一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械和微慣性器件測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度計(jì)起源于20世紀(jì)60年代，如今經(jīng)過50余年的發(fā)展，已經(jīng)被成功地應(yīng)用在了航空航天、制導(dǎo)、機(jī)器人等等軍事或民事領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，在高精度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用尤其廣泛。諧振式加速度計(jì)是包含了一個(gè)或多個(gè)諧振梁的加速度計(jì)。作為加速度計(jì)中的新興力量，硅微諧振式陀螺儀更是成為了熱門研究對(duì)象。硅微諧振式陀螺儀具有體積小、成本低、功耗小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于應(yīng)用在軍事及民事領(lǐng)域。并且，硅微諧振式加速度計(jì)還可以直接數(shù)字化輸出，給后續(xù)的研究、調(diào)試、使用都提供了很大的便利，并且?guī)ьI(lǐng)了加速度計(jì)向數(shù)字化方向發(fā)展。目前在國(guó)外，硅微諧振式加速度計(jì)的技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟，中等精度的硅微加速度計(jì)已經(jīng)接近慣導(dǎo)水平。1997年美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室提出了硅微諧振式加速度計(jì)的概念，并且一直處于業(yè)界領(lǐng)先地位。而在國(guó)內(nèi)，北京大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、中國(guó)物理工程研究院等科研單位也在該領(lǐng)域取得了一定的研究成果。
[0003]然而，以往的加速度計(jì)都只能測(cè)量一個(gè)方向的加速度，在市場(chǎng)需求的要求下，研制出高精度的雙軸加速度計(jì)已成為必然趨勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路，包括四路電路，可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向上的加速度，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路，其特征在于:包括四路加速度計(jì)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路;所述四路電路結(jié)構(gòu)相同，每一路均包括雙軸硅微諧振式加速度計(jì)、前置放大電路、幅度控制電路、相位控制電路、調(diào)制控制電路和測(cè)頻電路;每一路電路的雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出相位依次相差90° ;
[0006]每一路電路上的雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出信號(hào)傳送至前置放大電路，前置放大電路將放大后的信號(hào)分別傳送至相位控制電路和幅度控制電路，相位控制電路和幅度控制電路分別將相位控制信號(hào)和幅度控制信號(hào)傳送給調(diào)制控制電路，調(diào)制控制電路生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至雙軸硅微諧振加速度計(jì)，同時(shí)相位控制電路將信號(hào)傳送給測(cè)頻電路;雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出相位相差180°的兩路測(cè)頻電路的信號(hào)傳送給同一個(gè)差頻電路進(jìn)行差分，測(cè)得頻率差。
[0007]進(jìn)一步的，所述前置放大電路包括電容信號(hào)器和放大器;交流信號(hào)與直流偏電壓置疊加對(duì)力矩器產(chǎn)生激勵(lì)，使力矩器梳齒產(chǎn)生位移，位移通過電容信號(hào)器轉(zhuǎn)換為電容變化，電容信號(hào)器再將信號(hào)傳送至前置放大器；
[0008]所述相位控制電路包括移相器和鎖相環(huán)，前置放大器將放大后的信號(hào)傳送至移相器，移相器的輸出信號(hào)傳遞至鎖相環(huán)；幅度控制電路包括整流器、比較器和積分控制器;移相器將信號(hào)傳送至整流器，經(jīng)過整流器處理的信號(hào)在比較器中與參考電壓進(jìn)行比較并在積分控制器中積分，積分控制器輸出的信號(hào)與鎖相環(huán)輸出的信號(hào)同時(shí)輸入乘法器的兩個(gè)輸入端，乘法器的輸出信號(hào)與直流偏置電壓進(jìn)行疊加，形成回路，繼續(xù)對(duì)力矩器產(chǎn)生激勵(lì);鎖相環(huán)輸出端的另一路信號(hào)輸入至測(cè)頻電路進(jìn)行測(cè)頻。
[0009]進(jìn)一步的，包括整流器電路;所述整流器電路包括電阻R20、電阻R21、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R25、二極管D1、二極管D2、放大器U9A和放大器U9B ；
[0010]所述整流器電路輸入信號(hào)連接到電阻R20，電阻R20另一端分為兩路，一路依次連接電阻R21和電阻R27，另一路依次連接電阻R26和電阻R28;電阻R27和電阻R27的接入二極管D2的基極;二極管D2的發(fā)射極連接至二極管D1基極和放大器U9A輸出端;二極管D1發(fā)射極連接到電阻R26、電阻R28和放大器U9A負(fù)輸入端，放大器U9A正輸入端接地，電阻R21同時(shí)連接電阻R25和放大器U9B負(fù)輸入端，放大器U9B正輸入端接地，電阻R25另一端接放大器U9B輸出端;放大器U9B輸出端為整流器電路輸出端。
[0011 ] 進(jìn)一步的，所述積分控制器的電路包括電阻R23，電阻R22，電阻R39，電容C21，電容C22，電容C28，電容C35，電容C36，放大器U10A;
[0012]輸入信號(hào)連接至電阻R23，電阻R23分別連接至電阻R22、電容C21和放大器U10A負(fù)輸入端；電阻R22另一端通過電容C22后連接至放大器U10A輸出端；電容C21另一端連接至電容C22;放大器U10A正輸入端連接電阻R39和電容C36，電阻R39和電容C36另一端接地;放大器U10 A輸出端為積分控制器的電路輸出端。
