微機械加速度計的多級噪聲整形σδμ閉環控制電路和方法
2023-09-19 07:07:35 3
微機械加速度計的多級噪聲整形σδμ閉環控制電路和方法
【專利摘要】本發明公開了一種微機械加速度計的多級噪聲整形ΣΔΜ閉環控制電路和方法，控制電路包括第一前置電荷放大器；第一解調電路；第二前置電荷放大器；第二解調電路；全差分放大電路；相位補償電路；第一量化器；模擬開關；第一增益放大電路；第二增益放大電路；第三增益放大電路；第四增益放大電路；第一減法電路；第二減法電路；第一增益放大和減法電路；第一全差分積分電路；第二增益放大和減法電路；第二全差分積分電路；第二量化器；第三減法電路，其中所述微機械加速度計包括中心質量塊、第一檢測電極、第二檢測電極、第一反饋電極和第二反饋電極。本發明通過上述技術方案能獲得較好的穩定性，同時具有四階噪聲整形能力，能獲得較高的信噪比。
【專利說明】微機械加速度計的多級噪聲整形Σ ΔΜ閉環控制電路和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於微機械加速度計的信號測量處理領域，特別涉及一種微機械加速度計的多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制電路和方法。
【背景技術】
[0002]微機械加速度計是一種重要的微慣性傳感器，廣泛應用於消費電子、工業自動化和慣性導航等領域。為了有效地提高其帶寬和穩定性，降低其非線性度，微機械加速度計通常採用單迴路高階低通Σ Λ M (Sigma-Delta)數字閉環的控制方法，所以該數字閉環控制方法一直是微機械加速度計領域研究的重點和熱點。
[0003]現有技術中，在單迴路高階低通Σ AM數字閉環控制方法中，為了獲得較高的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)，通常採用較高的階數來實現，但是高階Σ Λ M帶來較高信噪比的同時，其穩定性較低階(例如二階)Σ △ M差，而且可檢測的加速度信號的範圍變小，反而限制了微機械加速度計的應用。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術中存在的問題，本發明實施例一方面提供了一種微機械加速度計的Mash (Multi Stage Noise Shaping,多級噪聲整形)Σ Δ M閉環控制電路，不僅能夠提供高階噪聲整形來獲得較高的SNR(Signal to Noise Ratio,信噪比)，還能夠解決單迴路高階閉環控制電路中穩定 性差和檢測輸入信號範圍小的問題。該閉環控制迴路包括:用於將所述第一已調信號轉換為第一電壓信號的第一前置電荷放大器，所述第一前置電荷放大器的輸入端與所述第一檢測電極連接；用於將所述第二已調信號轉換為第二電壓信號的第二前置電荷放大器，所述第二前置電荷放大器的輸入端與所述第二檢測電極連接；用於對所述第一電壓信號進行解調和濾波的第一解調電路，所述第一解調電路的輸入端與所述第一前置電荷放大器的輸出端連接；用於對所述第二電壓信號進行解調和濾波的第二解調電路，所述第二解調電路的輸入端與所述第二前置電荷放大器的輸出端連接；全差分放大電路，所述全差分放大電路的反相輸入端與所述第一解調電路的輸出端連接，所述全差分放大電路的正相輸入端與所述第二解調電路的輸出端連接；用於對經所述全差分放大電路處理得到的兩個信號分別進行相位補償以使閉環控制電路的相移不等於2ηΠ的相位補償電路，所述相位補償電路的第一輸入端與所述全差分放大電路的正相輸出端連接，所述相位補償電路的第二輸入端與所述全差分放大電路的反相輸出端連接；用於對經所述相位補償電路處理得到的兩個信號分別進行採樣量化的第一量化器，所述第一量化器的第一輸入端與所述相位補償電路的第一輸出端連接，所述第一量化器的第二輸入端與所述相位補償電路的第二輸出端連接；用於在經所述第一量化器處理得到的一個信號的作用下將反饋電壓加載到第一反饋電極或第二反饋電極上的模擬開關，所述模擬開關的第一輸入端與所述第一量化器的第二輸出端或第一輸出端連接，所述模擬開關的第二輸入端接收反饋電壓，所述模擬開關的第一輸出端與所述第一反饋電極連接，所述模擬開關的第二輸出端與所述第二反饋電極連接，以形成閉環控制；第一增益放大電路，其反相輸入端與所述相位補償電路的第一輸出端連接；第三增益放大電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第二輸出端連接；第一減法電路，其反相輸入端與所述第一增益放大電路的輸出端連接，其正相輸入端與所述第三增益放大電路的輸出端連接；
[0005]第二增益放大電路，其反相輸入端與所述相位補償電路的第二輸出端連接；第四增益放大電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第一輸出端連接；
