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三軸硅諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，包含若干個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其中一個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路包括雙軸硅微諧振式加速度計、第一接口放大電路、第二接口放大電路、第一幅度控制電路、第二幅度控制電路、第一相位控制電路、第二相位控制電路、第一調(diào)制控制電路、第二調(diào)制控制電路、信號頻率檢測電路。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，該三軸硅微諧振式加速度計的閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測方法具有精度高、體積小、功耗低、易于集成、使用方便等優(yōu)點。
【專利說明】三軸硅諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三軸硅微諧振式加速度計的閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測電路裝置，屬于微電子機械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System)和微慣性器件測控【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度計的發(fā)展始于20世紀60年代，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、航海、武器導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域和汽車電子、機器人等民事領(lǐng)域，成為微慣性器件的一個重要研究方向。隨著微機電技術(shù)的快速發(fā)展，硅微加速度計逐步成為國內(nèi)外研究熱點，其具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、功耗低、成本地等優(yōu)點，能夠滿足大批量生產(chǎn)要求，廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域。目前在國外，中等精度的硅微加速度計已經(jīng)接近慣導(dǎo)水平，零偏穩(wěn)定性達20μ g，標度因數(shù)穩(wěn)定性達到5X10_5ppm。硅微諧振式加速度計除了具備上述微機械加速度計的優(yōu)點之外，還具有直接數(shù)字信號輸出的特點，在加速度計的集成化、數(shù)字化發(fā)展趨勢中占據(jù)很大優(yōu)勢，吸引了眾多科研機構(gòu)出資出力研究。自1997年美國Draper實驗室提出娃微諧振式加速度計(SOA)概念以來，其研制和產(chǎn)品化水平一直處于世界領(lǐng)先，其設(shè)計的新型SOA零偏穩(wěn)定性已達190ng，標度因數(shù)穩(wěn)定性達0.Hppm0國內(nèi)的北京大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、中國物理工程研究院、南京理工大學(xué)等科研單位在諧振式加速度計研究方面也取得了眾多成果。
[0003]隨著市場需求的不斷發(fā)展，高精度、高性能的三軸加速度產(chǎn)品成為迫切需求。在美國Analog Devices公司1998年推出第一款三軸加速度計ADX330以后，不斷有更高性能的產(chǎn)品出現(xiàn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，主要出現(xiàn)了力平衡式、電容式、壓阻式、壓電式三軸加速度計。三軸硅微諧振式加速度計集成了諧振式加速度計精度高、數(shù)字輸出，抗干擾能力強和三軸加速度計體積小、集成度高、安裝誤差小等優(yōu)點，有著其他加速度計無法匹配的優(yōu)點，具有非凡的意義和價值。本發(fā)明是針對由解耦雙軸硅微諧振式加速度計(X軸和y軸)和垂直軸硅微諧振式加速度計(z軸)組成的三軸硅微諧振式加速度計，設(shè)計實現(xiàn)其驅(qū)動控制與頻率檢測電路裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種具有閉環(huán)驅(qū)動反饋控制的三軸硅諧振式閉環(huán)驅(qū)動與頻率檢測電路裝置。