微机械加速度计控制装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种微机械加速度计控制装置，包括适用于具有驱动电极结构和调谐结构的微机械加速度计，本实用新型专利技术将一定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，固定调谐电压施加到非线性调谐结构上，将微机械加速度计经过高频载波调制解调模块后的输出信号一路通过频率自调节模块得到调谐控制信号并施加在线性调谐结构上，另一路通过加速度闭环测量模块得到外界输入加速度大小并且形成闭环反馈控制信号，所形成的闭环反馈控制信号和一定频率的余弦注入调制信号一起共同作用到驱动电极上。本实用新型专利技术可以实现任意控制微机械加速度计的谐振频率大小，同时不影响加速度测量，能有效提高微机械加速度计的稳定性和精度。

【技术实现步骤摘要】
微机械加速度计控制装置
本技术涉及微机械加速度计，尤其涉及一种微机械加速度计控制装置。
技术介绍
微机械加速度计是一种基于硅微加工技术的用于测量加速度信息的惯性传感器，具有低功耗、与集成电路兼容等优点，在民用领域已经获得广泛应用。尤其在军用领域，高精度的微机械加速度计可以准确提供导弹、火箭等的加速度、速度等信息，满足导航与制导控制要求。高精度的微机械加速度计通常可以通过提高微机械加速度计的灵敏度来达到，也就要求微机械加速度计的弹性系数或者谐振工作频率很低。这可以在设计的时候，通过结构上显著降低微机械加速度计的弹性梁的弹性系数或者结构上设计各类调谐结构并后续电路上直接加固定调谐电压来形成负等效弹性系数。基于这些原理的低谐振频率的高精度微机械加速度计已经取得了很多研究成果。但是这些高精度的微机械加速度计只能在理论上达到很低的谐振频率，在实际加工以及使用过程中难以实现预期的高精度性能，这主要受限于以下几方面原因：1)实际加工制作工艺存在一定加工误差以及缺陷，难以制作更小的梁宽的低弹性系数的弹性梁，这是无法避免的；2)微机械加速度计的使用过程是一个正负温差很大的温度范围，这会造成硅材料的杨氏模量变化显著，从而改变机械结构的弹性系数，让微机械加速度计原有的谐振频率发生漂移。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术的不足，为微机械加速度计提供一种微机械加速度计控制装置。本技术的具体方案如下：本技术公开了一种微机械加速度计的控制装置，包括微机械加速度计、非线性调谐电压产生电路、线性调谐电压产生电路、驱动电极反馈电压产生电路、模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第三数模转换器、第四数模转换器、第五数模转换器和可编程逻辑器件芯片，微机械加速度计的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与可编程逻辑器件芯片的输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第一输出端与第一数模转换器的输入端相连，第一数模转换器的输出端与非线性调谐电压产生电路的输入端相连，非线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的非线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第二输出端与第二数模转换器的输入端相连，第二数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第三输出端与第三数模转换器的输入端相连，第三数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第二输入端相连，线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第四输出端与第四数模转换器的输入端相连，第四数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第五输出端与第五数模转换器的输入端相连，第五数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端相连，驱动电极反馈电压产生电路的输出端与微机械加速度计的驱动电极相连。本技术与现有技术相比具有的有益效果是：1)本技术可以在不影响原有的微机械加速度计的加速度闭环测量模块的基础上，巧妙地引入频率自调节模块实现微机械加速度计的高精度控制；2)本技术可以对温度变化以及加工误差造成的微机械加速度计的谐振频率偏移进行实时检测和自调节控制，使其能稳定控制工作谐振状态；3)本技术适合在可编程逻辑器件芯片上实施，不需要额外的集成电路或者工艺制造的要求，具有很好的普适性。附图说明图1是一种微机械加速度计控制方法的实现框图；图2是本技术中的频率自调节模块的实现框图；图3是本技术中的频率自调节模块中的自调节控制实现框图；图4是本技术中的加速度闭环测量模块的实现框图；图5是本技术中的控制方法的谐振频率仿真图；图6是本技术中的控制方法的闭环输出加速度仿真图；图7是一种微机械加速度计的控制装置电路框图；图8是本技术中的非线性调谐电压产生电路图；图9是本技术中的线性调谐电压产生电路图；图10是本技术中的驱动电极反馈电压产生电路图。具体实施方式一种微机械加速度计控制方法，其微机械加速度计具有驱动电极结构和混合调谐结构，混合调谐结构包括线性调谐结构和非线性调谐结构，工作在加速度测量闭环的模式上，一定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，固定调谐电压施加到非线性调谐结构上，将微机械加速度计经过高频载波调制解调模块后的输出信号一路通过频率自调节模块得到调谐控制信号并施加在线性调谐结构上，另一路通过加速度闭环测量模块得到外界输入加速度大小并且形成闭环反馈控制信号，所形成的闭环反馈控制信号和一定频率的余弦注入调制信号一起共同作用到驱动电极上，从而可以通过频率自调节模块使处于闭环模式下的微机械加速度计稳定工作在恒定的谐振频率上。如图1所示，一种微机械加速度计控制方法的具体实施步骤如下:1)可编程逻辑器件芯片产生单一固定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，同时产生固定调谐电压施加到非线性调谐结构上；2)微机械加速度计的输出信号经过高频载波调制解调模块后，分别输入至频率自调节模块和加速度闭环测量模块；3)频率自调节模块的输入信号分成两路信号，一路为相对于余弦注入调制信号的同相乘法解调和第一低通滤波器，另一路为相对于余弦注入调制信号的正交乘法解调和第二低通滤波器，两路信号变成只有0(直流)频率信号后，通过坐标旋转数字计算方法得到幅度表征信号和相位表征信号，取其幅度表征信号或相位表征信号，并利用参考控制信号进行自调节控制得到调谐控制信号，施加在线性调谐结构上稳定微机械加速度计的频率；4)加速度闭环测量模块的输入信号经过第三低通滤波器，由闭环反馈控制器得到外界加速度大小的同时产生闭环反馈控制信号，与余弦注入调制信号一起施加到驱动电极上。