微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型sigma-delta modulator闭环控制电路

摘要

本发明公开了一种微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型sigma-deltamodulator闭环控制电路，属于微机械加速度计加速度信号测量处理领域。电路，由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分电路Ⅰ11，积分电路Ⅱ12，积分电路Ⅲ13，增益器14，加法器15，比较器16，D触发器17，模拟开关18组成。本发明的有益效果：通过在积分环节加入局部负反馈，使得第二、第三个积分器可以等效为一个二阶谐振环节，该等效二阶谐振环节的谐振频率fR等于系统的理论带宽频率ft，这样能够有效降低系统理论带宽范围[0Hz,ftHz]内的噪声，提高信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型sigma-deltamodulator闭环控制电路，属于微机械加速度计加速度信号测量处理领域。 

背景技术

微机械加速度计是一种重要的微机电系统（MEMS）惯性传感器，也是最早开始研究的MEMS器件之一，目前已大量应用在军用和民用领域。微机械加速度计工作原理为：当外界加速度信号加载到微机械加速度计上时，加速度计的中心质量块在加速度方向上产生位移，导致检测电容发生变化，通过检测该变化量，可以计算出加速度的大小。为了实现高精度的微机械加速度计，需要对误差进行补偿，常采用的是闭环控制方法，目前较普遍采用是模拟闭环控制的办法，但是模拟闭环控制系统存在一些缺点：较大的加速度信号容易导致微机械加速度计的中心质量块吸附到电极上，而且系统参数易受外界因素影响，且难以实现精确控制等。而使用sigma-deltamodulator(∑ΔM)数字式闭环控制系统可以有效地克服以上这些缺点，并且其具有高阶噪声整形特征，能够有效抑制加速度计噪声，因此能够获得较大的信噪比（SNR），所以微机械加速度计的∑ΔM数字式闭环控制系统一直是研究的热点和重点。 

2005年加州大学伯克利分校的Boser教授设计了一种微机械加速度计的4阶低通前馈型∑ΔM数字式闭环控制电路，微机械加速度计后面级联两个积分器并形成闭环结构，整个系统具备4阶噪声整形能力；2006年英国南安普顿大学Michael Kraft教授设计了一种微机械加速度计的5阶低通多反馈∑ΔM数字式闭环控制电路，微机械加速度计后面级联三个积分器并形成闭环结构，其原理框图参照图3,信号的提取采用电荷放大器5，然后信号依次经过全差分放大器9、相位补偿电路10、积分电路19、数字转换电路20，输出脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关18将反馈控制电压V_fb加载 到反馈控制电极上，整个闭环系统具备5阶的噪声整形能力，大大提高了加速度计检测信号的信噪比，但是该控制系统仍然存在一定的弊端： 

系统的开环前向通路是由微机械加速度计和3个一阶积分器串联组成，当加速度计信号的频率大于加速度计自身的谐振频率时，信号经过微机械加速度计时增益以40dB/dec的斜率下降，并且经过每一个积分器时增益均以20dB/dec的斜率下降，因而系统开环增益以100dB/dec的斜率下降，导致系统最终输出信号的噪声量级以100dB/dec的斜率增大,系统噪声整形能力下降，从而限制了系统的有效带宽。 

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型∑ΔM闭环控制电路，系统不仅具备5阶噪声整形能力，而且能够有效地抑制系统理论带宽[0Hz,f_tHz]内的噪声，提高信噪比。 

参阅图2，微机械加速度计检测部分可以等效为公共可动电极1，固定电极Ⅰ2，固定电极Ⅱ3组成。当有加速度信号输入的时候，公共可动电极1沿加速度方向移动，导致检测电容C1、C2发生变化，引起充放电电流发生变化，产生变化的电流信号。 

参阅图4，本发明提出的微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型∑ΔM闭环控制电路，由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分电路Ⅰ11，积分电路Ⅱ12，积分电路Ⅲ13，增益器14，加法器15，比较器16，D触发器17，模拟开关18组成。当有外界加速度信号a(t)输入时，导致检测电容C1、C2发生变化，引起电容充放电电流发生变化，产生变化的电流信号i₁(t)和i₂(t)，电流信号经过频率为f的载波V_c(t)进行高频调制；调制信号经过电荷放大器5，将电流信号转换变为电压信号V₁(t)和V₁′(t)；两路电压信号进入高通滤波器6，滤除掉低频干扰信号，高通滤波器6的截止频率f_c3满足：f_c1＜f；滤波后的信号经过二极管7进行解调，然后信号经过低通滤波器8进行滤波得到V₂(t)和V₂′(t)，低通滤波 器8的截止频率f_c5满足：f_c2＜f；解调和滤波后的信号V₂(t)和V₂′(t)进入全差分放大器9对其做进一步的差分放大，得到两路信号V₃(t)和V₃′(t)；之后V₃(t)和V₃′(t)进入相位补偿电路10进行移相得到V₄(t)和V₄'(t)，相位补偿电路使系统具备足够的相位裕度，从而保证闭环系统的稳定性；移相后的信号V₄(t)和V₄′(t)依次通过积分电路Ⅰ11、积分电路Ⅱ12、积分电路Ⅲ13得到V₅(t)和V₅'(t)；积分电路Ⅲ输出端的信号V₅(t)和V₅′(t)经增益器14进入积分电路Ⅱ的输入端构成一个局部反馈，形成一个二阶谐振环节，其谐振频率f_R＝f_t，这样理论带宽[0Hz,f_tHz]内此二阶环节的总体增益保持不变；移相后的信号和第一、二、三级积分器输出端的信号均进入加法器15，得到前馈信号V₆(t)和V₆′(t)；比较器16对两路前馈全差分信号V₆(t)和V₆'(t)进行比较，输出一路高低电平的数字比较信号b'(t)；数字比较信号b'(t)经过D触发器17，进行采样（采样频率为f_S）与量化，系统输出脉宽密度调制数字信号b(t)；脉宽密度调制数字信号b(t)控制模拟开关18将反馈电压V_fd加载到微机械加速度计的反馈电极上，形成闭环控制系统。 