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，包含若干個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其中一個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路包括雙軸硅微諧振式加速度計、第一接口放大電路、第二接口放大電路、第一幅度控制電路、第二幅度控制電路、第一相位控制電路、第二相位控制電路、第一調(diào)制控制電路、第二調(diào)制控制電路、信號頻率檢測電路，該雙軸硅微諧振式加速度計的一路該方向上的輸出信號傳送至第一接口放大電路、第一接口放大電路將放大后的信號傳送至第一相位控制電路和第一幅度控制電路，第一相位控制電路與第一幅度控制電路分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送至第一調(diào)制控制電路，第一調(diào)制控制電路生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；該雙軸硅微諧振式加速度計該方向上的另一路輸出信號傳送至第二接口放大電路、第二接口放大電路將放大后的信號傳送至第二相位控制電路和第二幅度控制電路，第二相位控制電路與第二幅度控制電路分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送至第二調(diào)制控制電路，第二調(diào)制控制電路生成驅(qū)動信號傳送至雙軸微硅諧振式加速度計對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；其中第一相位控制電路和第二相位控制電路還分別傳送信號至信號頻率檢測電路以測量該雙軸硅微諧振式加速度計兩路輸出信號的頻率差。
[0006]進一步地，信號頻率檢測電路是基于FPGA處理芯片實現(xiàn)的頻率測量電路，采用等精度測頻法，通過對時鐘的上升沿和下降沿同時計數(shù)提高頻率測量精度。
[0007]進一步地，第一接口放大電路包括第一接口檢測電路和第一放大電路,所述雙軸微諧振式加速度計的一路該方向上的輸出信號至第一接口檢測電路，第一接口檢測電路輸出信號至第一放大電路，經(jīng)第一放大電路放大后的信號分別傳送至第一相位控制電路和第一幅度控制電路；所述的第一相位控制電路包括第一移相電路、第一鎖相環(huán)電路、第一帶通濾波電路，經(jīng)第一放大電路傳送來的信號傳輸至第一移相電路、第一移相電路輸出信號傳送至第一鎖相環(huán)電路，第一鎖相環(huán)電路輸出信號傳送至信號頻率檢測電路和第一帶通濾波電路，第一帶通濾波電路再將信號傳送至第一調(diào)制控制電路；第一幅度控制電路包括第一檢波電路和第一幅度PI控制電路，由第一放大電路傳送來的信號傳送至第一檢波電路，第一檢波電路再輸出信號傳送至第一幅度PI控制電路，第一幅度PI控制電路再生成幅度控制信號傳送至第一調(diào)制控制電路；第一調(diào)制線路包括第一乘法電路和第一驅(qū)動信號耦合電路，由第一幅度PI控制電路傳輸來的幅度控制信號和由第一帶通濾波電路傳輸來的信號分別傳送至第一乘法電路，第一乘法電路生成信號并傳送至驅(qū)動信號耦合電路，驅(qū)動信號耦合電路生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計相對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；所述的第二接口放大電路包括第二接口檢測電路和第二放大電路，所述雙軸微諧振式加速度計的另一路該方向上的輸出信號連接至第二接口檢測電路，第二接口檢測電路輸出信號至第二放大電路，經(jīng)第二放大電路放大后的信號分別傳送至第二相位控制電路和第二幅度控制電路；所述的第二相位控制電路包括第二移相電路、第二鎖相環(huán)電路、第二帶通濾波電路，經(jīng)第二放大電路傳送來的信號傳輸至第二移相電路、第二移相電路輸出信號傳送至第二鎖相環(huán)電路，第二鎖相環(huán)電路輸出信號傳送至信號頻率檢測電路和第二帶通濾波電路，第二帶通濾波電路再將信號傳送至第二調(diào)制控制電路；第二幅度控制電路包括第二檢波電路和第二幅度PI控制電路，由第二放大電路傳送來的信號傳送至第二檢波電路，第二檢波電路再輸出信號傳送至第二幅度PI控制電路，第二幅度PI控制電路再生成幅度控制信號傳送至第二調(diào)制控制電路；第二調(diào)制控制電路包括第二乘法電路和第二驅(qū)動信號耦合電路，由第二幅度PI控制電路傳輸來的幅度控制信號和由第二帶通濾波電路傳輸來的信號分別傳送至第二乘法電路，第二乘法電路生成信號并傳送至驅(qū)動信號耦合電路，驅(qū)動信號耦合電路生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計相對應(yīng)的驅(qū)動信號接口。
[0008]進一步地，該三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路包括三個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，這三個方向中的任意兩個方向之間相互垂直。
[0009]進一步地，第一驅(qū)動信號耦合電路與第二信號耦合電路結(jié)構(gòu)相同，均包括運算放大器U1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4，該驅(qū)動信號耦合電路輸入信號連接到電阻Rl和電容C4，電阻Rl的另一端連接到運算放大器Ul的反相輸入端，電阻R2的一端接到運算放大器Ul的反相輸入端，另一端接到運算放大器Ul的輸出端，運算放大器Ul的同相輸入端接地。電容C4另一端連接到電阻R3，電阻R3另一端與+5V直流電壓相連；電阻R5 —端與電阻R3連接，另一端接地；電容C3 —端與運算放大器Ul輸出端連接，另一端與電阻R4連接，電阻R4另一端接到+5V直流電壓；電阻R6 —端與電阻R4連接，另一端接地。