[0006]第二減法電路，其反相輸入端與所述第二增益放大電路的輸出端連接，其正相輸入端與所述第四增益放大電路的輸出端連接；第一增益放大和減法電路，其第一反相輸入端與所述第二減法電路的輸出端連接，其第一正相輸入端與所述第一減法電路的輸出端連接，其第二反相輸入端與第二量化器的第一輸出端連接，其第二正相輸入端與第二量化器的第二輸出端連接；第一全差分積分電路，其反相輸入端與所述第一增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與所述第一增益放大和減法電路的反相輸出端連接；第二增益放大和減法電路，其第一反相輸入端與所述第一全差分積分電路的正相輸出端連接，其第二正相輸入端與所述第一全差分積分電路的反相輸出端連接，其第二反相輸入端與所述第二量化器的第一輸出端連接，其第二正相輸入端與所述第二量化器的第二輸出端連接；第二全差分積分電路，其反相輸入端與所述第二增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與所述第二增益放大和減法電路的反相輸出端連接
[0007];用於對經所述第二全差分積分電路處理得到的兩個信號分別進行採樣量化得到第二輸出信號的第二量化器，其第一輸入端與所述第二全差分積分電路的正相輸出端連接，其第二輸入端與所述第二全差分積分電路的反相輸出端連接，其第一輸出端與所述第一增益放大和減法電路的第二反相輸入端連接，還與所述第二增益放大和減法電路的第二反相輸入端連接，所述第二量化器的第二輸出端與所述第一增益放大和減法電路的第二正相輸入端連接，還與所述第二增益放大和減法電路的第二正相輸入端連接；以及用於得到表徵物體加速度的輸出電壓信號的第三減法電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第二輸出端連接，其正相輸入端與所述第二量化器的第二輸出端連接；或所述第三減法電路的反相輸入端與所述第一量化器的第一輸出端連接，其正相輸入端與所述第二量化器的第一輸出端連接，其中，所述微機械加速度計包括用於在物體加速度方向上，產生與物體加速度相對應的位移變化的中心質量塊，用於產生表徵所述中心質量塊位移變化的第一電流信號的第一檢測電極，用於產生表徵所述中心質量塊位移變化、且與所述第一電流信號反相的第二電流信號的第二檢測電極，用於在反饋電壓作用下產生靜電力使所述中心質量塊復位的第一反饋電極和第二反饋電極，所述第一反饋電極位於所述第一檢測電極側，所述第二反饋電極位於所述第二檢測電極側，高頻載波信號加載到所述中心質量塊上，並分別對所述第一電流信號和所述第二電流信號進行調頻以得到第一已調信號和第二已調信號。
[0008]本發明實施例另一方面還提供了一種微機械加速度計的多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制方法，該方法包括:
[0009]通過高頻載波對微機械加速度計產生的表徵物體加速度的第三電流信號進行調頻，得到第三已調信號；將所述第三已調信號轉換為第三電壓信號；對所述第三電壓信號依次進行解調和濾波處理、全差分放大運算、相位補償處理以得到第四電壓信號；對所述第四電壓信號進行採樣量化得到第一輸出信號；通過所述第一輸出信號控制模擬開關將反饋電壓加載到所述微機械加速度計的反饋電極上，以形成閉環控制；對所述第四電壓信號和所述第一輸出信號在分別經過增益放大運算後做減法運算以得到第五電壓信號；對所述第五電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第六電壓信號；對所述第六電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第七電壓信號；對所述第七電壓信號進行採樣量化得到所述第二輸出信號；對所述第一輸出信號和所述第二輸出信號進行減法運算得到表徵物體加速度的輸出電壓信號。
[0010]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0011]該多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制電路僅為二階Σ Λ M閉環控制迴路，能夠獲得較好的穩定性，但是同時具有四階噪聲整形能力，能夠獲得較高的信噪比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例提供的一種微機械加速度計的結構示意圖；
[0013]圖2為本發明實施例提供的一種多級噪聲整形Sigma-Delta閉環控制電路的原理示意圖；
[0014]圖3為本發明實施例提供的一種多級噪聲整形Sigma-Delta閉環控制電路的結構示意圖；
[0015]其中，圖中符號說明如下:
[0016]1-第一反饋電極，2-第二反饋電極_，3-第二反饋電極，4-第一反饋電極，
[0017]5-第一檢測電極，6-第二檢測電極，7-中心質量塊，8-微機械加速度計，
[0018]9-第一前置電荷放大器，Y -第二前置電荷放大器，10-二極體，
[0019]11-低通濾波器，12-全差分放大電路，13-相位補償電路，14-第一量化器，
[0020]15-第一增益放大電路，15'-第二增益放大電路，16-第三增益放大電路，
[0021]W -第四增益放大電路，17-第一減法電路，17'-第二減法電路，
[0022]1924-第一增益放大和減法電路，2125-第二增益放大和減法電路，
[0023]18-模擬開關，19-第四減法電路，20-第一全差分積分電路，
[0024]21-第五減法電路，22-第二全差分積分電路，23-第二量化器，
