[發(fā)明專利]微機械加速度計的MASH結(jié)構(gòu)sigma-delta閉環(huán)控制電路

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310293968.3
• 申請日: 2013-07-12
• 公開（公告）號: CN103424570A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑偉政;杜松杰;陳方;常洪龍;謝建兵
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: 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械加速度計的MASH結(jié)構(gòu)sigma-delta(ΣΔΜ)閉環(huán)控制電路，屬于加速度信號測量處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微機械加速度計具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、可靠性好、軍事和民用應(yīng)用價值巨大等特點而成為各國研究機構(gòu)和公司研究的重點。其中電容式微機械加速度計具有靈敏度高、受溫度影響小等優(yōu)點而逐漸成為微機械加速度計設(shè)計的主流。電容式微機械加速度計的工作原理為：當(dāng)有加速度信號時，微機械加速度計的中心質(zhì)量塊在加速度信號方向上產(chǎn)生位移，導(dǎo)致檢測電容大小發(fā)生變化，通過測量其變化量，可以計算出加速度信號的大小。

電容式微機械加速度計的控制方案中，ΣΔΜ閉環(huán)控制電路具有有效抑制帶寬內(nèi)量化噪聲、大幅度提高帶寬內(nèi)信噪比、在實現(xiàn)閉環(huán)工作方式的同時可得到直接的數(shù)字輸出等優(yōu)點而備受青睞。從結(jié)構(gòu)上來說，ΣΔΜ閉環(huán)控制電路分為單環(huán)結(jié)構(gòu)和MASH結(jié)構(gòu)：單環(huán)結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)只有一個高階調(diào)制器環(huán)路；而MASH（Multi?Stage?Noise?Shaping)結(jié)構(gòu)即多級噪音整形技術(shù)結(jié)構(gòu)，是由多個低階單環(huán)調(diào)制器級聯(lián)而成的。

美國加州大學(xué)伯克利分校最先研制成功了一種微機械加速度計的單環(huán)結(jié)構(gòu)ΣΔΜ閉環(huán)控制電路，其原理框圖參照圖3,加速度信號經(jīng)過微機械加速度計1，產(chǎn)生的電信號流入電荷放大器5，然后信號依次經(jīng)過全差分放大器9、相位補償電路10、高階調(diào)制器11、比較器12、D觸發(fā)器13，輸出脈寬密度調(diào)制信號b(t)控制模擬開關(guān)14將反饋控制電壓V_fb加載到反饋電容上。該電路具有高階噪聲整形效果，能夠有效提高信噪比。不過該控制系統(tǒng)仍然存在一定的弊端：

對于閉環(huán)系統(tǒng)來說2階的系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的，超過2階就變?yōu)闂l件穩(wěn)定，且階數(shù)越高穩(wěn)定性越低。而在單環(huán)結(jié)構(gòu)ΣΔΜ數(shù)字式閉環(huán)控制系統(tǒng)中，微機械加速度計本身就可以等效為一個2階環(huán)節(jié)，因此加入了高階調(diào)制器后其系統(tǒng)階數(shù)大于2，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。同時，單環(huán)結(jié)構(gòu)抑制空閑噪聲的能力不高，輸入信號的幅值也受到限制，從而降低了微機械加速度計的單環(huán)結(jié)構(gòu)ΣΔΜ數(shù)字式閉環(huán)控制電路的性能。

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)明提出了一種微機械加速度計的MASH結(jié)構(gòu)ΣΔΜ閉環(huán)控制電路，系統(tǒng)絕對穩(wěn)定，且能夠有效地提高空閑噪聲抑制能力，并能夠使輸入信號的幅度范圍增大。

參閱圖2，微機械加速度計檢測部分由固定電極Ⅰ2，固定電極Ⅱ3、可動電極4組成。當(dāng)有加速度信號時，可動電極4在加速度方向上產(chǎn)生位移，導(dǎo)致檢測電容C1、C2的電容量發(fā)生變化，從而引起電容上充放電電流發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的電流信號。