[0010]進一步地，第一移相電路與第二移相電路結(jié)構(gòu)相同，均包括運算放大器U2A、運算放大器U2B、運算放大器U2D、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10，該移相電路的輸入信號連接到電阻R7，電阻R7的另一端連接到運算放大器U2D的反相輸入端；電阻R8 —端連接在運算放大器U2D的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2D的輸出端；運算放大器U2D的同向輸入端接地；電阻R9一端連接到運算放大器U2D的輸出端，另一端連接到運算放大器U2B的反相輸入端；電容C7 一端連接到運算放大器U2B的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2B的輸出端；運算放大器U2B的同相輸入端接地；電阻R12 —端連接到運算放大器U2B的輸出端，另一端連接到運算放大器U2A的反相輸入端；電阻R13和電容ClO —端連接在運算放大器U2A的同向輸入端，另一端接地；電容C9 一端連接到運算放大器U2A的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2A的輸出端；電阻RlO —端與電容C8連接，電阻RlO另一端與運算放大器U2A輸出端相連，電容CS另一端與運算放大器U2A反相輸入端連接；電阻Rll —端連接在運算放大器U2A的輸出端，另一端連接在運算放大器U2D的反相輸入端。
[0011 ] 進一步地，第一接口檢測電路與第二接口檢測電路結(jié)構(gòu)相同,均包括運算放大器U4、可變電容C11、可變電容C12、環(huán)形二極管U3、電容C13、電容C14 ;環(huán)形二極管U3包括二極管Ml、二極管M2、二極管M3、二極管M4 ；該接口檢測電路的輸入信號連接至可變電容Cl I和可變電容C12的一端，可變電容Cll另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳1，可變電容C12的另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳3 ;環(huán)形二極管U3中的二極管Ml的端與M2的“ + ”端與管腳I連接，二極管M2的端與二極管M3的“ + ”端與管腳2連接，二極管M3的端與二極管M4的“ + ”端與管腳3連接，二極管M4的端與Ml的“ + ”端與管腳4連接；運算放大器U4的同相輸入端和電容C14的一端同時連接到環(huán)形二極管U3的管腳4，電容C14的另一端接地；運算放大器U4的反相輸入端和電容C13的一端同時連接到環(huán)形二極管U4的管腳2，電容C13的另一端接地。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:(1)該三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路具有精度高、體積小、功耗低、易于集成、使用方便等優(yōu)點；(2)該方法同時對三個方向上的加速度信息進行實時檢測，彌補了單軸或雙軸諧振式加速度只能測量單方向或兩個方向加速度信息的缺陷，滿足了現(xiàn)代航空、制導(dǎo)、汽車電子對三軸高精度加速度計的要求，有效解決了多套驅(qū)動檢測電路難以集成在一起等一系列問題；(3)該電路裝置對三個方向分別實現(xiàn)獨立的閉環(huán)控制，使其互相不受影響，確保三個軸向的耦合降到最低，結(jié)構(gòu)明了，方便調(diào)試。(4)信號頻率檢測中利用低功耗、邏輯資源豐富、運算速度快的FPGA芯片作為處理器，通過對頻率信號的上升沿和下降沿同時計數(shù)，實現(xiàn)六組信號頻率測量，使最終測量誤差減小一半，同時能將測量頻率信號輸送到上位機，便于數(shù)據(jù)查看分析?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測原理框圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的單獨一軸閉環(huán)驅(qū)動控制電路詳細原理框圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的頻率檢測原理圖；
[0016]圖4是本發(fā)明的移相電路電路圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的驅(qū)動信號耦合電路電路圖；
[0018]圖6是本發(fā)明的信號接口檢測電路電路圖。
【具體實施方式】
[0019]下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0020]實施例:
[0021]如附圖1所示，本實施例的三軸硅諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制與頻率檢測電路，包含三方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，且這三個方向中的任意兩個方向之間相互垂直。