[0025]24-第五增益放大電路，25-第六增益放大電路，26-第三減法電路。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0027]圖1為本發明實施例提供的微機械加速度計的結構示意圖，該微機械加速度計包括:中心質量塊7、檢測電極和反饋電極。中心質量塊用於在物體加速度方向上，產生與物體加速度相對應的位移變化，其呈「H」型，形成有上、下凹槽。位於上凹槽內的第一檢測電極6,用於產生表徵中心質量塊位移變化的第一電流信號；位於下凹槽內的第二檢測電極5，用於產生表徵中心質量塊位移變化、且與第一電流信號反相的第二電流信號。位於第一檢測電極6側的第一反饋電極，用於在反饋電壓作用下產生靜電力使中心質量塊7復位；位於第二檢測電極5側的第二反饋電極，用於在反饋電壓作用下產生靜電力使中心質量塊復位。實際中，第一反饋電極(如圖1符號1、4所示之處)的數量為兩個，分列於中心質量塊兩側且靠近上凹槽；第二反饋電極(如圖1符號2、3所示之處)的數量為兩個，分列於中心質量塊兩側且靠近下凹槽。高頻載波信號加載到中心質量塊上，並分別對第一電流信號和第二電流信號進行調頻以得到第一已調信號和第二已調信號。
[0028]下面以微機械加速度計的第一檢測電極和第二檢測電極的中心電容均為C =
3.43e-12F，檢測梳齒個數均為966，中心質量塊的質量為m = 1.4X 10_6Kg，第一反饋電極和第二反饋電極的中心電容均為C = le_12F，反饋梳齒個數均為72為例對多級噪聲整形Σ ΔΜ閉環控制電路進行說明，需要說明的是上述值並不是對本發明的限定，在其他實施例中可以為其他值。 [0029]參見圖3，該多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制電路包括:第一前置電荷放大器9、第二前置電荷放大器9'、第一解調電路、第二解調電路、全差分放大電路12、相位補償電路13、第一量化器14、模擬開關18、第一增益放大電路15、第二增益放大電路15'、第一減法電路17、第三增益放大電路16、第四增益放大電路W、第二減法電路17'、第一增益放大和減法電路1924、第二增益放大和減法電路2125、第一全差分積分電路20、第二全差分積分電路22、第二量化器23和第三減法電路26。
[0030]由於物體加速度的作用，微機械加速度計的中心質量塊7在加速度信號方向上產生位移y (t)，如此導致第一檢測電極6和第二檢測電極5的電容變化，進而產生相應變化的第一電流信號i(t)和第二電流信號i』(t)，即產生相應變化的兩路信號。加載到中心質量塊上的頻率為的高頻載波分別對第一電流信號和第二電流信號進行調頻以將其調製到高頻段，調製後得到的信號分別為第一已調信號和第二已調信號。
[0031]由第一前置電荷放大器9、第一解調電路、第二前置電荷放大器V、第二解調電路、全差分放大電路12、相位補償電路13、第一量化器14、模擬開關18形成對微機械加速度計的閉環控制電路。
[0032]具體而言，第一前置電荷放大器9用於將第一已調信號轉換為第一電壓信號Vi (t)，即進行C/V轉換，其輸入端與第一檢測電極6連接，優選地，第一前置電荷放大器9包括運算放大器，運算放大器的反相輸入端作為第一前置電荷放大器9的輸入端，運算放大器的輸出端作為第一前置電荷放大器9的輸出端,且其通過並聯在一起的第^ 電阻Rf和第三電容Cf與運算放大器的反相輸入端連接，運算放大器的同相輸入端接地。實際中，第
十一電阻Rf的阻值優選為100ΜΩ，第三電容Cf的電容值優選為3pF。
[0033]第一解調電路用於對第一電壓信號進行解調和濾波，其輸入端與第一前置電荷放大器9的輸出端連接，優選地，第一解調電路包括:二接管10和低通濾波器11。二接管10的陽極作為第一解調電路的輸入端，二接管10的陰極與低通濾波器11的輸入端連接，低通濾波器的輸出端作為第一解調電路的輸出端。
[0034]第二前置電荷放大器9'用於將第二已調信號轉換為第二電壓信號V』 i (t)，其輸入端與第二檢測電極5連接。
[0035]第二解調電路用於對第二電壓信號進行解調和濾波，其輸入端與第二前置電荷放大器9'的輸出端連接。由於第二前置電荷放大器9'的結構與第一前置電荷放大器9的結構相同，第二解調電路的結構和第一解調電路的結構相同，此處不再一一贅述。[0036]全差分放大電路12用於對經解調和濾波處理後得到的兩個信號進行全差分放大以得到信號Vi2(t)和V』 i2(t)，其反相輸入端與第一解調電路的輸出端連接，其正相輸入端與第二解調電路的輸出端連接，其正相輸出端輸出信號Vi2 (t),其反相輸出端輸出信號V，12 ⑴。
[0037]相位補償電路13用於對信號Vi2 (t)和V』i2(t)分別進行相位補償以得到信號Vi3(t)和V』 i3(t)，從而使整個閉環控制迴路的相移總和不等於2ηΠ，如此可以防止整個閉環控制迴路自激振蕩的產生，提高閉環控制迴路的穩定性。相位補償電路的第一輸入端與全差分放大電路12的正相輸出端連接，其第二輸入端與全差分放大電路12的反相輸出端連接，其第一輸出端輸出信號Vi3 (t)，該輸出信號對應的輸入信號為Vi2 (t);其第二輸出端輸出信號V』 i3(t)，該輸出信號對應的輸入信號為V』 i2(t)。
[0038]第一量化器14用於對信號Vi3 (t)和V』 i3(t)分別進行採樣量化以得到數位訊號D1 (t) +和D1 (t)其第一輸入端與相位補償電路的第一輸出端連接，其第二輸入端與相位補償電路的第二輸出端連接，其第一輸出端輸出數位訊號D1 (t)-，該數位訊號對應的輸入信號為Vi3(t);其第二輸出端輸出信號0七)+，該數位訊號對應的輸入信號為V』i3(t)。數位訊號D1 (t) + *D1(t)_代表D1
