專(zhuān)利名稱(chēng)：帶諧波失真自檢功能的高階σ-δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于MEMS慣性器件領(lǐng)域，涉及一種帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Λ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路。
背景技術(shù)：
微機(jī)械慣性傳感器是MEMS技術(shù)和慣性技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，在所有的微機(jī)械慣性傳感器中微機(jī)械加速度計(jì)是目前市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，與傳統(tǒng)慣性器件相比，電容式微機(jī)械慣性傳感器集MEMS工藝、IC工藝的優(yōu)勢(shì)為一體，實(shí)現(xiàn)了慣性傳感器的高度集成，其具有體積小、重量輕、成本低廉，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。微機(jī)械加速度計(jì)傳感器是微型慣性測(cè)量組合的核心元件，在汽車(chē)電子、航空航天、地震勘探、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，不僅在民用領(lǐng)域，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的中段制導(dǎo)、靈巧炸彈和巡航導(dǎo)彈、飛機(jī)導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。微機(jī)械慣性傳感器直接數(shù)字輸出能夠有效降低成本，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的難度，是MEMS傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用Σ-Δ技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)微機(jī)械加速度計(jì)的數(shù)字輸出，而且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)工作，這在很大程度上增加了系統(tǒng)的工作帶寬，提高了系統(tǒng)的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。Σ-Λ微機(jī)械加速度計(jì)目前正朝著高精度、高階的方向發(fā)展，所以對(duì)于系統(tǒng)的輸出精度和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。然而由于目前的工藝不穩(wěn)定性，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)微機(jī)械加速度計(jì)接口電路時(shí)存在一些難題。例如工藝不穩(wěn)定性導(dǎo)致的機(jī)械表頭參數(shù)存在不準(zhǔn)確性，而隨著溫度的變化，系統(tǒng)的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化等等，所以為了提高系統(tǒng)的性能，必須確保加速度計(jì)工作的可靠性。微機(jī)械加速度計(jì)接口電路的自檢測(cè)功能能夠很好的檢測(cè)出工藝參數(shù)和溫度變化等帶來(lái)的產(chǎn)品缺陷，提高產(chǎn)品率。目前帶有自檢測(cè)功能的微加速度計(jì)接口電路的報(bào)道主要集中于模擬的電路結(jié)構(gòu)，例如專(zhuān)利文件CN101271125A，發(fā)明名稱(chēng)為“一種電容式微加速度計(jì)”，
公開(kāi)日期為2008年9月24日，該專(zhuān)利報(bào)道的帶自檢測(cè)功能的開(kāi)環(huán)電路結(jié)構(gòu)的電容式微加速度計(jì)接口電路，其只能滿足低端應(yīng)用需求；專(zhuān)利文件CN101692095A，發(fā)明名稱(chēng)為“帶有自檢測(cè)功能的電容式閉環(huán)加速度計(jì)接口電路”，
公開(kāi)日期為2010年4月7日，該專(zhuān)利報(bào)道的帶自檢測(cè)功能的閉環(huán)電容式加速度計(jì)接口電路，其滿足較高精度的應(yīng)用需求，但其卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧波失真自檢功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決目前的加速度計(jì)接口電路自檢功能主要解決模擬輸出的加速度計(jì)接口電路的自檢測(cè)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字輸出的閉環(huán)高階Σ-Λ加速度計(jì)接口電路諧波失真自檢測(cè)的問(wèn)題，提供了一種帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Λ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路。本發(fā)明所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Λ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路，它包括加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)、電荷電壓轉(zhuǎn)換器、前級(jí)放大器、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元、相位補(bǔ)償器、自檢測(cè)單元、第一級(jí)積分器、第二級(jí)積分器、求和單元、第三級(jí)積分器和比較器， 加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)的等效加速度信號(hào)輸出端與電荷電壓轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；
電荷電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端與前級(jí)放大器的輸入端相連；
前級(jí)放大器的輸出端與相關(guān)雙采樣與采樣保持單元的輸入端相連；