[0022]本實施例中，三個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路中的加速度計集成在了三軸硅微諧振式加速度計敏感結(jié)構(gòu)100中。除加速度計結(jié)構(gòu)外的三個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路部分依次命名為，不含加速度計的X方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路200、不含加速度計的y方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路300、不含加速度計的z方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路400。三個方向上的不含加速度計的加速度驅(qū)動控制和頻率檢測電路結(jié)構(gòu)相同。
[0023]三軸硅微諧振式加速度計敏感結(jié)構(gòu)100由解耦的雙軸硅微諧振式加速度計I和垂直軸硅微諧振式加速度計2組成，如此設(shè)計的三個方向上的加速度計結(jié)構(gòu)是為了制造上的便利，實踐中也可以單獨分立設(shè)置三個方向上的加速度計而不影響本發(fā)明的實現(xiàn)。解耦的雙軸硅微諧振式加速度計I用于測量平面內(nèi)X方向和I方向的加速度，垂直軸硅微諧振式加速度計2用于測量垂直平面內(nèi)z方向的加速度。
[0024]解耦雙軸硅微諧振式加速度計I與其周圍的敏感電極S1、敏感電極S2、敏感電極S3、敏感電極S4構(gòu)成檢測電容為該加速度計的輸出信號接口，同時解耦雙軸硅微諧振式加速度計I與其周圍的驅(qū)動電極Dl、驅(qū)動電極D2、驅(qū)動電極D3、驅(qū)動電極D4構(gòu)成驅(qū)動電容為該加速度計的驅(qū)動信號接口。在解耦的雙軸硅微諧振式加速度計電路中，四路電容敏感信號經(jīng)過敏感電極S1、敏感電極S2、敏感電極S3、敏感電極S4分別連接到第一接口放大電路
3、第二接口放大電路4、第一接口放大電路10、第二接口放大電路11的輸入端進行檢測信號提取和放大；接著第一接口放大電路3、第二接口放大電路4、第一接口放大電路10、第二接口放大電路11的輸出端分別連接到第一相位控制電路5、第二相位控制電路6、第一相位控制電路13、第二相位控制電路14的輸入端進行相位調(diào)整，同時第一接口放大電路3、第二接口放大電路4、第一接口放大電路10、第二接口放大電路11的輸出端分別連接到第一幅度控制電路7、第二幅度控制電路8、第一幅度控制電路12、第二幅度控制電路15的輸入端進行幅度提取和控制；然后第一幅度控制電路7、第二幅度控制電路8、第一幅度控制電路12、第二幅度控制電路15和第一相位控制電路5、第二相位控制電路6、第一相位控制電路13、第二相位控制電路14的輸出端分別連接到第一調(diào)制控制電路24、第二調(diào)制控制電路25、第一調(diào)制控制電路28、第二調(diào)制控制電路29的兩個輸入端；最后第一調(diào)制控制電路24、第二調(diào)制控制電路25、第一調(diào)制控制電路28、第二調(diào)制控制電路29的輸出端分別連接到驅(qū)動電極Dl、驅(qū)動電極D2、驅(qū)動電極D3、驅(qū)動電極D4，實現(xiàn)四路諧振閉環(huán)驅(qū)動控制電路。
[0025]垂直軸硅微諧振式加速度計2與其周圍的敏感電極S5、敏感電極S6構(gòu)成檢測電容，為該方向上的輸出信號接口，同時垂直軸硅微諧振式加速度計2與其周圍的驅(qū)動電極D5、驅(qū)動電極D6構(gòu)成驅(qū)動電容，為該方向上的該加速度計的驅(qū)動信號接口。類似情況，在垂直軸硅微諧振式加速度計電路中，兩路電容敏感信號經(jīng)過敏感電極S5、敏感電極S6分別連接到第一信號接口放大電路17、第二信號接口放大電路18的輸入端進行檢測信號提取和放大；接著第一信號接口放大電路17、第二信號接口放大電路18的輸出端分別連接到第一相位控制電路20、第二相位控制電路21的輸入端進行相位調(diào)整，同時第一信號接口放大電路17、第二信號接口放大電路18的輸出端分別連接到第一幅度控制電路19、第二幅度控制電路22的輸入端進行幅度提取和控制；然后第一幅度控制電路19、第二幅度控制電路22和第一相位控制電路20、第二相位控制電路21的輸出端分別連接到第一調(diào)制控制電路26、第二調(diào)制控制電路27的兩個輸入端；最后第一調(diào)制控制電路26、第二調(diào)制控制電路27的輸出端分別連接到驅(qū)動電極D5、驅(qū)動電機D6，實現(xiàn)兩路諧振閉環(huán)驅(qū)動控制電路。
[0026]基于FPGA平臺的頻率測量電路由頻率測量電路9、16、23組成，共同集成在一塊FPGA芯片中，第一相位控制電路5和第二相位控制電路與6的輸出端均連接到頻率信號測量電路9的輸入端進行信號頻率測量。類似，第一相位控制電路13、第二相位控制電路14的輸出端連接到頻率信號測量電路16的輸入端進行信號頻率測量，第一相位控制電路20、第二相位控制電路21的輸出端連接到頻率信號測量電路23的輸入端進行信號頻率測量。
