[發(fā)明專利]一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110402038.8
• 申請日: 2011-12-07
• 公開（公告）號: CN102435774A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱輝杰;金仲和;胡世昌;劉義東
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

1.一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)，其特征在于包括電容式微機械加速度傳感器、驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬帶通濾波器、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片，電容式微機械加速度傳感器的輸出端與電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端與第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端與第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端與第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸入端連接，第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與模擬帶通濾波器的輸入端連接，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸出端和模擬帶通濾波器的輸出端分別與電容式微機械加速度傳感器的兩個輸入端連接；所述的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部完成載波產(chǎn)生/同步解調(diào)、諧振頻率鎖定和零偏溫度補償?shù)墓δ埽F(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端輸出交流驅(qū)動信號，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端輸出載波信號，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，電容式微機械加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端進行信號處理，電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化可檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償，溫度補償后的信號經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進行輸出。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述的電容式微機械加速度傳感器包含靜電驅(qū)動電極和位移檢測電極。

3.一種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的電容式微機械加速度計溫度補償方法，其特征在于它的步驟如下：

1）在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出周期性變化的相位值作為第一坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量z₀，輸入相位量z₀是計算三角函數(shù)值的相位量；第一坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標(biāo)值x₀設(shè)置為恒定的幅度控制常量，初始向量坐標(biāo)值y₀設(shè)置為0，第一坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N和y_N分別給出輸入相位量z₀的正弦和余弦函數(shù)值，其中第一坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端，實現(xiàn)載波產(chǎn)生，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以對電容式微機械加速度傳感器的微弱電容信號進行調(diào)制，調(diào)制后的微弱電容信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號作為待解調(diào)信號，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端；在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出的相位值與自動相位控制器輸出的相位值通過相位修正器輸出與待解調(diào)信號同步的相位，所述待解調(diào)信號即現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端輸入的信號，相位修正器輸出的相位值作為第二坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量z₀，輸入相位量z₀是計算三角函數(shù)值的相位量；第二坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標(biāo)值x₀設(shè)置為待解調(diào)信號，初始向量坐標(biāo)值y₀設(shè)置為0；第二坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出y_N經(jīng)第二數(shù)字低通濾波器后輸入自動相位控制器，自動相位控制器通過將第二數(shù)字低通濾波器的輸出信號控制在零值附近使得相位修正器輸出的相位值與待解調(diào)信號的相位保持同步，完成同步解調(diào)；第二坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N經(jīng)第一數(shù)字低通濾波器后輸出加速度檢測信號；第二坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N經(jīng)數(shù)字帶通濾波器后輸出驅(qū)動位移檢測信號；

2）在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的可變相位累加器根據(jù)初始累加步長輸出周期性變化的相位值作為第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量z₀，輸入相位量z₀是計算三角函數(shù)值的相位量；第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標(biāo)值x₀設(shè)置為一恒定的幅度控制常量，初始向量坐標(biāo)值y₀設(shè)置為0，第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N和y_N分別給出輸入相位量z₀的正弦和余弦函數(shù)值，其中第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端，完成交流驅(qū)動信號產(chǎn)生，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以驅(qū)動電容式微機械加速度傳感器振動；可變相位累加器輸出的相位值同時作為第四坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量z₀，輸入相位量z₀是計算三角函數(shù)值的相位量；第四坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標(biāo)值x₀設(shè)置為如步驟1）所述的驅(qū)動位移檢測信號，初始向量坐標(biāo)值y₀設(shè)置為0；第四坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N和y_N分別經(jīng)過第三數(shù)字低通濾波器和第四低通濾波器后輸入反正切相位求解器，反正切相位求解器輸出驅(qū)動位移檢測信號當(dāng)前的相位值并作為環(huán)路控制器的輸入；環(huán)路控制器將驅(qū)動位移檢測信號當(dāng)前的相位值與電容式微機械加速度計諧振時對應(yīng)的相位值進行對比控制，將控制后的信號輸入頻率調(diào)整器，頻率調(diào)整器根據(jù)輸入信號調(diào)整可變相位累加器的累加步長，即更新第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N輸出信號的頻率，并將新的累加步長輸入至可變相位累加器，同時也作為頻率表征信號輸出，可變相位累加器根據(jù)新的相位累加步長進行相位周期性累加，在整個環(huán)路的作用下，可使第三坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出x_N輸出信號的頻率鎖定在電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率上，完成諧振頻率鎖定；

3）補償量求解器根據(jù)補償量與如步驟2）所述的頻率表征信號的關(guān)系，由頻率表征信號求解出補償量，補償量求解器的輸出與如步驟1）所述的加速度檢測信號作為加法器的兩個輸入端，加法器完成零偏溫度補償，加法器的輸出作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端，由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)的輸出信號。