[0039]模擬開關18用於在數位訊號DJt)+或DJt)-的控制下將反饋電壓加載到微機械加速度計的第一反饋電極或第二反饋電極上。模擬開關18的第一輸入端與第一量化器14的第二輸出端或第一輸出端連接，其第二輸入端用於接收反饋電壓，其第一輸出端與第一反饋電極連接，其第二輸出端與第二反饋電極連接，如此實現了微機械加速度計的二階Σ AM閉環控制，使多級噪聲整形Σ AM閉環控制迴路具有較好的穩定性。實際中，模擬開關的控制方式可以為:當接收的數位訊號D1U)+為高電平時，將反饋電壓加載到第一反饋電極上，此時第二反饋電極接地；當數位訊號D1 (t) +為低電平時，將反饋電壓加載到第二反饋電極上，此時第一反 饋電極接地，也可以當接收的數位訊號D1 (t)_為低電平時，將反饋電壓加載到第一反饋電極上，此時第二反饋電極接地；當數位訊號D1 (t)-為高電平時，將反饋電壓加載到第二反饋電極上，此時第一反饋電極接地，還可以為其他控制方式，本實施例不對模擬開關的控制方式進行限定。反饋電壓Vfb優選為5V。
[0040]應用時，載波信號VJt)加載到微機械加速度計的中心質量塊上，當有外界加速度信號輸入的時候，微機械加速度計的第一檢測電極和第二檢測電極的電容變化，進而產生變化的電流信號，該電流信號經過頻率為fi的高頻載波V。(t)調製到高頻段，調製信號經過第一前置電荷放大器和第二前置電荷放大器進行C/ν轉換得到Vi (t)和V』 i (t);然後Vi (t)和V』 i (t)分別經過由二極體和低通濾波器組成的第一解調電路和第二解調電路進行解調和濾波，解調和濾波後的兩路信號進入增SG1 = 300的全差分放大電路以對兩路信號做進一步的全差分放大且對應得到Vi2⑴和v』i2(t);相位補償電路對vi2⑴和v』i2(t)分別進行相位移動△供對應得到信號vi3(t)和V』 i3(t)，使得整個閉環控制迴路的相移總和不等於2ηΠ，以防止閉環迴路自激振蕩，從而提高閉環控制迴路的穩定性；移相後的信號Vi3(t)和V』 i3 (t)分別經過第一量化器進行採樣量化對應得到數位訊號D1 (t) +和D1 (t)-輸出，同時數位訊號D1 (0+或D1U)-用於控制模擬開關將反饋電壓Vfb = 5V加載到微機械加速度計的第一反饋電極或第二反饋電極上。
[0041]為了使多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制迴路在獲得較好穩定性的基礎上，還能夠獲得較高的信噪比，該閉環控制迴路還包括具有如下連接關係的器件:
[0042]第一增益放大電路15用於對相位補償電路的第一輸出端輸出的信號Vi3(t)進行增益放大，其反相輸入端與相位補償電路13的第一輸出端連接。
[0043]第三增益放大電路16用於對第一量化器的第二輸出端輸出的數位訊號D1U) +進行增益放大，其反相輸入端與第一量化器14的第二輸出端連接。
[0044]第一減法電路17用於對經第一增益放大電路處理得到的信號和經第三增益放大電路處理得到的信號做減法運算以得到信號Vi4 (t)，其反相輸入端與第一增益放大電路的輸出端連接，其正相輸入端與第三增益放大電路的輸出端連接。
[0045]第二增益放大電路15'用於對相位補償電路電路的第二輸出端輸出的信號V』 i3(t)進行增益放大，其反相輸入端與相位補償電路13的第二輸出端連接。
[0046]第四增益放大電路16'用於對第一量化器的第一輸出端輸出的數位訊號D1U)-進行增益放大，其反相輸入端與第一量化器14的第一輸出端連接。
[0047]第二減法電路17'用於對經第二增益放大電路處理得到的信號和第四增益放大電路處理得到的信號做減法運算以得到信號V』 i4(t)，其反相輸入端與第二增益放大電路15'的輸出端連接，其正相輸入端與第四增益放大電路的輸出端連接。
[0048]第一增益放大和減法電路1924用於對第二量化器的第二輸出端輸出的數位訊號D2 (t) +進行增益放大，並使增益放大後的信號與信號Vi4 (t)做減法運算；還對第二量化器的第一輸出端輸出的數位訊號D2 (t)-進行增益放大，且使增益放大後的信號與信號V』 i4(t)做減法運算 ，其第一反相輸入端與第二減法電路的輸出端連接，其第一正相輸入端與第一減法電路的輸出端連接，其第二反相輸入端用於接收信號D2 (t)-，其第二正相輸入端用於接收信號D2 (t)+。優選地，第一減法電路和增益放大電路包括:運算放大器，第一增益放大和減法電路的第一反相輸入端通過第一電阻R1與運算放大器的反相輸入端連接，第一增益放大和減法電路的第一正相輸入端通過第二電阻R』!與運算放大器的正相輸入端連接，第一增益放大和減法電路的第二反相輸入端通過第三電阻R2與運算放大器的反相輸入端連接，第一增益放大和減法電路的第二正相輸入端通過第四電阻R』2與運算放大器的正相輸入端連接，第一增益放大和減法電路的正相輸出端通過第七電阻R4與運算放大器的正相輸出端連接，第一增益放大和減法電路的反相輸出端通過第八電阻R』4與運算放大器的反相輸出端連接；運算放大器的正相輸出端通過第五電阻R3與運算放大器的反相輸入端連接，運算放大器的反相輸出端通過第六電阻R3』運算放大器的正相輸入端連接。在圖3中，該運算放大器的符號用A1表示，在其他實施例中，第一減法電路和增益放大電路還可以包括兩個第四減法電路和兩個第五增益放大電路，即由兩個具有獨立減法功能的減法電路和兩個獨立增益放大功能的增益放大電路組成。一個第五增益放大電路對數位訊號D2 (t) +進行增益放大，並將放大後的信號輸出到一個第四減法電路中以使其與信號Vi4(t)做減法運算；另一個第五增益放大電路對數位訊號D2(t)_進行增益放大，並將放大後的信號輸出到另一個第四減法電路中以使其與信號V』i4(t)做減法運算。第一增益放大和減法電路電路的運算放大器為全差分運算放大器。