[0027]結(jié)合圖2，本實施例中對X方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路包括諧振器1-1、諧振器1-2、驅(qū)動電極D1、驅(qū)動電極D2和敏感電極S1、敏感電極S2，及其外圍控制電路。諧振器1-1、諧振器1-2與驅(qū)動電極D1、驅(qū)動電極D2構(gòu)成驅(qū)動電容，諧振器1-1、諧振器1-2與敏感電極S1、敏感電極S2構(gòu)成敏感電容。載波信號48由IOM晶振產(chǎn)生恒定調(diào)制信號源，將兩路電容敏感信號調(diào)制，經(jīng)過敏感電極S1、敏感電極S2分別連接到第一接口檢測電路30、第二接口檢測電路39的輸入端實現(xiàn)信號檢測，第一接口檢測電路30、第二接口檢測電路39的輸出端分別連接到第一放大電路31、第二放大電路40的輸入端實現(xiàn)信號放大,第一接口檢測電路30、第二接口檢測電路39和第一放大電路31、第二放大電路40分別構(gòu)成了第一接口放大電路3、第二接口放大電路4 ；接著第一放大電路31、第二放大電路40的輸出端分別連接到第一移相電路32、第二移相電路41的輸入端實現(xiàn)移相功能，完成相位匹配，第一移相電路32、第二移相電路41的輸出端分別連接到第一鎖相環(huán)電路33、第二鎖相環(huán)電路42的輸入端實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤功能，第一鎖相環(huán)電路33、第二鎖相環(huán)電路42的輸出端分別連接到第一帶通濾波電路34、第二帶通濾波電路43的輸入端實現(xiàn)方波信號到正弦波信號變換，第一移相電路32、第一鎖相環(huán)電路33和第一帶通濾波電路34構(gòu)成了第一相位控制電路5，第二移相電路41、第二鎖相環(huán)電路42和第二帶通濾波電路43構(gòu)成了第二相位控制電路6 ;同時第一放大電路31、第二放大電路40的輸出端分別連接到第一檢波電路35、第二檢波電路44的輸入端實現(xiàn)信號幅度提取，第一檢波電路35、第二檢波電路44的輸出端分別連接到第一幅度PI控制電路36、第二幅度PI控制電路45的輸入端實現(xiàn)幅度控制，第一檢波電路35和第一幅度PI控制電路36構(gòu)成了第一幅度控制電路7，第二檢波電路44和第二幅度PI控制電路45構(gòu)成了第二幅度控制電路8 ;然后第一幅度PI控制電路36的輸出端和第一帶通濾波電路34的輸出端分別連接到第一乘法電路37的兩個輸入端實現(xiàn)信號相乘，然后第二幅度PI控制電路45的輸出端和第二帶通濾波電路43的輸出端分別連接到第二乘法電路46的兩個輸入端實現(xiàn)信號相乘。第一乘法電路37、第二乘法電路46的輸出端分別連接到第一驅(qū)動信號耦合電路38、第二驅(qū)動信號耦合電路47的輸入端實現(xiàn)交直流信號耦合，第一乘法電路37和第一驅(qū)動信號耦合電路38構(gòu)成了第一調(diào)制控制電路28，第二乘法電路46和第二驅(qū)動信號耦合電路47構(gòu)成了第二調(diào)制控制電路29 ;最后第一驅(qū)動信號耦合電路38、第二驅(qū)動信號耦合電路47的輸出端分別連接到驅(qū)動電極D1、驅(qū)動電極D2實現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動。第一鎖相環(huán)電路33和第二鎖相環(huán)電路42的輸出端均連接到頻率信號測量電路9的輸入端進行信號頻率測量。[0028]結(jié)合圖3，在基于FPGA信號頻率測量模塊中，利用等精度測頻法測量信號頻率，在被測信號⑴上升沿時刻tl和時刻t5之間產(chǎn)生實際閘門信號(G)，使得同步閘門時間是被測信號(T)周期的整數(shù)倍，這樣在閘門時間內(nèi)對被測信號(T)的脈沖進行計數(shù)不存在誤差，因此最終頻率測量誤差僅僅取決于標準計數(shù)時鐘，而與被測信號沒有關(guān)系，測頻范圍非常寬，可以通過增大標準計數(shù)時鐘周期或者增加閘門時間來將誤差減小到可允許的范圍內(nèi)。為了進一步減小計數(shù)誤差，對被測信號(T)和標準時鐘信號(CLK)均采用上升沿和下降沿同時計數(shù)的方式。Gl和G1_DLY結(jié)合用于決定對標準時鐘(CLK)計數(shù)的啟動和結(jié)束時間，在時刻t2，標準時鐘(CLK)下降沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)上升沿，啟動標準時鐘(CLK)的下降沿計數(shù)；在時刻t6，標準時鐘(CLK)下降沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)下降沿，結(jié)束標準時鐘(CLK)的下降沿計數(shù)，標準時鐘(CLK)的下降沿計數(shù)值計為TC1。在時刻t3，標準時鐘(CLK)上升沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)上升沿，啟動標準時鐘(CLK)的上升沿計數(shù)；在時刻t7，標準時鐘(CLK)上升沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)下降沿，結(jié)束標準時鐘(CLK)的上升沿計數(shù)，標準時鐘(CLK)的上升沿計數(shù)值計為TC2。