本发明的有益效果是：通过在积分环节加入局部负反馈，使得第二、第三个积分器可以等效为一个二阶谐振环节，该等效二阶谐振环节的谐振频率f_R等于系统的理论带宽频率f_t，这样能够有效降低系统理论带宽范围[0Hz,f_tHz]内的噪声，提高信噪比。 

附图说明

图1是实施例中的微机械加速度计结构示意图 

图2是实施例中微机械加速度计检测部分等效电学模型示意图 

图3是现有技术中Michael Kraft教授提出的5阶低通多反馈∑ΔM闭环控制电路示意图； 

图4是本发明提出的微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型∑ΔM闭环控制电路方框图； 

图5是实施例中微机械加速度计的5阶连续低通谐振前馈型∑ΔM闭环控制电路示意图； 

图中，1-公共可动电极，2-固定电极Ⅰ，3-固定电极Ⅱ，4-微机械加速度计，5-电荷放大器，6-高通滤波器，7-二极管，8-低通滤波器，9-全差分放大器，10-相位补偿电路，11-积分电路Ⅰ，12-积分电路Ⅱ，13-积分电路Ⅲ，14-增益器，15-加法器，16-比较器，17-D触发器，18-模拟开关,19-积分电路,20-数字转换电路 

具体实施方式

本实施例中微机械加速度计的中心质量块的质量为m＝1.4×10^-6Kg，阻尼系数b＝1.98×10^-4N×s/m,梁的刚度为k＝1.24N/m,谐振频率150Hz,带宽232Hz。微机械加速度计检测梳齿的中心电容在pF量级，电容变化量在fF量级。 

本实施例中提出的微机械加速度计的5阶低通谐振前馈型∑ΔM闭环控制电路参阅图4，整个电路系统由电荷放大器5，高通滤波器6，二极管7，低通滤波器8，全差分放大器9，相位补偿电路10，积分电路Ⅰ11，积分电路Ⅱ12，积分电路Ⅲ13，增益器14，加法器15，比较器16，D触发器17，模拟开关18组成。当有外界加速度信号a(t)输入，微机械加速度计的中心质量块在加速度信号方向上产生位移y(t)，导致检测电极电容C1、C2发生变化，引起电容充放电电流发生变化，产生变化的电流信号i₁(t)和i₂(t)；电流信号经过频率为f＝1×10⁶Hz的高频载波调制后，经过电荷放大器5，形成两路全差分电压信号V₁(t)和V'₁(t)；两路电压信号V₁(t)和V'₁(t)经过高通滤波器6进行滤波，滤除掉低频干扰信号，其中高通滤波器6的截止频率f_c1＝1×10⁵Hz；滤波后的信号经过二极管7进行解调；解调后的信号经过低通滤波器8进行滤波得到两路低频信号V₂(t)和V₂'(t)，低通滤波器截止频率f_c2＝2×10⁴Hz；然后V₂(t)和V₂′(t)进入全差分放大器9做进一步的全差分放大，得到V₃(t)和V₃'(t)，全差分放大器增益G=100；两路全差分信号V₃(t)和V₃'(t)经过相位补偿器10进行相位超前补偿得到V₄(t)和V₄′(t)，相位补偿器提供的相位超前角V₄(t)和V₄'(t)依次经过积分电路Ⅰ11,积分电路Ⅱ12,积分电路Ⅲ13得到V₅(t)和V₅'(t)，其中积分电路Ⅰ11,积分电路Ⅱ12和积分电路Ⅲ13具有相 同的结构，其积分常数τ＝30000；积分电路Ⅲ输出端的信号V₅(t)和V₅′(t)经过增益器14（增益器增益g1=-0.001875）进入积分电路Ⅱ的输入端构成一个局部反馈，形成一个二阶谐振环节，其谐振频率为f_R＝234Hz；相位补偿后的信号和第一、二、三级积分器输出端的信号均进入加法器15，得到两路前馈信号V₆(t)和V₆′(t)；两路前馈信号V₆(t)和V₆'(t)进入比较器16进行比较，形成一路高低电平的数字比较信号b′(t)；数字比较信号b'(t)经过D触发器17，进行采样与量化（采样频率f_S＝30000Hz），系统输出脉宽密度调制数字信号b(t)；脉宽调制数字信号b(t)控制模拟开关18将反馈电压V_fb加载到微机械加速度计的两个反馈极板上，形成闭环系统。