相關(guān)雙采樣與采樣保持單元的輸出端與相位補(bǔ)償器的輸入端相連；
相位補(bǔ)償器的輸出端、自檢測(cè)單元的輸出端分別與第一級(jí)積分器的兩個(gè)輸入端相連； 第一級(jí)積分器的輸出端與第二級(jí)積分器的輸入端相連；
相位補(bǔ)償器的輸出端、第一級(jí)積分器的輸出端、第二級(jí)積分器的輸出端分別與求和單元的三個(gè)輸入端相連；
求和單元的輸出端與第三級(jí)積分器的輸入端相連；
第三級(jí)積分器的輸出端與比較器的輸入端相連；
比較器的輸出端分別與加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)、第一級(jí)積分器、第二級(jí)積分器、第三級(jí)積分器的反饋端相連；
比較器的輸出端輸出位流信號(hào)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明采用模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的方式，模擬電路包括電荷電壓轉(zhuǎn)換器、前級(jí)放大器、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元、相位補(bǔ)償器、積分器、比較器等；數(shù)字電路包括用于前級(jí)檢測(cè)、相位補(bǔ)償以及積分電路的開(kāi)關(guān)控制時(shí)序產(chǎn)生電路等。本發(fā)明所述加速度計(jì)接口電路在穩(wěn)定性補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較高的精度，滿足了較高的應(yīng)用需求，并且實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字輸出的閉環(huán)Σ-Λ加速度計(jì)接口電路諧波失真自檢測(cè)問(wèn)題，降低了測(cè)試成本，提高了產(chǎn)品的可靠性。


圖1是本發(fā)明所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路的原理框圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Λ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路，它包括加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100、電荷電壓轉(zhuǎn)換器101、前級(jí)放大器102、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元103、相位補(bǔ)償器104、自檢測(cè)單元105、第一級(jí)積分器106、第二級(jí)積分器107、求和單元108、第三級(jí)積分器109和比較器110，
加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的等效加速度信號(hào)輸出端與電荷電壓轉(zhuǎn)換器101的輸入端相
連；
電荷電壓轉(zhuǎn)換器101的輸出端與前級(jí)放大器102的輸入端相連；
前級(jí)放大器102的輸出端與相關(guān)雙采樣與采樣保持單元103的輸入端相連；
相關(guān)雙米樣與米樣保持單兀103的輸出端與相位補(bǔ)償器104的輸入端相連；
相位補(bǔ)償器104的輸出端、自檢測(cè)單元105的輸出端分別與第一級(jí)積分器106的兩個(gè)輸入端相連；
第一級(jí)積分器106的輸出端與第二級(jí)積分器107的輸入端相連；
相位補(bǔ)償器104的輸出端、第一級(jí)積分器106的輸出端、第二級(jí)積分器107的輸出端分別與求和單元108的三個(gè)輸入端相連；求和單元108的輸出端與第三級(jí)積分器109的輸入端相連；
第三級(jí)積分器109的輸出端與比較器110的輸入端相連；
比較器110的輸出端分別與加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100、第一級(jí)積分器106、第二級(jí)積分器107、第三級(jí)積分器109的反饋端相連；
比較器Iio的輸出端輸出位流信號(hào)。加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的等效加速度信號(hào)輸出端和反饋端都在該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊上。電荷電壓轉(zhuǎn)換器101由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100電荷信號(hào)的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電荷電壓轉(zhuǎn)換。前級(jí)放大器102由運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，對(duì)電荷電壓轉(zhuǎn)換器101微弱輸出信號(hào)進(jìn)行放大。系統(tǒng)處于閉環(huán)應(yīng)用狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)路增益足夠大時(shí)，加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的質(zhì)量塊位移非常小，所以電荷電壓轉(zhuǎn)換器101的輸出信號(hào)比較小，前級(jí)放大器102用來(lái)對(duì)電荷電壓轉(zhuǎn)換器101微弱輸出信號(hào)進(jìn)行放大。相關(guān)雙采樣與采樣保持單元103由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，然后通過(guò)相關(guān)雙采樣技術(shù)來(lái)消除運(yùn)放的失調(diào)和l/f噪聲。相位補(bǔ)償器104由運(yùn)算放大器、開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)高階系統(tǒng)的前置相位補(bǔ)償，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于高階Σ-Λ加速度計(jì)接口電路存在嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題，所以需要相位補(bǔ)償器104實(shí)現(xiàn)對(duì)高階系統(tǒng)的前置相位補(bǔ)償，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此相位補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)的離散域傳遞函數(shù)如式(1)所示:
H(z) = 1- az-1(1)
式(1)中的α由開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的采樣電容和積分電容的比值確定。自檢測(cè)單元105由開(kāi)關(guān)S和開(kāi)關(guān)SN組成，開(kāi)關(guān)S的一端作為自檢信號(hào)輸入端，開(kāi)關(guān)SN的一端作為參考信號(hào)輸入端，開(kāi)關(guān)S的另一端和開(kāi)關(guān)SN的另一端連接在一起，作為自檢測(cè)單元105的輸出端。當(dāng)系統(tǒng)處于檢測(cè)外部加速度信號(hào)工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)SN閉合，參考信號(hào)輸入端輸入?yún)⒖夹盘?hào);當(dāng)系統(tǒng)處于諧波失真自檢工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，開(kāi)關(guān)SN斷開(kāi)，自檢信號(hào)輸入端輸入自檢信號(hào)KestO第一級(jí)積分器106、第二級(jí)積分器107、第三級(jí)積分器109均由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行采樣和積分過(guò)程。求和單元108由開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，求和單元108在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行求和和復(fù)位操作。比較器110由動(dòng)態(tài)比較器和鎖存器組成，比較器110在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行比較和保持操作。系統(tǒng)的工作狀態(tài)由自檢測(cè)單元105的開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合，開(kāi)關(guān)SN關(guān)斷時(shí)，系統(tǒng)處于自檢測(cè)狀態(tài)。這時(shí)自檢測(cè)單元的輸入端輸入正弦信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)積分器單元和比較器110輸出后，反饋回加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的反饋端。此時(shí)由于反饋端的信號(hào)使得質(zhì)量塊和上下極板之間形成的等效電容值發(fā)生改變，形成了等效的外界加速度信號(hào)。后級(jí)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器101對(duì)等效的加速度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)前級(jí)放大器102、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元103、相位補(bǔ)償器104等處理后同自檢測(cè)單元105的輸入信號(hào)相加，繼續(xù)由后級(jí)調(diào)制器電路處理輸出位流。通過(guò)對(duì)比較器110輸出端的位流信號(hào)Data_out進(jìn)行處理即可看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，檢測(cè)系統(tǒng)的諧波失真情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢測(cè)功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，開(kāi)關(guān)SN閉合時(shí)，自檢測(cè)單元105輸入系統(tǒng)的參考電壓直流信號(hào)，系統(tǒng)處于檢測(cè)外界加速度信號(hào)的工作狀態(tài)。此時(shí)由于外界加速度的作用，加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的質(zhì)量塊偏離平衡位置，質(zhì)量塊和上下極板之間形成的等效電容值發(fā)生改變，由于在加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的上下極板上分別施加周期的方波激勵(lì)信號(hào)V+、V_，敏感結(jié)構(gòu)輸出電荷信號(hào)。加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷電壓轉(zhuǎn)換器101、前級(jí)放大器102、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元103、相位補(bǔ)償器104后，送入由第一級(jí)積分器106、第二級(jí)積分器107、求和單元108、第三級(jí)積分器109、比較器110構(gòu)成的高階調(diào)制器系統(tǒng)，最終輸出位流信號(hào)Data_out，位流信號(hào)Data_out同時(shí)作為調(diào)制器系統(tǒng)和加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)100的反饋電壓Vf，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Λ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路，其特征在于，它包括加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)(100)、電荷電壓轉(zhuǎn)換器(101 )、前級(jí)放大器(102)、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元(103)、相位補(bǔ)償器(104)、自檢測(cè)單元(105)、第一級(jí)積分器(106)、第二級(jí)積分器(107)、求和單元(108)、第三級(jí)積分器(109)和比較器(110)， 加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)(100)的等效加速度信號(hào)輸出端與電荷電壓轉(zhuǎn)換器(101)的輸入端相連； 