G2和G結(jié)合用于決定對被測信號(T)計數(shù)的啟動和結(jié)束時間。在時刻t3，被測信號(T)的下降沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)上升沿，啟動被測信號(T)的下降沿計數(shù)；在時刻t6，被測信號⑴的下降沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)下降沿，結(jié)束被測信號(T)的下降沿計數(shù)，被測信號(T)的下降沿計數(shù)值計為TF1。在時刻t4，被測信號(T)的上升沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)上升沿，啟動被測信號(T)的上升沿計數(shù)；在時刻t8，被測信號(T)的上升沿到來，同時檢測到實際閘門(G)出現(xiàn)下降沿，結(jié)束被測信號(T)的上升沿計數(shù)，被測信號(T)的上升沿計數(shù)值計為TF2。至此，可以得出被測信號的頻率為:
[0029]f A^TFDfill

TC \ +TC 2
[0030]其中f(；lk是標準時鐘彳目號的頻率。
[0031]本實施例中第一驅(qū)動信號稱合電路38與第二驅(qū)動信號稱合電路47結(jié)構(gòu)相同，電路圖如圖4所示，在閉環(huán)驅(qū)動控制電路中，乘法電路的輸出信號連接到驅(qū)動信號耦合電路的輸入端mul，驅(qū)動信號耦合電路的輸入端mul同時連接到電阻Rl和電容C4，電阻Rl的另一端連接到運算放大器Ul的反相輸入端，電阻R2的一端接到運算放大器Ul的反相輸入端，另一端接到運算放大器Ul的輸出端，運算放大器Ul的同相輸入端接地。電容C4另一端連接到電阻R3，電阻R3另一端與+5V直流電壓相連，電阻R5 —端與電阻R3連接，另一端接地，電容C3 —端與運算放大器Ul輸出端連接，另一端與電阻R4連接，電阻R4另一端接到+5V直流電壓，電阻R6 —端與電阻R4連接，另一端接地。乘法器輸出信號經(jīng)過這樣一系列處理后構(gòu)成一對相位相反、帶有直流耦合的差分驅(qū)動信號Dl+和Dl+施加給驅(qū)動電極實現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0032]本實施例第一移相電路32與第二移相電路41結(jié)構(gòu)相同，電路圖如圖4所示，為利用深度負反饋實現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)的精密90°移相電路，用于諧振式加速度計的閉環(huán)驅(qū)動回路中的相位匹配。輸入信號Uo連接到電阻R7，電阻R7的另一端連接到運算放大器U2D的反相輸入端，電阻R8 —端連接在運算放大器U2D的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2D的輸出端，運算放大器U2D的同向輸入端接地。電阻R9 —端連接到運算放大器U2D的輸出端，另一端連接到運算放大器U2B的反相輸入端，電容C7—端連接到運算放大器U2B的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2B的輸出端，構(gòu)成一個積分器實現(xiàn)90°相移，運算放大器U2B的同相輸入端接地。電阻R12 —端連接到運算放大器U2B的輸出端，另一端連接到運算放大器U2A的反相輸入端，電阻R13和電容ClO —端連接在運算放大器U2A的同向輸入端，另一端接地，電容C9 一端連接到運算放大器U2A的反相輸入端，另一端連接到運算放大器U2A的輸出端，電阻RlO —端與電容C8連接，電阻RlO另一端與運算放大器U2A輸出端相連，電容CS另一端與運算放大器U2A反相輸入端連接，電阻Rll —端連接在運算放大器U2A的輸出端，另一端連接在運算放大器U2D的反相輸入端，運算放大器U2A與電阻R12、電阻RlO、電容C9、電容C8共同構(gòu)成負反饋網(wǎng)絡(luò)。運算放大器U2B輸出端輸出與輸入信號Uo相位差為90°的信號Uout。
[0033]本實施例第一信號接口檢測電路30與第二信號接口檢測電路39結(jié)構(gòu)相同，電路圖如圖6所示，為該發(fā)明的信號接口檢測電路，載波信號Vs同時施加在可變電容Cll和可變電容C12的一端，可變電容Cll另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳1，可變電容C12的另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳3。環(huán)形二極管U3的Ml的端與M2的“ + ”端與管腳I連接，M2的端與M3的“ + ”端與管腳2連接，M3的端與M4的“ + ”端與管腳3連接，M4的端與Ml的“ + ”端與管腳4連接。運算放大器U4的同相輸入端和電容C14的一端同時連接到環(huán)形二極管U3的管腳4，電容C14的另一端接地；運算放大器U4的反相輸入端和電容C13的一端同時連接到環(huán)形二極管U4的管腳2，電容C13的另一端連接到地。接運算放大器的輸出端輸出接口檢測信號Us。
