本發(fā)明屬于微機(jī)電慣性傳感器閉環(huán)力反饋控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于sigma-delta閉環(huán)控制的慣性傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)電傳感器系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域。其中高精度慣性傳感器被廣泛運(yùn)用于慣性導(dǎo)航，空間探測(cè)，石油探勘，地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。

高精度微機(jī)電慣性傳感器往往采用閉環(huán)力反饋控制系統(tǒng)，來(lái)提高系統(tǒng)的線性度，動(dòng)態(tài)范圍，和帶寬。在現(xiàn)有技術(shù)中，將微機(jī)電慣性傳感器嵌入到閉環(huán)系統(tǒng)的sigma-delta力反饋結(jié)構(gòu)越來(lái)越來(lái)受歡迎。Sigma-delta力反饋的優(yōu)點(diǎn)：輸出是脈沖密度調(diào)制的比特流，可以直接和數(shù)字信號(hào)處理器相連。

現(xiàn)有技術(shù)中，將微機(jī)電慣性傳感器嵌入到閉環(huán)系統(tǒng)的sigma-delta力反饋系統(tǒng)(參見(jiàn)圖2)。它包含慣性傳感器單元，檢測(cè)電路，環(huán)路濾波器，量化器和反饋單元。其中慣性傳感器單元拾取外界的慣性信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；檢測(cè)電路將慣性傳感器單元輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合環(huán)路濾波器處理的電信號(hào)，比如電壓或者電流；環(huán)路濾波器將檢測(cè)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)噪聲的整形和整個(gè)閉環(huán)回路的穩(wěn)定；量化器以遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)帶寬的采樣率采樣，并將環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)量化成數(shù)字信號(hào)輸出，以便于后續(xù)處理；同時(shí)反饋單元根據(jù)量化器輸出的數(shù)字信號(hào)，輸出相應(yīng)大小和方向的反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)sigma-delta閉環(huán)控制。整個(gè)閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)電慣性傳感器的檢測(cè)，并且數(shù)字化輸出。這個(gè)結(jié)構(gòu)的微機(jī)電慣性傳感器閉環(huán)系統(tǒng)存在以下一些缺點(diǎn)：

由于這個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)中環(huán)路濾波器是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，所以它對(duì)微機(jī)電慣性傳感器參數(shù)變化的適應(yīng)性差，靈活性差，由于集成電路加工的誤差和寄生效應(yīng)的存在，導(dǎo)致環(huán)路濾波器的參數(shù)精確性比較差；為了實(shí)現(xiàn)高精度慣性傳感器系統(tǒng)，(一)可以使用高階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)，這樣閉環(huán)回路的穩(wěn)定性將是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，特別是閉環(huán)回路中的慣性傳感器是高Q值的慣性傳感器；(二)可以提高過(guò)采樣率，即使用更高的采樣頻率，或者降低信號(hào)的帶寬，但前者將增加功耗，而后者將限制了其在帶寬要求比較高的運(yùn)用場(chǎng)合；(三)可以增加量化器的位數(shù)，但是由于sigma-delta閉環(huán)回路對(duì)反饋通路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的線性度要求高，特別是在高精度應(yīng)用領(lǐng)域，所以也限制了量化器位數(shù)不能增加太多，同時(shí)為了提高多位DAC的線性度，還需消耗額外的電路資源和時(shí)序。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于sigma-delta閉環(huán)控制的慣性傳感器系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括數(shù)字域和模擬域，所述數(shù)字域連接模擬域，所述模擬域用于接收和轉(zhuǎn)換信號(hào)，所述數(shù)字域用于處理和輸出信號(hào)；

進(jìn)一步地，所述模擬域內(nèi)設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和反饋單元，所述數(shù)字域包括低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊和誤差抵消模塊，所述低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊一端通過(guò)反饋單元連接模擬域，另一端通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接模擬域，形成sigma-delta閉環(huán)回路；

進(jìn)一步地，所述低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊包括環(huán)路濾波器和量化器，其中；