[0049]第一全差分積分電路20用於對經第一增益放大和減法電路處理得到的兩個信號進行全差分積分運算，其反相輸入端與第一增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與第一增益放大和減法電路的反相輸出端連接。優選地，第一全差分積分電路括運算放大器，其反相輸入端作為第一全差分積分電路的反相輸入端；其正相輸入端作為第一全差分積分電路的正相輸入端；其正相輸出端通過並聯在一起的第九電阻R5和第一電容C1與運算放大器的反相輸入端連接；其反相輸出端通過並聯在一起的第十電阻R』5和第二電容c』 i與運算放大器的正相輸入端連接。第一全差分積分電路的運算放大器為全差分運算放大器，在圖3中，該運算放大器的符號用A』!表示。
[0050]第二增益放大和減法電路2125用於對第二量化器的第二輸出端輸出的數位訊號D2 (t) +進行增益放大，並使增益放大後的信號與第一全差分積分電路第一輸出端輸出的信號做減法運算；還對第二量化器的第一輸出端輸出的數位訊號D2 (t)_進行增益放大，且使增益放大後的信號與第一全差分積分電路第二輸出端輸出的信號做減法運算，其第一反相輸入端與第一全差分積分電路的正相輸出端連接，其第一正相輸入端與第一全差分積分電路的反相輸出端連接，其第二反相輸入端用於接收信號D2 (t)-，其第二正相輸入端用於接收信號D2 (t)+。在其他實施例中，第二減法電路和增益放大電路還可以包括兩個第五減法電路和兩個第六增益放大電路，即由兩個具有獨立減法功能的減法電路和兩個獨立增益放大功能的增益放大電路組成。一個第六增益放大電路對數位訊號D2 (t) +進行增益放大，並將放大後的信號輸出到一個第五減法電路中以使其與經第一全差分積分電路的正相輸出端輸出的信號做減法運算；另一個第六增益放大電路對數位訊號D2 (t)_進行增益放大，並將放大後的信號輸出到另一個第四減法電路中以使其與經第一全差分積分電路的反相輸出端輸出的信號做減法運算。
[0051]第二全差分積 分電路22用於對經第二增益放大和減法電路處理得到的兩個信號進行全差分積分運算以得到信號Vi5 (t)和V』 i5 (t)，其反相輸入端與第二增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與第二增益放大和減法電路的反相輸出端連接，其正相輸出端輸出信號vi5(t),其反相輸出端輸出信號V』 i5(t)。由於第二增益放大和減法電路的結構與第一增益放大和減法的結構相同，第二全差分積分電路的結構和第一全差分積分電路的結構相同，此處不再一一贅述，在圖3中，第二增益放大和減法電路中的運算放大器用符號A2表示，第二全差分積分電路中的運算放大器用符號A』 2表示。
[0052]第二量化器23用於對信號Vi5 (t)和V』 i5(t)分別進行採樣量化以得到與之對應的數位訊號D2 (t) +和D2 (t)-，其第一輸入端與第二全差分積分電路22的正相輸出端連接，其第二輸入端與第二全差分積分電路22的反相輸出端連接,其第一輸出端輸出信號D2 (t)_,該數位訊號對應的輸入信號為Vi5 (t)，其第二輸出端輸出信號D2 (t) +，該數位訊號對應的輸入信號為V』i5(t)。優選地，第二量化器23的採樣頻率fk(t)為32KHZ。數位訊號D2 (t) +或D2(t)-代表 D2O
[0053]第三減法電路26用於對數位訊號D2⑴+和D1⑴+進行減法運算以得到表徵物體加速度的數位訊號Dtjut,其正相輸入端與第二量化器23的第二輸出端連接，其反相輸入端與第一量化器14的第二輸出端連接，在其他的實施例中，也可以對數位訊號D2(t)_和D1U)-進行減法運算以得到表徵物體加速度的數位訊號Dwt，其正相輸入端與第二量化器23的第一輸出端連接，其反相輸入端與第一量化器14的第一輸出端連接。
[0054]應用時，經前述相位補償電路處理以及第一量化器處理得到的信號Vi3(t)和D1⑴+、V』 i3 (t)和D1⑴-，信號Vi3⑴和D1⑴+通過第一增益放大電路、第三增益放大電路和第一減法電路得到信號Vi4⑴，信號V』 i3 (t)和D1⑴-通過第二增益放大電路和第四增益放大電路了和第二減法電路得到V』i4(t) ；vi4(t)和v』i4(t)依次經過第一增益放大和減法電路、第一全差分積分電路、第二增益放大和減法電路、第二全差分積分電路最終輸出信號為vi5 (t)和V』 i5 (t);然後再進入第二量化器得到信號D2 (t) +和D2 (t)-，再將信號D1 (t) +和D2(t)+經過第三減法電路做減法運算以得到多級噪聲整形Σ AM閉環控制電路的最終輸出數位訊號，即輸出電壓信號。上述中第一增益放大電路和減法電路、與第二增益放大和減法電路結構相同，第一全差分積分電路和第二全差分積分線路結構相同，下面以第一增益放大電路和減法電路、第一全差分積分電路為例對其結構進行說明。第一增益放大電路和減法電路、與第一全差分積分電路各包括一個兩個全差分運算放大器:第一增益放大電路和減法電路的全差分運算放大器A1的正向和反向輸出端分別通過電阻RdPR3』連接到其正向和反向輸入端，同時通過R4和R』 4連接到第一全差分積分電路的全差分運算放大器A』!；同時A1的正向和反向輸入端還通過R2和R』 2連接到D2 (t) +和D2 (t)-;全差分運算放大器八』1的正向和反向輸出端分別通過1?5和1?』5，(:1和(:1』連接到其輸入正向端，的正向和反向輸入端連接到下一級的電路，也即第二增益放大和減法電路、與第二全差分積分電路。