電荷電壓轉(zhuǎn)換器(101)的輸出端與前級(jí)放大器(102)的輸入端相連； 前級(jí)放大器(102)的輸出端與相關(guān)雙采樣與采樣保持單元(103)的輸入端相連； 相關(guān)雙采樣與采樣保持單元(103)的輸出端與相位補(bǔ)償器(104)的輸入端相連； 相位補(bǔ)償器(104)的輸出端、自檢測(cè)單元(105)的輸出端分別與第一級(jí)積分器(106)的兩個(gè)輸入端相連； 第一級(jí)積分器(106)的輸出端與第二級(jí)積分器(107)的輸入端相連； 相位補(bǔ)償器(104)的輸出端、第一級(jí)積分器(106)的輸出端、第二級(jí)積分器(107)的輸出端分別與求和單元(108)的三個(gè)輸入端相連； 求和單元(108)的輸出端與第三級(jí)積分器(109)的輸入端相連； 第三級(jí)積分器(109)的輸出端與比較器(110)的輸入端相連； 比較器(110)的輸出端分別與加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)(100)、第一級(jí)積分器(106)、第二級(jí)積分器(107)、第三級(jí)積分器(109)的反饋端相連； 比較器(I 10)的輸出端輸出位流信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，電荷電壓轉(zhuǎn)換器(101)由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)(100)電荷信號(hào)的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電荷電壓轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，前級(jí)放大器(102)由運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，對(duì)電荷電壓轉(zhuǎn)換器(101)微弱輸出信號(hào)進(jìn)行放大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，相關(guān)雙采樣與采樣保持單元(103)由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，然后通過(guò)相關(guān)雙采樣技術(shù)來(lái)消除運(yùn)放的失調(diào)和ι/f噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，相位補(bǔ)償器(104)由運(yùn)算放大器、開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)高階系統(tǒng)的前置相位補(bǔ)償，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，自檢測(cè)單元(105)由開(kāi)關(guān)S和開(kāi)關(guān)SN組成，開(kāi)關(guān)S的一端作為自檢信號(hào)輸入端，開(kāi)關(guān)SN的一端作為參考信號(hào)輸入端，開(kāi)關(guān)S的另一端和開(kāi)關(guān)SN的另一端連接在一起，作為自檢測(cè)單元(105)的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求 1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，第一級(jí)積分器(106)、第二級(jí)積分器(107)、第三級(jí)積分器(109)均由運(yùn)算放大器和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行采樣和積分過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，求和單元(108)由開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，求和單元(108)在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行求和和復(fù)位操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路,其特征在于，比較器(110)由動(dòng)態(tài)比較器和鎖存器組成，比較器(110)在兩相不交疊時(shí)鐘的控制下分別進(jìn)行比較 和保持操作。
全文摘要
帶諧波失真自檢功能的高階Σ-Δ閉環(huán)加速度計(jì)接口電路，屬于MEMS慣性器件領(lǐng)域，本發(fā)明為解決目前的加速度計(jì)接口電路自檢功能主要實(shí)現(xiàn)模擬輸出的加速度計(jì)接口電路的自檢測(cè)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字輸出的閉環(huán)高階Σ-Δ加速度計(jì)接口電路諧波失真自檢測(cè)的問(wèn)題。本發(fā)明包括加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)、電荷電壓轉(zhuǎn)換器、前級(jí)放大器、相關(guān)雙采樣與采樣保持單元、相位補(bǔ)償器、自檢測(cè)單元、第一級(jí)積分器、第二級(jí)積分器、求和單元、第三級(jí)積分器和比較器，通過(guò)自檢測(cè)單元的開(kāi)關(guān)選擇工作狀態(tài)。當(dāng)處于自檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，自檢測(cè)單元輸出等效的加速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)功能。當(dāng)處于檢測(cè)外界加速度信號(hào)的工作狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量塊偏離平衡位置，輸出電荷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)外界加速度信號(hào)功能。
文檔編號(hào)H03K19/0175GK103178828SQ20131008367
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月16日
發(fā)明者劉曉為, 徐宏林, 尹亮, 周佳駿, 付強(qiáng), 呂炳均, 劉亮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)