一种单芯片双轴集成硅微谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电路

摘要

本发明公开了一种单芯片双轴集成硅微谐振式加速度计控制电路，它主要包括了四路两个方向上的加速度计驱动控制和频率检测电路，其中一个方向上的加速度计驱动控制和频率检测电路包括双轴硅微谐振式加速度计、接口检测电路、前置放大电路、幅度控制电路、乘法电路、整流电路、测频电路。与现有的成果相比，本发明提出的电路的优点有：可进行双轴加速度测量、体积小、成本低、功耗小、精度高、灵敏度高、可数字化输出。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械和微惯性器件测控技术领域，具体涉及一种单芯片双轴集成 硅微谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电路。

背景技术

加速度计起源于20世纪60年代，如今经过50余年的发展，已经被成功地应用在 了航空航天、制导、机器人等等军事或民事领域，具有广阔的发展和应用前景，在高精 度测量领域应用尤其广泛。谐振式加速度计是包含了一个或多个谐振梁的加速度计。作 为加速度计中的新兴力量，硅微谐振式陀螺仪更是成为了热门研究对象。硅微谐振式陀 螺仪具有体积小、成本低、功耗小、精度高、灵敏度高等优点，非常适合于应用在军事 及民事领域。并且，硅微谐振式加速度计还可以直接数字化输出，给后续的研究、调试、 使用都提供了很大的便利，并且带领了加速度计向数字化方向发展。目前在国外，硅微 谐振式加速度计的技术已经渐趋成熟，中等精度的硅微加速度计已经接近惯导水平。 1997年美国Draper实验室提出了硅微谐振式加速度计的概念，并且一直处于业界领先 地位。而在国内，北京大学、清华大学、东南大学、中国物理工程研究院等科研单位也 在该领域取得了一定的研究成果。

然而，以往的加速度计都只能测量一个方向的加速度，在市场需求的要求下，研制 出高精度的双轴加速度计已成为必然趋势。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种单芯片双轴集成硅微 谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电路，包括四路电路，可以同时测量两个方向 上的加速度，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单芯片双轴集成硅微 谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电路，其特征在于：包括四路加速度计驱动控 制和频率检测电路；所述四路电路结构相同，每一路均包括双轴硅微谐振式加速度计、 前置放大电路、幅度控制电路、相位控制电路、调制控制电路和测频电路；每一路电路 的双轴硅微谐振式加速度计的输出相位依次相差90°；

每一路电路上的双轴硅微谐振式加速度计的输出信号传送至前置放大电路，前置放 大电路将放大后的信号分别传送至相位控制电路和幅度控制电路，相位控制电路和幅度 控制电路分别将相位控制信号和幅度控制信号传送给调制控制电路，调制控制电路生成 驱动信号传送至双轴硅微谐振加速度计，同时相位控制电路将信号传送给测频电路；双 轴硅微谐振式加速度计的输出相位相差180°的两路测频电路的信号传送给同一个差频 电路进行差分，测得频率差。

进一步的，所述前置放大电路包括电容信号器和放大器；交流信号与直流偏电压置 叠加对力矩器产生激励，使力矩器梳齿产生位移，位移通过电容信号器转换为电容变化， 电容信号器再将信号传送至前置放大器；

所述相位控制电路包括移相器和锁相环，前置放大器将放大后的信号传送至移相 器，移相器的输出信号传递至锁相环；幅度控制电路包括整流器、比较器和积分控制器； 移相器将信号传送至整流器，经过整流器处理的信号在比较器中与参考电压进行比较并 在积分控制器中积分，积分控制器输出的信号与锁相环输出的信号同时输入乘法器的两 个输入端，乘法器的输出信号与直流偏置电压进行叠加，形成回路，继续对力矩器产生 激励；锁相环输出端的另一路信号输入至测频电路进行测频。

进一步的，包括整流器电路；所述整流器电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R26、 电阻R27、电阻R28、电阻R25、二极管D1、二极管D2、放大器U9A和放大器U9B；

所述整流器电路输入信号连接到电阻R20，电阻R20另一端分为两路，一路依次连 接电阻R21和电阻R27，另一路依次连接电阻R26和电阻R28；电阻R27和电阻R27 的接入二极管D2的基极；二极管D2的发射极连接至二极管D1基极和放大器U9A输 出端；二极管D1发射极连接到电阻R26、电阻R28和放大器U9A负输入端，放大器 U9A正输入端接地，电阻R21同时连接电阻R25和放大器U9B负输入端，放大器U9B 正输入端接地，电阻R25另一端接放大器U9B输出端；放大器U9B输出端为整流器电 路输出端。

进一步的，所述积分控制器的电路包括电阻R23，电阻R22，电阻R39，电容C21， 电容C22，电容C28，电容C35，电容C36，放大器U10A；

输入信号连接至电阻R23，电阻R23分别连接至电阻R22、电容C21和放大器U10A 负输入端；电阻R22另一端通过电容C22后连接至放大器U10A输出端；电容C21另 一端连接至电容C22；放大器U10A正输入端连接电阻R39和电容C36，电阻R39和电 容C36另一端接地；放大器U10A输出端为积分控制器的电路输出端。