[0055]綜上所述，本發明實施例帶來的有益效果如下:
[0056]該多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制電路僅為二階Σ Λ M閉環控制迴路，能夠獲得較好的穩定性，但是同時具有四階噪聲整形能力，能夠獲得較高的信噪比。
[0057]在另一方面，本發明實施例還提供了一種微機械加速度計的多級噪聲整形Σ ΛΜ閉環控制方法，該控制方法包括:
[0058]步驟101，通過高頻載波對微機械加速度計產生的表徵物體加速度的第三電流信號進行調頻，得到第三已調信號；
[0059]其中，步驟10 1中第三電流信號優選包括前述實施例中的第一電流信號和第二電流信號，第三已調信號包括前述實施例中的第一已調信號和第二已調信號，將第三電流信號轉換為第三已調信號，即將第一電流信號轉換為第一已調信號；將第二電流信號轉換為第二已調信號，如上的具體實現方式可參見前述實施例中關於微機械加速度計的描述，此處不再一一贅述。
[0060]步驟102，將第三已調信號轉換為第三電壓信號；
[0061]其中，步驟102中第三電壓信號優選包括前述實施例中的第一電壓信號和第二電壓信號，將第三已調信號轉換為第三電壓信號的，即將第一已調信號轉換為第一電壓信號；將第二已調信號轉換為第二電壓信號，如上的具體實現方式可參見前述實施例中關於第一前置電荷放大器或第二前置電荷放大器的描述，此處不再一一贅述。
[0062]步驟103，對第三電壓信號依次進行解調和濾波處理、全差分放大運算、相位補償處理以得到第四電壓信號；
[0063]其中，步驟103中第四電壓信號優選包括前述實施例中的經相位補償電路進行相位補償後的兩個信號Vi3 (t)和V』 i3 (t)，對第三電壓信號進行解調和濾波處理的具體實現方式可參見前述實施例中關於第一解調電路或第二解調電路的相關描述；對經解調和濾波處理後的信號進行全差分放大運算的具體實現方式可參見前述實施例中關於全差分放大電路的相關描述；對經全差分放大運算後的信號進行相位補償處理的具體實現方式可參見前述實施例中關於相位補償電路的相關描述，此處不再一一贅述。
[0064]步驟104，對第四電壓信號進行採樣量化得到第一輸出信號；[0065]其中，步驟104中第一輸出信號優選包括前述實施例中的數位訊號01(0 +和D1 (t)-，對第四電壓信號進行採樣量化得到第一輸出信號的具體實現方式可參見前述實施例中關於第一量化器的相關描述，此處不再一一贅述。
[0066]步驟105，通過第一輸出信號控制模擬開關將反饋電壓加載到微機械加速度計的反饋電極上，以形成閉環控制；
[0067]其中，步驟105中通過第一輸出信號控制模擬開關將反饋電壓加載到微機械加速度計的反饋電極上的具體實現方式可參見上述實施例中關於模擬開關的相關描述，此處不再 贅述。
[0068]步驟106，對第四電壓信號和第一輸出信號在分別經過增益放大運算後做減法運算以得到第五電壓信號；
[0069]其中，關於步驟106的具體實現方式可參見前述實施例中關於第一增益放大器、第三增益放大器和第一減法電路或第二增益放大器、第四增益放大器和第二減法電路的相關描述，此處不再一一贅述。
[0070]步驟107，對第五電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第六電壓信號；
[0071]其中，步驟107中的第五電壓信號優選包括前述實施例中的經第一減法電路處理得到的信號Vi4⑴和經第二減法電路處理得到的信號V』 i4(t)，第二輸出信號優選包括前述實施例中的經第二量化器處理得到的數位訊號D2 (t) +和D2(t)-，步驟107的具體實現方式可參見前述實施例中關於第一增益放大和減法電路、第一全差分積分電路的相關描述，此處不再一一贅述。
[0072]步驟108，對第六電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第七電壓信號；
[0073]其中，步驟108中的第二輸出信號優選包括前述實施例中的經第二量化器處理得到的數位訊號D2 (t) +和D2 (t) _，第六電壓信號優選包括前述實施例中的經第一全差分積分電路處理得到的兩個信號，步驟108的具體實現方式可參見前述實施例中關於第二增益放大和減法電路、第二全差分積分電路的相關描述，此處不再一一贅述。
[0074]步驟109，對第七電壓信號進行採樣量化得到第二輸出信號；
[0075]其中，步驟109中的第七電壓信號優選包括前述實施例中的經第二全差分積分電路處理得到的兩個信號，步驟109的具體實現方式可參見前述實施例中關於第二量化器的相關描述，此處不再一一贅述。