如图2所示，对于步骤3)所述的频率自调节模块进行计算说明：假设频率为ω0的余弦注入调制信号为cos(ω0t)，简化微机械加速度计的二阶动力学模型为二阶传递传递函数Gacc(s)其中，ωr为加速度计的无阻尼自然谐振频率，Q为品质因子。据此可以得到微机械加速度计的幅频特性函数H(ω)和相频特性函数Φ(ω)则对于上述微机械加速度计的二阶动力学模型而言，可以根据一般线性系统的理论认为，当输入正余弦信号时，输出信号的稳态值也是正余弦信号，其输出信号的频率与输入信号的频率相同[10]；根据H(ω)和Φ(ω)的表达式，输出信号的幅值和输出信号的相位不仅与输入信号的频率有关，还与此二阶动力学模型的系统参数ωr和Q有关。因此，对于微机械加速度计的二阶系统而言，如果输入固定频率ω0的已知余弦信号，并且认为品质因子Q不变，则输出信号的幅值和相位将只与加速度计的动力学模型参数ωr有关。换而言之，可以利用输出信号的幅度表征信号或相位表征信号来表征加速度计的谐振频率或弹性系数的变化，产生对应的调谐电压，补偿加速度计的谐振频率变化量，从而稳定控制微加速度计。本实施例中，余弦注入调制信号为cos(ω0t)，施加到驱动电极上后，高频载波调制解调模块会产生对应的余弦信号H(ω0)cos(ω0t+Φ(ω0))，其中H(ω0)为幅度表征信号和Φ(ω0)为相位表征信号，一路信号经过同相乘法解调和第一低通滤波，信号过程如下：同理另一路信号经过正交乘法解调和第二低通滤波，信号过程如下：所以和通过坐标旋转数字计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机械加速度计控制装置，其特征在于包括微机械加速度计、非线性调谐电压产生电路、线性调谐电压产生电路、驱动电极反馈电压产生电路、模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第三数模转换器、第四数模转换器、第五数模转换器和可编程逻辑器件芯片，微机械加速度计的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与可编程逻辑器件芯片的输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第一输出端与第一数模转换器的输入端相连，第一数模转换器的输出端与非线性调谐电压产生电路的输入端相连，非线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的非线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第二输出端与第二数模转换器的输入端相连，第二数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第三输出端与第三数模转换器的输入端相连，第三数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第二输入端相连，线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第四输出端与第四数模转换器的输入端相连，第四数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第五输出端与第五数模转换器的输入端相连，第五数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端相连，驱动电极反馈电压产生电路的输出端与微机械加速度计的驱动电极相连。...

【技术特征摘要】
1.一种微机械加速度计控制装置，其特征在于包括微机械加速度计、非线性调谐电压产生电路、线性调谐电压产生电路、驱动电极反馈电压产生电路、模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第三数模转换器、第四数模转换器、第五数模转换器和可编程逻辑器件芯片，微机械加速度计的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与可编程逻辑器件芯片的输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第一输出端与第一数模转换器的输入端相连，第一数模转换器的输出端与非线性调谐电压产生电路的输入端相连，非线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的非线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第二输出端与第二数模转换器的输入端相连，第二数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第三输出端与第三数模转换器的输入端相连，第三数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第二输入端相连，线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第四输出端与第四数模转换器的输入端相连，第四数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第五输出端与第五数模转换器的输入端相连，第五数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端相连，驱动电极反馈电压产生电路的输出端与微机械加速度计的驱动电极相连。2.根据权利要求1所述的微机械加速度计控制装置，其特征在于所述的可编程逻辑芯片将输入端信号进行高频载波调制解调，可编程逻辑芯片内部产生固定调谐电压、频率自调节模块的调谐电压、余弦注入调制信号以及加速度闭环测量模块的闭环反馈控制信号，固定调谐电压经可编程逻辑器件芯片的第一输出端输出，频率自调节模块产生的调谐电压经可编程逻辑器件芯片的第二输出端和第三输出端输出，余弦注入调制信号经可编程逻辑器件芯片的第四输出端输出，加速度闭环测量模块的闭环反馈控制信号经可编程逻辑器件芯片的第五输出端输出。3.根据权利要求1所述的微机械加速度计控制装置，其特征在于所述的非线性调谐电压产生电路为：非线性调谐电压产生电路的输入信号与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器的负输入端连接，第一运算放大器的正输入端与第三电阻R3连接，第三电阻R3的另一端接地，第一运算放大器的负输入端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端为非线性调谐电压产生电路的输出信号。4.根据权利要求1所述的微机械加速度计控制装置，其特征在于所述的线性调谐电压产...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海斌，郑旭东，金仲和，马志鹏，林一羽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33