进一步的，所述乘法器的电路包括乘法器U7，电阻R15、电阻R31、电阻R33、电 阻R35、电阻R38、电容C37、电容C29；

输入信号分别连接到电阻R15和电阻R33；电阻R15连接在乘法器U7的X1输入 端；电阻R33连接乘法器U7的Y1输入端；电阻R31一端接地，另一端连接在乘法器 U7的X2输入端；乘法器U7的Y2输入端接地；电容C37一端接地，另一端同时连接 在-8电源和乘法器U7的V-端；电容C29一端接地，另一端同时连接电源-8和乘法器 U7的V+端；电阻R35一端接乘法器U7的W输出端另一端接乘法器U7的Z输入端； 电阻R38一端接乘法器U7的Z输入端，另一端接地；乘法器U7的W输出端为该乘法 器的电路输出端。

有益效果：本发明电路具体具有以下优点：

1)该电路能够实时测量两个垂直方向的加速度，弥补了以往的单轴加速度计只能 够对单一方向的加速度值进行测量的缺陷，很好地满足了当代汽车、航空以及电子等 专业方面对加速度计的需求；

2)该电路成功地集成了多套激振电路、测频电路以及差频电路，很好地解决了多 套电路难以集成这一大难题；

3)该电路体积小、成本低、功耗小、精度高、灵敏度高、可数字化输出；

4)在两个方向加速度的测量中，该电路对两者进行了彼此独立的闭环控制。两个 方向的测量互不影响，因而得以最大程度地降低了两个轴向的耦合，这一设计也有利于 后续的调试。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2是本发明的一轴一个上闭环驱动控制电路详细原理框图；

图3是本发明的整流器电路电路图；

图4是本发明的积分控制器电路电路图；

图5是本发明的乘法电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种单芯片双轴集成硅微谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电 路，其特征在于：包括四路加速度计驱动控制和频率检测电路；所述四路电路结构相同， 每一路均包括双轴硅微谐振式加速度计、前置放大电路、幅度控制电路、相位控制电路、 调制控制电路和测频电路；每一路电路的双轴硅微谐振式加速度计的输出相位依次相差 90°；

每一路电路上的双轴硅微谐振式加速度计的输出信号传送至前置放大电路，前置放 大电路将放大后的信号分别传送至相位控制电路和幅度控制电路，相位控制电路和幅度 控制电路分别将相位控制信号和幅度控制信号传送给调制控制电路，调制控制电路生成 驱动信号传送至双轴硅微谐振加速度计，同时相位控制电路将信号传送给测频电路；双 轴硅微谐振式加速度计的输出相位相差180°的两路测频电路的信号传送给同一个差频 电路进行差分，测得频率差。

如图2所示，进一步的，所述前置放大电路包括电容信号器和放大器；交流信号与 直流偏电压置叠加对力矩器产生激励，使力矩器梳齿产生位移，位移通过电容信号器转 换为电容变化，电容信号器再将信号传送至前置放大器；

所述相位控制电路包括移相器和锁相环，前置放大器将放大后的信号传送至移相 器，移相器的输出信号传递至锁相环；幅度控制电路包括整流器、比较器和积分控制器； 移相器将信号传送至整流器，经过整流器处理的信号在比较器中与参考电压进行比较并 在积分控制器中积分，积分控制器输出的信号与锁相环输出的信号同时输入乘法器的两 个输入端，乘法器的输出信号与直流偏置电压进行叠加，形成回路，继续对力矩器产生 激励；锁相环输出端的另一路信号输入至测频电路进行测频。

如图3所示，进一步的，包括整流器电路；所述整流器电路包括电阻R20、电阻 R21、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R25、二极管D1、二极管D2、放大器U9A 和放大器U9B；

所述整流器电路输入信号连接到电阻R20，电阻R20另一端分为两路，一路依次连 接电阻R21和电阻R27，另一路依次连接电阻R26和电阻R28；电阻R27和电阻R27 的接入二极管D2的基极；二极管D2的发射极连接至二极管D1基极和放大器U9A输 出端；二极管D1发射极连接到电阻R26、电阻R28和放大器U9A负输入端，放大器 U9A正输入端接地，电阻R21同时连接电阻R25和放大器U9B负输入端，放大器U9B 正输入端接地，电阻R25另一端接放大器U9B输出端；放大器U9B输出端为整流器电 路输出端。

如图4所示，进一步的，所述积分控制器的电路包括电阻R22，电阻R39，电容C21， 电容C22，电容C28，电容C35，电容C36，放大器U10A；

输入信号连接至电阻R23，电阻R23分别连接至电阻R22、电容C21和放大器U10A 负输入端；电阻R22另一端通过电容C22后连接至放大器U10A输出端；电容C21另 一端连接至电容C22；放大器U10A正输入端连接电阻R39和电容C36，电阻R39和电 容C36另一端接地；放大器U10A输出端为积分控制器的电路输出端。