環(huán)路濾波器，所述環(huán)路濾波器用于維持閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定；

量化器，所述量化器為一位量化器或多位量化器，用于量化經(jīng)過(guò)所述環(huán)路濾波器的數(shù)字信號(hào)，并輸出比特流數(shù)據(jù)；

進(jìn)一步地，所述誤差抵消模塊包括白化濾波器，校準(zhǔn)單元和數(shù)字加法器，其中；

白化濾波器，所述白化濾波器用于估計(jì)慣性傳感器，檢測(cè)電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)的逆系統(tǒng)模型，使所述的白化濾波器的輸出信號(hào)還原出所述閉環(huán)系統(tǒng)的誤差信號(hào)。

校準(zhǔn)單元，所述校準(zhǔn)單元用于對(duì)所述量化器輸出的比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度和相位的校準(zhǔn)處理；

數(shù)字加法器，所述數(shù)字加法器用于將所述校準(zhǔn)單元處理過(guò)的比特流數(shù)據(jù)和所述白化濾波器中還原出的誤差信號(hào)相加，從而抵消量化器產(chǎn)生的量化噪聲，得到高精度的輸出信號(hào)；

進(jìn)一步地，所述反饋單元根據(jù)輸出的比特流，決定反饋信號(hào)的大小和方向，從而使所述系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路；

進(jìn)一步地，所述環(huán)路濾波器和白化濾波器均與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連，所述環(huán)路濾波器的輸出端與量化器相連，所述白化濾波器的輸出信號(hào)與校準(zhǔn)單元的輸出信號(hào)分別與數(shù)字加法器的兩個(gè)輸入端相連，所述數(shù)字加法器輸出的求和結(jié)果為所述系統(tǒng)的輸出信號(hào)；

進(jìn)一步地，所述量化器的輸出端分別連接所述反饋單元和校準(zhǔn)單元，所述反饋單元的輸出信號(hào)作用于模擬域；

進(jìn)一步地，所述模擬域還包括慣性傳感單元和檢測(cè)電路，其中；

慣性傳感單元，所述慣性傳感單元用于拾取誤差信號(hào)，所述誤差信號(hào)為待測(cè)信號(hào)和所述反饋單元的輸出信號(hào)的差值；

檢測(cè)電路，所述檢測(cè)電路用于將慣性傳感器單元拾取的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)；

進(jìn)一步地，所述慣性傳感器單元與檢測(cè)電路相連；所述檢測(cè)電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端同時(shí)連接環(huán)路濾波器和白化濾波器；

進(jìn)一步地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為低精度ADC；

本發(fā)明的有益效果如下：

1)所述系統(tǒng)通過(guò)在閉環(huán)回路中嵌入低精度ADC，使系統(tǒng)的大部分單元可在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性；

2)使用低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊，保證了閉環(huán)回路的穩(wěn)定性；

3)使用誤差抵消模塊抵消量化器產(chǎn)生的量化噪聲，實(shí)現(xiàn)高精度的慣性傳感器，對(duì)過(guò)采樣率的要求降低了，降低了系統(tǒng)的功耗，或者可以使該慣性傳感器系統(tǒng)運(yùn)用于高速的場(chǎng)合，同時(shí)降低了后續(xù)降采樣濾波器的要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)的等效線性模型；

圖5為現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的等效線性模型；

圖6為本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)噪聲基底對(duì)比圖；

圖7為本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的輸入范圍和信噪比對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。下面為本發(fā)明的舉出一個(gè)實(shí)施例：