[0013]進(jìn)一步的，所述乘法器的電路包括乘法器U7，電阻R15、電阻R31、電阻R33、電阻R35、電阻R38、電容C37、電容C29 ；
[0014]輸入信號(hào)分別連接到電阻R15和電阻R33;電阻R15連接在乘法器U7的XI輸入端；電阻R33連接乘法器U7的Y1輸入端；電阻R31 —端接地，另一端連接在乘法器U7的X2輸入端;乘法器U7的Y2輸入端接地；電容C37—端接地，另一端同時(shí)連接在_8電源和乘法器U7的V-端；電容C29—端接地，另一端同時(shí)連接電源-8和乘法器U7的V+端；電阻R35—端接乘法器U7的W輸出端另一端接乘法器U7的Z輸入端；電阻R38—端接乘法器U7的Z輸入端，另一端接地;乘法器U7的W輸出端為該乘法器的電路輸出端。
[0015]有益效果:本發(fā)明電路具體具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1)該電路能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向的加速度，彌補(bǔ)了以往的單軸加速度計(jì)只能夠?qū)我环较虻募铀俣戎颠M(jìn)行測(cè)量的缺陷，很好地滿足了當(dāng)代汽車、航空以及電子等專業(yè)方面對(duì)加速度計(jì)的需求；
[0017]2)該電路成功地集成了多套激振電路、測(cè)頻電路以及差頻電路，很好地解決了多套電路難以集成這一大難題；
[0018]3)該電路體積小、成本低、功耗小、精度高、靈敏度高、可數(shù)字化輸出；
[0019]4)在兩個(gè)方向加速度的測(cè)量中，該電路對(duì)兩者進(jìn)行了彼此獨(dú)立的閉環(huán)控制。兩個(gè)方向的測(cè)量互不影響，因而得以最大程度地降低了兩個(gè)軸向的耦合，這一設(shè)計(jì)也有利于后續(xù)的調(diào)試。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的原理框圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的一軸一個(gè)上閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制電路詳細(xì)原理框圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的整流器電路電路圖；
[0023]圖4是本發(fā)明的積分控制器電路電路圖；
[0024]圖5是本發(fā)明的乘法電路電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0026]如圖1所示為一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路，其特征在于:包括四路加速度計(jì)驅(qū)動(dòng)控制和頻率檢測(cè)電路;所述四路電路結(jié)構(gòu)相同，每一路均包括雙軸硅微諧振式加速度計(jì)、前置放大電路、幅度控制電路、相位控制電路、調(diào)制控制電路和測(cè)頻電路;每一路電路的雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出相位依次相差90°;
[0027]每一路電路上的雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出信號(hào)傳送至前置放大電路，前置放大電路將放大后的信號(hào)分別傳送至相位控制電路和幅度控制電路，相位控制電路和幅度控制電路分別將相位控制信號(hào)和幅度控制信號(hào)傳送給調(diào)制控制電路，調(diào)制控制電路生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至雙軸硅微諧振加速度計(jì)，同時(shí)相位控制電路將信號(hào)傳送給測(cè)頻電路;雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的輸出相位相差180°的兩路測(cè)頻電路的信號(hào)傳送給同一個(gè)差頻電路進(jìn)行差分，測(cè)得頻率差。
[0028]如圖2所示，進(jìn)一步的，所述前置放大電路包括電容信號(hào)器和放大器;交流信號(hào)與直流偏電壓置疊加對(duì)力矩器產(chǎn)生激勵(lì)，使力矩器梳齒產(chǎn)生位移，位移通過電容信號(hào)器轉(zhuǎn)換為電容變化，電容信號(hào)器再將信號(hào)傳送至前置放大器；
[0029]所述相位控制電路包括移相器和鎖相環(huán)，前置放大器將放大后的信號(hào)傳送至移相器，移相器的輸出信號(hào)傳遞至鎖相環(huán)；幅度控制電路包括整流器、比較器和積分控制器;移相器將信號(hào)傳送至整流器，經(jīng)過整流器處理的信號(hào)在比較器中與參考電壓進(jìn)行比較并在積分控制器中積分，積分控制器輸出的信號(hào)與鎖相環(huán)輸出的信號(hào)同時(shí)輸入乘法器的兩個(gè)輸入端，乘法器的輸出信號(hào)與直流偏置電壓進(jìn)行疊加，形成回路，繼續(xù)對(duì)力矩器產(chǎn)生激勵(lì);鎖相環(huán)輸出端的另一路信號(hào)輸入至測(cè)頻電路進(jìn)行測(cè)頻。
[0030]如圖3所示，進(jìn)一步的，包括整流器電路;所述整流器電路包括電阻R20、電阻R21、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R25、二極管D1、二極管D2、放大器U9A和放大器U9B ；
[0031]所述整流器電路輸入信號(hào)連接到電阻R20，電阻R20另一端分為兩路，一路依次連接電阻R21和電阻R27，另一路依次連接電阻R26和電阻R28;電阻R27和電阻R27的接入二極管D2的基極;二極管D2的發(fā)射極連接至二極管D1基極和放大器U9A輸出端;二極管D1發(fā)射極連接到電阻R26、電阻R28和放大器U9A負(fù)輸入端，放大器U9A正輸入端接地，電阻R21同時(shí)連接電阻R25和放大器U9B負(fù)輸入端，放大器U9B正輸入端接地，電阻R25另一端接放大器U9B輸出端;放大器U9B輸出端為整流器電路輸出端。
[0032]如圖4所示，進(jìn)一步的，所述積分控制器的電路包括電阻R22，電阻R39，電容C21，電容C22，電容C28，電容C35，電容C36，放大器U10A;
[0033]輸入信號(hào)連接至電阻R23，電阻R23分別連接至電阻R22、電容C21和放大器U10A負(fù)輸入端；電阻R22另一端通過電容C22后連接至放大器U10A輸出端；電容C21另一端連接至電容C22;放大器U10A正輸入端連接電阻R39和電容C36，電阻R39和電容C36另一端接地;放大器U10 A輸出端為積分控制器的電路輸出端。
[0034]如圖5