[0034]如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節(jié)上作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，包含若干個加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，所述加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路包括雙軸硅微諧振式加速度計、第一接口放大電路(3)、第二接口放大電路(4)、第一幅度控制電路(7)、第二幅度控制電路(8)、第一相位控制電路(5)、第二相位控制電路(6)、第一調(diào)制控制電路(28)、第二調(diào)制控制電路(29)、信號頻率檢測電路(9)，該雙軸硅微諧振式加速度計的一路輸出信號傳送至第一接口放大電路(3)、第一接口放大電路(3)將放大后的信號傳送至第一相位控制電路(5)和第一幅度控制電路(7)，第一相位控制電路(5)與第一幅度控制電路(7)分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送至第一調(diào)制控制電路(28)，第一調(diào)制控制電路(28)生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；該雙軸硅微諧振式加速度計第二路輸出信號傳送至第二接口放大電路(4)、第二接口放大電路(4)將放大后的信號傳送至第二相位控制電路(6)和第二幅度控制電路(8)，第二相位控制電路(6)與第二幅度控制電路(8)分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送至第二調(diào)制控制電路(29)，第二調(diào)制控制電路(29)生成驅(qū)動信號傳送至雙軸微硅諧振式加速度計對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；其中第一相位控制電路(5)和第二相位控制電路(6)還分別傳送信號至信號頻率檢測電路(9)以測量該雙軸硅微諧振式加速度計兩路輸出信號的頻率差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，所述的信號頻率檢測電路(9)是基于FPGA處理芯片實現(xiàn)的頻率測量電路，采用等精度測頻法，對時鐘的上升沿和下降沿同時計數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，所述的第一接口放大電路(3)包括第一接口檢測電路(30)和第一放大電路(31)，所述雙軸微諧振式加速度計的第一路輸出信號至第一接口檢測電路(30)，第一接口檢測電路(30)輸出信 號至第一放大電路(31),經(jīng)第一放大電路(31)放大后的信號分別傳送至第一相位控制電路(5)和第一幅度控制電路(7);所述的第一相位控制電路(5)包括第一移相電路(32)、第一鎖相環(huán)電路(33)、第一帶通濾波電路(34)，經(jīng)第一放大電路(31)傳送來的信號傳輸至第一移相電路(32)、第一移相電路(32)輸出信號傳送至第一鎖相環(huán)電路(33)，第一鎖相環(huán)電路(33)輸出信號傳送至信號頻率檢測電路(9)和第一帶通濾波電路(34)，第一帶通濾波電路(34)再將信號傳送至第一調(diào)制控制電路(28);第一幅度控制電路(7)包括第一檢波電路(35)和第一幅度PI控制電路(36)，由第一放大電路(31)傳送來的信號傳送至第一檢波電路(35)，第一檢波電路(35)再輸出信號傳送至第一幅度PI控制電路(36)，第一幅度PI控制電路(36)再生成幅度控制信號傳送至第一調(diào)制控制電路(28);第一調(diào)制線路(28)包括第一乘法電路(37)和第一驅(qū)動信號耦合電路(38)，由第一幅度PI控制電路(36)傳輸來的幅度控制信號和由第一帶通濾波電路(34)傳輸來的信號分別傳送至第一乘法電路(37)，第一乘法電路(37)生成信號并傳送至驅(qū)動信號耦合電路(38)，驅(qū)動信號耦合電路(38)生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計相對應(yīng)的驅(qū)動信號接口 ；所述的第二接口放大電路(4)包括第二接口檢測電路(39)和第二放大電路(40)，所述雙軸微諧振式加速度計的另一路該方向上的輸出信號連接至第二接口檢測電路(39)，第二接口檢測電路(39)輸出信號至第二放大電路(40)，經(jīng)第二放大電路(40)放大后的信號分別傳送至第二相位控制電路(41)和第二幅度控制電路(8);所述的第二相位控制電路(6)包括第二移相電路(41)、第二鎖相環(huán)電路(42)、第二帶通濾波電路(43)，經(jīng)第二放大電路(40)傳送來的信號傳輸至第二移相電路(41)、第二移相電路(41)輸出信號傳送至第二鎖相環(huán)電路(42)，第二鎖相環(huán)電路(42)輸出信號傳送至信號頻率檢測電路(9)和第二帶通濾波電路(43)，第二帶通濾波電路(43)再將信號傳送至第二調(diào)制控制電路(29