如圖3所示，本發(fā)明提供一種基于sigma-delta閉環(huán)控制的慣性傳感器系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括數(shù)字域和模擬域，所述模擬域用于接收和轉(zhuǎn)換信號(hào)，所述數(shù)字域用于處理和輸出信號(hào)，所述模擬域包括微機(jī)電電容式加速度傳感器單元、電容檢測(cè)電路，8位ADC和力反饋單元。所述數(shù)字域包括低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊和誤差抵消模塊，所述低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊一端通過(guò)力反饋單元連接模擬域，另一端通過(guò)8位ADC連接模擬域，形成sigma-delta閉環(huán)回路，所述低階sigma-delta閉環(huán)控制模塊包括環(huán)路濾波器，1位量化器，所述誤差抵消模塊包括白化濾波器，校準(zhǔn)單元和數(shù)字加法器。微機(jī)電電容式加速度傳感器單元與電容檢測(cè)電路相連；電容檢測(cè)電路的輸出端與8位ADC相連；8位ADC的輸出端與環(huán)路濾波器相連，同時(shí)與白化濾波器相連；環(huán)路濾波器的輸出端與1位量化器相連；1位量化器的輸出端與力反饋單元相連，同時(shí)與校準(zhǔn)單元相連；力反饋單元的輸出信號(hào)作用于微機(jī)電電容式加速度傳感器單元，構(gòu)成sigma-delta閉環(huán)回路；白化濾波器的輸出信號(hào)與校準(zhǔn)單元的輸出信號(hào)分別與數(shù)字加法器的兩個(gè)輸入端相連，數(shù)字加法器輸出的求和結(jié)果作為系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

微機(jī)電電容式加速度傳感器單元用于拾取加速度信號(hào)，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電容信號(hào)輸出；電容檢測(cè)電路將傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于ADC的電信號(hào)，這里電容檢測(cè)電路為常用的開(kāi)關(guān)電容電路；8位ADC將電容檢測(cè)電路輸出電壓數(shù)字化，以便后續(xù)數(shù)字電路的處理；環(huán)路濾波器為簡(jiǎn)單的補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)低階sigma-delta閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定；1位量化器將高位寬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成1位數(shù)字信號(hào)，這樣力反饋單元就更容易精確的實(shí)現(xiàn)；力反饋單元根據(jù)輸出的比特流，決定力反饋信號(hào)的大小和方向，從而使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路；白化濾波器估計(jì)微機(jī)電電容式加速度傳感器，檢測(cè)電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)的逆系統(tǒng)模型,將輸入信號(hào)還原出閉環(huán)系統(tǒng)的誤差信號(hào)；校準(zhǔn)單元，根據(jù)1位量化器輸出的比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度和相位的校準(zhǔn)處理；數(shù)字加法器將白化濾波器的輸出信號(hào)與校準(zhǔn)單元的輸出信號(hào)進(jìn)行求和運(yùn)算，得到高精度的系統(tǒng)輸出信號(hào)；

下面根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)框圖的等效線性模型，如圖4所示，來(lái)求取白化濾波器Z域傳遞函數(shù)H_wf(z)和校準(zhǔn)單元Z域傳遞函數(shù)。

微機(jī)電電容式加速度傳感器單元可以等效成質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，工作在欠阻尼狀態(tài)。將微機(jī)電電容式加速度傳感器單元等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入為加速度信號(hào)，輸出為電容變化信號(hào)，則其二階S域系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為：

其中k_xtc為微機(jī)電電容式加速度傳感器由于位移變化而引起電容變化的增益系數(shù)，ω_n為微機(jī)電電容式加速度傳感器的自然選擇頻率，Q為微機(jī)電電容式加速度傳感器的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)采樣頻率為f_s，即采樣周期為T(mén)_s，s域系統(tǒng)傳遞函數(shù)M(s)對(duì)應(yīng)的離散Z域傳遞函數(shù)為M(z)。

電容檢測(cè)電路等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入為電容變化ΔC，輸出為電壓V_o，則其可以簡(jiǎn)單的等價(jià)成一個(gè)增益系數(shù)k_ctv，即其輸出表達(dá)式為：

V_o＝k_ctv×ΔC

8位ADC等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入為模擬電壓x₁，輸出為數(shù)字化電壓y₁，則其輸出表達(dá)式為：

y₁＝k_q1×x₁+n₁

k_q1為8位ADC的增益，這里k_q1＝1，n₁為均值為0，方差為q₁的高斯白噪聲。

環(huán)路濾波器輸入輸出的Z域傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單表示為H_lf(z)。

