòu)舉例如圖2至圖6所示。

圖2所示的結(jié)構(gòu)為雙端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側(cè)有固定電極；圖3所示結(jié)構(gòu)為單端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側(cè)有固定電極；圖4所示結(jié)構(gòu)為平板旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)，該平板繞黑點O所在的垂直于圖示剖面的軸來回旋轉(zhuǎn)振蕩，其下側(cè)分別有兩個分離的固定電極；圖5所示結(jié)構(gòu)為梳齒驅(qū)動諧振結(jié)構(gòu)，中間質(zhì)量塊為諧振結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為固定電極；圖6所示結(jié)構(gòu)也為梳齒驅(qū)動諧振結(jié)構(gòu)，其與圖5所示結(jié)構(gòu)相比，它兩側(cè)的固定電極是斷開的。

對于微機械諧振結(jié)構(gòu)，靜電力閉環(huán)驅(qū)動方式可以有效提高諧振的穩(wěn)定性，將其振蕩的頻率和幅值穩(wěn)定在某一恒定的數(shù)值。2006年，中北大學(xué)李錦明在其博士學(xué)位論文“高信噪比電容式微機械陀螺的研究”中闡述了三種AGC閉環(huán)電路原理，概括而言就是運用簡單的減法器來實現(xiàn)自動增益控制。這種閉環(huán)驅(qū)動電路穩(wěn)定振蕩的相位條件和增益條件相互耦合，線性工作范圍小，調(diào)試比較困難。2006年，東南大學(xué)楊波和周百令發(fā)表在《宇航學(xué)報》上的論文“一種改進(jìn)的高精度硅微陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動方案研究”中，提出了一種閉環(huán)增益和相角的解耦調(diào)節(jié)，但是該方案的驅(qū)動信號為方波，引入了其他頻率分量，造成閉環(huán)諧振的穩(wěn)定性差，引入了噪聲。2009年，國防科技大學(xué)肖定邦、侯占強等人發(fā)表在《國防科技大學(xué)學(xué)報》上的論文“微陀螺閉環(huán)驅(qū)動方法”中提到了一種相位控制技術(shù)的微陀螺閉環(huán)驅(qū)動電路，但是該電路也因為引入了比較器，而產(chǎn)生非線性的靜電力，造成閉環(huán)諧振的穩(wěn)定性差，也引入了噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中閉環(huán)驅(qū)動電路調(diào)試過程中增益調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)相互耦合影響，難于調(diào)試；電路信號的動態(tài)變化范圍較小，不能有效實現(xiàn)諧振結(jié)構(gòu)閉環(huán)自激振蕩的缺點，同時避免閉環(huán)驅(qū)動電路中引入非線性的信號，造成諧振結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定諧振，本發(fā)明提出了一種新的用于微機械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動電路。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于微機械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動電路，由I/V轉(zhuǎn)換器5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動增益控制環(huán)路9，相位補償電路12和力矩器13組成。本發(fā)明的閉環(huán)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖參閱圖7所示。

微機械諧振結(jié)構(gòu)4的電容變化引起充放電電流變化，該變化電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器5后，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；I/V轉(zhuǎn)換器5可由跨阻放大器或者電荷放大器實現(xiàn)；該電壓信號經(jīng)過通帶截止頻率不小于微機械諧振結(jié)構(gòu)4諧振頻率的低通濾波器6后，進(jìn)入限幅電路7；限幅電路7輸出的信號進(jìn)入帶通濾波器8，進(jìn)行信號的選頻，濾除由限幅電路7的限幅而引入的雜波分量；帶通濾波器8的通帶包含微機械諧振結(jié)構(gòu)4的諧振頻率；選頻后的信號進(jìn)入自動增益控制環(huán)路9進(jìn)行自動增益的控制；自動增益控制環(huán)路9包括可變增益放大器10和交流/直流轉(zhuǎn)換器11；交流/直流轉(zhuǎn)換器11可以通過整流器加低通濾波器實現(xiàn)，也可通過真有效值轉(zhuǎn)換器直接實現(xiàn)；可變增益放大器10輸出的信號經(jīng)過交流/直流轉(zhuǎn)換器11后，轉(zhuǎn)換的直流信號與參考電壓Vd進(jìn)行比較控制可變增益放大器10的放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)自動增益的控制；自動增益控制環(huán)路9的輸出信號進(jìn)入相位補償電路12，進(jìn)行相位的補償；相位補償電路12是相位超前電路或者相位延時電路；相位補償電路12的輸出經(jīng)過力矩器13反饋回來驅(qū)動微機械諧振結(jié)構(gòu)4的振蕩。

微機械諧振結(jié)構(gòu)4，I/V轉(zhuǎn)換器5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動增益控制環(huán)路9，相位補償電路12，力矩器13的增益?zhèn)鬟f函數(shù)分別為A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分別為

自動增益控制環(huán)路9，調(diào)節(jié)整個環(huán)路的增益，使其滿足微機械諧振結(jié)構(gòu)4的增益起振條件和穩(wěn)定振蕩的增益平衡條件，即在該微機械諧振結(jié)構(gòu)4的諧振頻率上，上電起振時T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；穩(wěn)定振蕩時，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1。