[發(fā)明專利]微機(jī)械加速度計(jì)的5階連續(xù)低通諧振前饋型sigma-delta modulator閉環(huán)控制電路

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310021414.8
• 申請(qǐng)日: 2013-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN103134950A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑偉政;陳方;杜松杰;常洪龍;謝建兵;袁廣明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/125
• 分類號(hào): G01P15/125
• 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)明涉及一種用于微機(jī)械加速度計(jì)的5階連續(xù)低通諧振前饋型sigma-deltamodulator閉環(huán)控制電路，屬于微機(jī)械加速度計(jì)加速度信號(hào)測(cè)量處理領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

微機(jī)械加速度計(jì)是一種重要的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性傳感器，也是最早開始研究的MEMS器件之一，目前已大量應(yīng)用在軍用和民用領(lǐng)域。微機(jī)械加速度計(jì)工作原理為：當(dāng)外界加速度信號(hào)加載到微機(jī)械加速度計(jì)上時(shí)，加速度計(jì)的中心質(zhì)量塊在加速度方向上產(chǎn)生位移，導(dǎo)致檢測(cè)電容發(fā)生變化，通過檢測(cè)該變化量，可以計(jì)算出加速度的大小。為了實(shí)現(xiàn)高精度的微機(jī)械加速度計(jì)，需要對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，常采用的是閉環(huán)控制方法，目前較普遍采用是模擬閉環(huán)控制的辦法，但是模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)：較大的加速度信號(hào)容易導(dǎo)致微機(jī)械加速度計(jì)的中心質(zhì)量塊吸附到電極上，而且系統(tǒng)參數(shù)易受外界因素影響，且難以實(shí)現(xiàn)精確控制等。而使用sigma-deltamodulator(∑ΔM)數(shù)字式閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地克服以上這些缺點(diǎn)，并且其具有高階噪聲整形特征，能夠有效抑制加速度計(jì)噪聲，因此能夠獲得較大的信噪比（SNR），所以微機(jī)械加速度計(jì)的∑ΔM數(shù)字式閉環(huán)控制系統(tǒng)一直是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。?

2005年加州大學(xué)伯克利分校的Boser教授設(shè)計(jì)了一種微機(jī)械加速度計(jì)的4階低通前饋型∑ΔM數(shù)字式閉環(huán)控制電路，微機(jī)械加速度計(jì)后面級(jí)聯(lián)兩個(gè)積分器并形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)具備4階噪聲整形能力；2006年英國南安普頓大學(xué)Michael?Kraft教授設(shè)計(jì)了一種微機(jī)械加速度計(jì)的5階低通多反饋∑ΔM數(shù)字式閉環(huán)控制電路，微機(jī)械加速度計(jì)后面級(jí)聯(lián)三個(gè)積分器并形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理框圖參照?qǐng)D3,信號(hào)的提取采用電荷放大器5，然后信號(hào)依次經(jīng)過全差分放大器9、相位補(bǔ)償電路10、積分電路19、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路20，輸出脈寬密度調(diào)制數(shù)字信號(hào)b(t)控制模擬開關(guān)18將反饋控制電壓V_fb加載?到反饋控制電極上，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)具備5階的噪聲整形能力，大大提高了加速度計(jì)檢測(cè)信號(hào)的信噪比，但是該控制系統(tǒng)仍然存在一定的弊端：?

系統(tǒng)的開環(huán)前向通路是由微機(jī)械加速度計(jì)和3個(gè)一階積分器串聯(lián)組成，當(dāng)加速度計(jì)信號(hào)的頻率大于加速度計(jì)自身的諧振頻率時(shí)，信號(hào)經(jīng)過微機(jī)械加速度計(jì)時(shí)增益以40dB/dec的斜率下降，并且經(jīng)過每一個(gè)積分器時(shí)增益均以20dB/dec的斜率下降，因而系統(tǒng)開環(huán)增益以100dB/dec的斜率下降，導(dǎo)致系統(tǒng)最終輸出信號(hào)的噪聲量級(jí)以100dB/dec的斜率增大,系統(tǒng)噪聲整形能力下降，從而限制了系統(tǒng)的有效帶寬。?

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種微機(jī)械加速度計(jì)的5階連續(xù)低通諧振前饋型∑ΔM閉環(huán)控制電路，系統(tǒng)不僅具備5階噪聲整形能力，而且能夠有效地抑制系統(tǒng)理論帶寬[0Hz,f_tHz]內(nèi)的噪聲，提高信噪比。?

參閱圖2，微機(jī)械加速度計(jì)檢測(cè)部分可以等效為公共可動(dòng)電極1，固定電極Ⅰ2，固定電極Ⅱ3組成。當(dāng)有加速度信號(hào)輸入的時(shí)候，公共可動(dòng)電極1沿加速度方向移動(dòng)，導(dǎo)致檢測(cè)電容C1、C2發(fā)生變化，引起充放電電流發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的電流信號(hào)。?