如图5所示，进一步的，所述乘法器的电路包括乘法器U7，电阻R15、电阻R31、 电阻R33、电阻R35、电阻R38、电容C37、电容C29；

输入信号分别连接到电阻R15和电阻R33；电阻R15连接在乘法器U7的X1输入 端；电阻R33连接乘法器U7的Y1输入端；电阻R31一端接地，另一端连接在乘法器 U7的X2输入端；乘法器U7的Y2输入端接地；电容C37一端接地，另一端同时连接 在-8电源和乘法器U7的V-端；电容C29一端接地，另一端同时连接电源-8和乘法器 U7的V+端；电阻R35一端接乘法器U7的W输出端另一端接乘法器U7的Z输入端； 电阻R38一端接乘法器U7的Z输入端，另一端接地；乘法器U7的W输出端为该乘法 器的电路输出端。

具体实施例：

如附图1所示，本实施例的单芯片双轴集成硅微谐振式加速度计闭环驱动控制和频 率检测电路，同一芯片上包含两个方向上的加速度计驱动控制和频率检测电路，且这两 个方向之间相互垂直

本实例中，两个方向上的加速度计驱动控制和频率检测电路中的加速度计集成在了 双轴集成硅微谐振式加速度计敏感结构A中，除加速度计结构外的两个方向上的加速度 计驱动控制和频率检测电路部分依次命名为X轴谐振器1激振电路，X轴谐振器2激振电 路，Y轴谐振器1激振电路，Y轴谐振器2激振电路。两个方向上四路的不含加速度计的 驱动控制电路结构相同。

该双轴硅微谐振式加速度计的一路该方向上的输出信号传送至前置放大电路，前置 放大电路将放大后的信号分别传送至相位控制电路和幅度控制电路，相位控制电路将信 号传送给测频电路，两路测频电路的信号再传送给差频电路进行差分，从而测得频率差。 相位控制电路和幅度控制电路分别将相位控制信号和幅度控制信号传送给调制控制电 路，调制控制电路生成驱动信号传送至双轴硅微谐振加速度计，实现谐振闭环驱动控制。

基于FPGA芯片的测频电路由两个轴上的四路频率测量电路组成，这些电路被集成 到了同一块FPGA芯片里，相位控制电路与相位控制电路的输出端均连接到测频电路的 输入端进行信号频率测量。

结合图2，本实例中对X轴1方向上的加速度计驱动控制和频率从检测电路包括谐 振器，电容信号器，前置放大器，移相器，锁相环，带通滤波电路，乘法器，整流器， 比较器，积分控制器，力矩器。载波信号由晶振产生恒定调制信号源，将两路电容敏感 信号调制，分别连接到电容信号器，电容信号器再将信号传送至前置放大器，前置放大 器再将放大后的信号传送至移相器，移相器再将信号分别传送至整流器和锁相环，经过 整流器处理的信号在比较器电路中与参考电压进行比较并在积分器电路中积分，与锁相 环输出的信号同时输入乘法器的两个输入端，乘法器的输出信号与直流偏置电压进行叠 加，形成回路，继续对力矩器产生激励。锁相环同时输出信号至测频电路进行测频。

本实例中整流器电路电路图如图3所示，该整流器电路输入信号连接到电阻R20，电 阻R20另一端连接到电阻R21和电阻R26，电阻R21另一端连接到电阻R27，电阻R27另一 端连接在电阻R28，电阻R28另一端连接在电阻R26另一端，二极管D2的基极连接至电阻 R27和电阻R28，二极管D2的发射极连接至二极管D1基极和放大器U9A输出端，二极管 D1发射极连接到电阻R26、电阻R28和放大器U9A负输入端，放大器U9A正输入端接地， 电阻R21另一端接电阻R25和放大器U9B负输入端，电阻U9B正输入端接地，电阻R25另 一端接放大器U9B输出端。放大器U9B输出端为整流器电路输出端。

本实例中积分控制器电路电路图如图4所示，该带通滤波电路输入信号连接至电阻 R21，电阻R21另一端连接至电阻R22，电容C21和放大器U10A负输入端，电阻R22另一 端连接至电容C22，电容C22另一端连接至放大器U10A输出端，电容C21另一端连接至 电容C22，正输入端连接在电阻R39和电容C36，电阻R39和电容C36另一端接地，放大 器U10A输出端为积分控制器电路输出端。

本实例中乘法电路电路图如图5所示，幅度PI控制电路和带通滤波电路输出信号 分别连接到分别连接到电阻R15和电阻R33；电阻R15连接在乘法器U7的X1输入端 电阻R31一端接地，另一端连接在乘法器U7的X2输入端；电阻R33的另一端连接在 乘法器U7的Y1输入端，乘法器U7的Y2输入端接地；电容C37一端接地，另一端同 时连接在-8电源和乘法器U7的V-端；电容C29一端接地，另一端同时连接电源-8和乘 法器U7的V+端；电阻R35一端接乘法器U7的W输出端另一端接乘法器U7的Z输入 端；电阻R38一端接乘法器U7的Z输入端，另一端接地；乘法器U7的W输出端为该 乘法电路输出端。这样子两个输入信号经过乘法器的处理可以输出到驱动信号耦合电 路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。