[0076]步驟110，對第一輸出信號和第二輸出信號進行減法運算得到表徵物體加速度的輸出電壓信號。
[0077]其中，步驟110中的輸出電壓信號即為前述實施例中表徵物體加速度的數位訊號Dwt，步驟110的具體實現方式可參見前述實施例中關於第三減法電路的相關描述，此處不再 贅述。
[0078]綜上所述，本發明實施例帶來的有益效果如下:
[0079]該多級噪聲整形Σ Λ M閉環控制方法僅為二階Σ Λ M閉環控制迴路的控制方法，能夠獲得較好的穩定性，但是同時具有四階噪聲整形能力，能夠獲得較高的信噪比。
[0080]由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有的。所有在本發明範圍內或在等同於本發明的範圍內的改變均被本發明包含。
【權利要求】
1.一種微機械加速度計的多級噪聲整形Σ AM閉環控制電路，所述微機械加速度計包括用於在物體加速度方向上，產生與物體加速度相對應的位移變化的中心質量塊，用於產生表徵所述中心質量塊位移變化的第一電流信號的第一檢測電極，用於產生表徵所述中心質量塊位移變化、且與所述第一電流信號反相的第二電流信號的第二檢測電極，用於在反饋電壓作用下產生靜電力使所述中心質量塊復位的第一反饋電極和第二反饋電極，所述第一反饋電極位於所述第一檢測電極側，所述第二反饋電極位於所述第二檢測電極側，高頻載波信號加載到所述中心質量塊上，並分別對所述第一電流信號和所述第二電流信號進行調頻以得到第一已調信號和第二已調信號，其特徵在於:所述多級噪聲整形Σ AM閉環控制電路包括: 用於將所述第一已調信號轉換為第一電壓信號的第一前置電荷放大器，所述第一前置電荷放大器的輸入端與所述第一檢測電極連接； 用於將所述第二已調信號轉換為第二電壓信號的第二前置電荷放大器，所述第二前置電荷放大器的輸入端與所述第二檢測電極連接； 用於對所述第一電壓信號進行解調和濾波的第一解調電路，所述第一解調電路的輸入端與所述第一前置電荷放大器的輸出端連接； 用於對所述第二電壓信號進行解調和濾波的第二解調電路，所述第二解調電路的輸入端與所述第二前置電荷放大器的輸出端連接； 全差分放大電路，所述全差分放大電路的反相輸入端與所述第一解調電路的輸出端連接，所述全差分放大電路的正相輸入端與所述第二解調電路的輸出端連接； 用於對經所述全 差分放大電路處理得到的兩個信號分別進行相位補償以使閉環控制電路的相移不等於2ηΠ的相位補償電路，所述相位補償電路的第一輸入端與所述全差分放大電路的正相輸出端連接，所述相位補償電路的第二輸入端與所述全差分放大電路的反相輸出端連接； 用於對經所述相位補償電路處理得到的兩個信號分別進行採樣量化的第一量化器，所述第一量化器的第一輸入端與所述相位補償電路的第一輸出端連接，所述第一量化器的第二輸入端與所述相位補償電路的第二輸出端連接； 用於在經所述第一量化器處理得到的一個信號的作用下將反饋電壓加載到第一反饋電極或第二反饋電極上的模擬開關，所述模擬開關的第一輸入端與所述第一量化器的第二輸出端或第一輸出端連接，所述模擬開關的第二輸入端接收反饋電壓，所述模擬開關的第一輸出端與所述第一反饋電極連接，所述模擬開關的第二輸出端與所述第二反饋電極連接，以形成閉環控制； 第一增益放大電路，其反相輸入端與所述相位補償電路的第一輸出端連接； 第三增益放大電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第二輸出端連接； 第一減法電路，其反相輸入端與所述第一增益放大電路的輸出端連接，其正相輸入端與所述第三增益放大電路的輸出端連接； 第二增益放大電路，其反相輸入端與所述相位補償電路的第二輸出端連接； 第四增益放大電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第一輸出端連接； 第二減法電路，其反相輸入端與所述第二增益放大電路的輸出端連接，其正相輸入端與所述第四增益放大電路的輸出端連接；第一增益放大和減法電路，其第一反相輸入端與所述第二減法電路的輸出端連接，其第一正相輸入端與所述第一減法電路的輸出端連接，其第二反相輸入端與第二量化器的第一輸出端連接，其第二正相輸入端與第二量化器的第二輸出端連接； 第一全差分積分電路，其反相輸入端與所述第一增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與所述第一增益放大和減法電路的反相輸出端連接； 第二增益放大和減法電路，其第一反相輸入端與所述第一全差分積分電路的正相輸出端連接，其第二正相輸入端與所述第一全差分積分電路的反相輸出端連接，其第二反相輸入端與所述第二量化器的第一輸出端連接，其第二正相輸入端與所述第二量化器的第二輸出端連接； 第二全差分積分電路，其反相輸入端與所述第二增益放大和減法電路的正相輸出端連接，其正相輸入端與所述第二增益放大和減法電路的反相輸出端連接； 用於對經所述第二全差分積分電路處理得到的兩個信號分別進行採樣量化得到第二輸出信號的第二量化器，其第一輸入端與所述第二全差分積分電路的正相輸出端連接，其第二輸入端與所述第二全差分積分電路的反相輸出端連接，其第一輸出端與所述第一增益放大和減法電路的第二反相輸入端連接，還與所述第二增益放大和減法電路的第二反相輸入端連接，所述第二量化器的第二輸出端與所述第一增益放大和減法電路的第二正相輸入端連接，還與所述第二增益放大和減法電路的第二正相輸入端連接；以及 