)；第二幅度控制電路⑶包括第二檢波電路(44)和第二幅度PI控制電路(45)，由第二放大電路(40)傳送來的信號傳送至第二檢波電路(44)，第二檢波電路(44)再輸出信號傳送至第二幅度PI控制電路(45)，第二幅度PI控制電路(45)再生成幅度控制信號傳送至第二調(diào)制控制電路(29);第二調(diào)制控制電路(29)包括第二乘法電路(46)和第二驅(qū)動信號耦合電路(47)，由第二幅度PI控制電路(45)傳輸來的幅度控制信號和由第二帶通濾波電路(43)傳輸來的信號分別傳送至第二乘法電路(46)，第二乘法電路(46)生成信號并傳送至驅(qū)動信號耦合電路(47)，驅(qū)動信號耦合電路(47)生成驅(qū)動信號并傳送至雙軸微硅諧振式加速度計相對應(yīng)的驅(qū)動信號接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，包括三個方向上的加速度計驅(qū)動控制和頻率檢測電路，這三個方向中的任意兩個方向之間相互垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，所述的第一驅(qū)動信號耦合電路與第二信號耦合電路結(jié)構(gòu)相同，均包括運算放大器(Ul)、電阻(Rl)、電阻(R2)、電阻(R3)、電阻(R4)、電阻(R5)、電阻(R6)、電容(C3)、電容(C4)，該驅(qū)動信號耦合電路輸入信號連接到電阻(Rl)和電容(C4)，電阻(Rl)的另一端連接到運算放大器(Ul)的反相輸入端，電阻(R2)的一端接到運算放大器Ul的反相輸入端，另一端接到運算放大器Ul的輸出端，運算放大器(Ul)的同相輸入端接地。電容(C4)另一端連接到電阻(R3)，電阻(R3)另一端與+5V直流電壓相連；電阻(R5) —端與電阻(R3)連接，另一端接地；電容(C3) —端與運算放大器(Ul)輸出端連接，另一端與電阻(R4)連接，電阻(R4)另一端接到+5V直流電壓；電阻(R6) —端與電阻(R4)連接，另一端接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，所述的第一移相電路與第二移相電路結(jié)構(gòu)相同，均包括運算放大器(U2A)、運算放大器(U2B)、運算放大器(U2D)、電阻(R7)、電阻(R8)、電阻(R9)、電阻(RlO)、電阻(Rll)、電阻(R12)、電阻(R13)、電容(C7)、電容(C8)、電容(C9)、電容(ClO)，該移相電路的輸入信號連接到電阻(R7)，電阻(R7)的另一端連接到運算放大器(U2D)的反相輸入端；電阻(R8)一端連接在運算放大器(U2D)的反相輸入端，另一端連接到運算放大器(U2D)的輸出端；運算放大器(U2D)的同向輸入端接地；電阻(R9) —端連接到運算放大器(U2D)的輸出端，另一端連接到運算放大器(U2B)的反相輸入端；電容(C7) —端連接到運算放大器(U2B)的反相輸入端，另一端連接到運算放大器(U2B)的輸出端；運算放大器(U2B)的同相輸入端接地；電阻(R12) —端連接到運算放大器(U2B)的輸出端，另一端連接到運算放大器(U2A)的反相輸入端；電阻(R13)和電容(ClO) —端連接在運算放大器(U2A)的同向輸入端,另一端接地；電容(C9) 一端連接到運算放大器(U2A)的反相輸入端，另一端連接到運算放大器(U2A)的輸出端；電阻(RlO) —端與電容(C8)連接，電阻(RlO)另一端與運算放大器(U2A)輸出端相連，電容(CS)另一端與運算放大器(U2A)反相輸入端連接；電阻(Rll) —端連接在運算放大器(U2A)的輸出端，另一端連接在運算放大器(U2D)的反相輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三軸硅微諧振式加速度計閉環(huán)驅(qū)動控制和頻率檢測電路，其特征在于，所述的第一接口檢測電路(30)與第二接口檢測電路(39)結(jié)構(gòu)相同，均包括運算放大器U4、可變電容CU、可變電容C12、環(huán)形二極管U3、電容C13、電容C14 ;環(huán)形二極管U3包括二極管Ml、二極管M2、二極管M3、二極管M4 ;該接口檢測電路的輸入信號連接至可變電容Cll和可變電容C12的一端，可變電容Cll另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳1，可變電容C12的另一端接在環(huán)形二極管U3的管腳3 ;環(huán)形二極管U3中的二極管Ml的負極與M2的正極與管腳I連 接，二極管M2的端與二極管M3的“ + ”端與管腳2連接，二極管M3的端與二極管M4的“ + ”端與管腳3連接，二極管M4的端與Ml的“ + ”端與管腳4連接；運算放大器U4的同相輸入端和電容C14的一端同時連接到環(huán)形二極管U3的管腳4，電容C14的另一端接地；運算放大器U4的反相輸入端和電容C13的一端同時連接到環(huán)形二極管U4的管腳2，電容C13的另一端接地。
【文檔編號】G01P21/00GK103901226SQ201410164579
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】楊波, 趙輝, 柳小軍, 戴波, 王行軍, 鄧允朋 申請人:東南大學(xué)