1位量化器等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入為高位寬數(shù)字信號(hào)x₂，輸出為數(shù)字化電壓y₂，則其輸出表達(dá)式為：

y₂＝k_q2×x₂+n₂

k_q2為1位量化器，n₂為均值為0，方差為q₂的高斯白噪聲。

力反饋單元輸入輸出的Z域傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單表示為H_fb(z)，通常H_fb(z)可以近似為一個(gè)增益系數(shù)的常量。

白化濾波器輸入輸出的Z域傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單表示為H_wf(z)。

校準(zhǔn)單元輸入輸出的Z域傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單表示為H_calib(z)，則有：

X_i1＝(X-H_fb(z)Y_o1)M(z)k_ctvk_q1+n₁

Y_o2＝H_wf(z)X_i1

Y＝H_calib(z)Y_o1+Y_o2

當(dāng)H_wf(z)＝(z^-k)/(M(z)k_ctvk_q1)，H_calib(z)＝z^-kH_fb(z)時(shí)，系統(tǒng)輸出Y為：

其中z^-k主要目的是保證H_wf(z)為物理可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。由等式(1)，可以得知，系統(tǒng)的輸出Y包含輸入信號(hào)和噪聲n₁，噪聲是由8位ADC的量化噪聲產(chǎn)生的，遠(yuǎn)小于1位量化器產(chǎn)生的量化噪聲，并且噪聲還被H_wf(z)整形，所以系統(tǒng)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高了。

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)在電容式加速度傳感器的應(yīng)用，則現(xiàn)有技術(shù)加速度傳感器閉環(huán)系統(tǒng)包含電容式加速度傳感器單元，電容檢測(cè)電路，環(huán)路濾波器，1位量化器和力反饋單元。其中電容式加速度傳感器單元，電容檢測(cè)電路，1位量化器和力反饋單元與本發(fā)明實(shí)施例相同；環(huán)路濾波器為模擬電路實(shí)現(xiàn)的3階積分器和補(bǔ)償電路，與電容式加速度傳感器單元等效的2階積分器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成5階sigma-delta閉環(huán)回路。該閉環(huán)系統(tǒng)的等效線性模型如圖5所示，根據(jù)圖5的線性模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)輸出Y1為:

由等式(2)，可以得知，系統(tǒng)的輸出Y1包含量化噪聲n₂，該噪聲是由1位量化器產(chǎn)生，所以為了提高系統(tǒng)精度，加大|H_lf1(z)|在系統(tǒng)帶寬內(nèi)的值，但是也加大了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的難度。

如圖6所示，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)和本發(fā)明加速度傳感器系統(tǒng)都輸入峰峰值為0.1g加速度，頻率為125Hz的正弦加速度信號(hào)，本發(fā)明加速度傳感器系統(tǒng)在帶寬1-300Hz的噪聲基底為而現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)在帶寬1-300Hz的噪聲基底為由此可知，在本發(fā)明實(shí)施例基于2階sigma-delta閉環(huán)，內(nèi)嵌8位低精度ADC，結(jié)合誤差抵消模塊，系統(tǒng)的噪聲基底好于現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)；同時(shí)從圖6可知，在帶寬外(>300Hz)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)噪聲基底也遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)，降低了對(duì)后續(xù)降采樣濾波器的要求。

由圖7可知，輸入峰峰值范圍3ng-1g的加速度，頻率為125Hz的正弦加速度信號(hào),本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)的信噪比在整個(gè)輸入峰峰值范圍內(nèi)都高于現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)。其中本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍約167dB，而現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍約154dB，本發(fā)明系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)的理論最大輸入加速度都為1g，本發(fā)明系統(tǒng)的負(fù)載能力約為95％，現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載能力約為48％。這里負(fù)載能力定義為實(shí)際系統(tǒng)能輸入的最大加速與理論能輸入的最大加速的比值。由圖7也反映了本發(fā)明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于現(xiàn)有技術(shù)的5階sigma-delta閉環(huán)系統(tǒng)。

以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。