用於得到表徵物體加速度的輸出電壓信號的第三減法電路，其反相輸入端與所述第一量化器的第二輸出端連接，其正相輸入端與所述第二量化器的第二輸出端連接；或所述第三減法電路的反相輸入端與所述第一量化器的第一輸出端連接，其正相輸入端與所述第二量化器的第一輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的多級噪聲整形Σ△ M閉環控制電路，其特徵在於，所述第一增益放大和減法電路和所述第二增益放大和減法電路均包括: 運算放大器； 所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的第一反相輸入端通過第一電阻與所述運算放大器的反相輸入端連接； 所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的第一正相輸入端通過第二電阻與所述運算放大器的正相輸入端連接； 所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的第二反相輸入端通過第三電阻與所述運算放大器的反相輸入端連接； 所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的第二正相輸入端通過第四電阻與所述運算放大器 的正相輸入端連接； 所述運算放大器的正相輸出端通過第五電阻與所述運算放大器的反相輸入端連接，且通過第七電阻與所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的正相輸出端連接； 所述運算放大器的反相輸出端通過第六電阻與所述運算放大器的正相輸入端連接，通過第八電阻與所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的反相輸出端連接。
3.根據權利要求1所述的多級噪聲整形Σ△ M閉環控制電路，其特徵在於，所述第一全差分積分電路和所述第二全差分積分電路均包括: 運算放大器； 所述運算放大器的反相輸入端與所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的正相輸出端連接； 所述運算放大器的正相輸入端與所述第一增益放大和減法電路或所述第二增益放大和減法電路的反相輸出端連接； 所述運算放大器的輸出端作為所述第一全差分積分電路或所述第二全差分積分電路的第一輸出端，通過並聯在一起的第九電阻和第一電容與所述運算放大器的反相輸入端連接，； 所述運算放大器的第二輸出端作為所述第一全差分積分電路和所述第二全差分積分電路的第二輸出端，通過並聯在一起的第十電阻和第二電容與所述運算放大器的正相輸入端連接。
4.根據權利要求1所述的多級噪聲整形Σ△ M閉環控制電路，其特徵在於，所述第一解調電路和所述第二解調電路均包括: 二極體和低通濾波器； 所述二極體的陽極作為所述第一解調電路或所述第二解調電路的輸入端； 所述低通濾波器的輸入端與所述二極體的陰極連接，所述低通濾波器的輸出端作為所述第一解調電路或所述第二解調電路的輸出端。
5.根據權利要求1所述的多級噪聲整形Σ△ M閉環控制電路，其特徵在於，所述第一前置電荷放大器和所述第二前置電荷放大器均包括: 運算放大器； 所述運算放大器的反相輸入端作為所述第一前置電荷放大器或所述第二前置電荷放大器的輸入端； 所述運算放大器的輸出端作為所述第一前置電荷放大器或所述第二前置電荷放大器的輸出端，且通過並聯在一起的第十一電阻和第三電容與所述運算放大器的反相輸入端連接。
6.根據權利要求5所述的多級噪聲整形ΣAM閉環控制電路，其特徵在於，所述第十一電阻的電阻值為IOOM Ω，所述第三電容的電容值為3pF。
7.一種微機械加速度計的多級噪聲整形Σ AM閉環控制方法，所述微機械加速度計包括:用於在物體加速度方向上，產生與物體加速度相對應的位移變化的中心質量塊，用於產生表徵所述中心質量塊位移變化的第三電流信號的檢測電極，用於在反饋電壓作用下產生靜電力使所述中心質量塊復位的反饋電極，其特徵在於，所述多級噪聲整形Σ AM閉環控制方法包括: 通過高頻載波對微機械加速度計產生的表徵物體加速度的第三電流信號進行調頻，得到第三已調信號； 將所述第三已調信號轉換為第三電壓信號； 對所述第三電壓信號依次進行解調和濾波處理、全差分放大運算、相位補償處理以得到第四電壓信號； 對所述第四電壓信號進行採樣量化得到第一輸出信號；通過所述第一輸出信號控制模擬開關將反饋電壓加載到所述微機械加速度計的反饋電極上，以形成閉環控制； 對所述第四電壓信號和所述第一輸出信號在分別經過增益放大運算後做減法運算以得到第五電壓信號； 對所述第五電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第六電壓信號； 對所述第六電壓信號與經過增益放大處理的第二輸出信號依次進行減法運算、全差分積分運算後得到第七電壓信號； 對所述第七電壓信號進行 採樣量化得到所述第二輸出信號； 對所述第一輸出信號和所述第二輸出信號進行減法運算得到表徵物體加速度的輸出電壓信號。
【文檔編號】H03M3/00GK103986472SQ201410198190
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】劉禮, 嶽新波 申請人:北京金禾天晟高新技術有限責任公司