一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法，所述在线自检测系统包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。本发明专利技术采用电学静电力激励MEMS敏感结构，可以实现加速度计谐波失真的自检测，避免了传统检测方式中对复杂仪器设备的依赖并能实现在线测量。

【技术实现步骤摘要】
一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法
本专利技术属于传感器接口专用集成电路
，涉及一种MEMS加速度计片上实时在线自检测系统及方法。
技术介绍
在MEMS加速度计中，电容式敏感结构是实际应用中最为广泛使用的敏感结构类型。这不仅由于其具有更好的稳定性和工艺适应性，其平行板结构更容易通过静电力实现闭环静电伺服也是一个重要的原因。闭环静电力伺服技术不仅有效提高了加速度计的带宽、线性度、动态范围等重要指标，而且缓解了敏感结构设计时所遇到的相互矛盾的折中关系，使得低阻尼真空封装结构得以采用，从而大幅降低了敏感结构的机械噪声。在此基础上，近年来又演变出将MEMS敏感结构包含到Sigma-Delta闭环中的数字闭环实现方案。该方案集成了模拟闭环方案的优点，又兼具有直接的数字输出功能。由于其具有简洁紧凑、高效率、高性能的优点，成为高端电容式MEMS加速度计接口电路的首选解决方案。
技术实现思路
为了解决MEMS器件参数易漂移、易失效以及传统检测方案受限于复杂仪器设备难以完成实时在线测量的问题，本专利技术以Sigma-Delta数字闭环加速度计检测方案为基础，提出了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统及方法，从而实现对其工作状态的实时监控以及环路谐波失真的在线测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；所述上电极通过第三开关与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端相连，通过第一开关与正电源相连，通过第五开关与零电压相连；所述下电极通过第四开关与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端相连，通过第二开关与负电源相连，通过第六开关与零电压相连；所述中间质量块通过第九开关与电荷放大器的输入端相连，通过第八开关与负电源相连，通过第七开关与零电压相连；所述电荷放大器的输出端与环路补偿器的输入端相连；所述环路补偿器的输出端与Sigma-Delta调制器的前馈输入端相连；所述Sigma-Delta调制器的反馈输入端与数字运算单元的输出端相连；所述Sigma-Delta调制器的同相输出端与所述数字信号处理模块的第一输入端相连；所述数字信号处理模块的第二输入端与数字自检测激励源的输出端相连；所述数字自检测激励源的输出端与数字运算单元的第一输入端相连；所述数字运算单元的第二输入端与Sigma-Delta调制器的同相输出端相连；所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。一种利用上述数字闭环加速度计片上在线自检测系统进行系统环路增益及谐波失真幅度的测量方法，包括如下步骤：步骤一、将MEMS敏感结构置于闭环负反馈伺服系统中，调整闭环负反馈伺服系统稳定工作；步骤二、生成一位数字自检测正弦激励，将自检测激励注入到闭环负反馈伺服系统中；步骤三、所注入的自检测激励信号Vt与闭环负反馈伺服系统输出信号Vout相减获得数字残差信号Verror，数字残差信号Verror进一步注入到Sigma-Delta调制器的反馈网络中；步骤四、分别对自检测激励信号Vt与闭环负反馈伺服系统输出信号Vout进行采样，并利用数字信号处理模块计算闭环负反馈伺服系统环路增益LG：步骤五、利用数字信号处理模块对步骤四求得的闭环负反馈伺服系统环路增益LG进行频谱分析，进一步获得闭环负反馈伺服系统环路增益的大小及其各次谐波分量的幅度。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术采用电学静电力激励MEMS敏感结构，可以实现加速度计谐波失真的自检测，避免了传统检测方式中对复杂仪器设备的依赖并能实现在线测量。2、本专利技术针对Sigma-Delta数字闭环加速度计的特点，利用其便捷的数字接口施加一位量化的Sigma-Delta调制的数字自检测激励。3、数字自检测激励具有带内噪声低、失真小的特点，与模拟实现方案相比具有实现简单、稳定可靠、控制便捷、面积紧凑、易于片上集成等多种优点，非常适合搭建片上自检系统。附图说明图1为本专利技术中所述数字闭环加速度计片上在线自检测系统的结构示意图；图2为本专利技术中所述数字闭环加速度计片上在线自检测系统的小信号数学抽象模型；图3为本专利技术中所述数字闭环加速度计自检测方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，如图1所示，所述在线自检测系统800由MEMS敏感结构100、电荷放大器200、环路补偿器300、Sigma-Delta调制器400、数字自检测激励源500、数字运算单元600、数字信号处理模块700构成，其中：所述电容式MEMS敏感结构100由上电极101、质量块102、下电极103三个部分构成，所述上电极101与质量块102构成第一敏感电容CS1，所述下电极103与质量块102构成第二敏感电容CS2。当存在外界加速度时，所述第一敏感电容CS1、第二敏感电容CS2差分变化，小信号条件下，差分电容变化ΔC正比于输入加速度的大小ain。所述上电极101通过第五开关S5与零电位相连，通过第一开关S1与正电源+Vs相连，通过第三开关S3与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端Dout-相连。所述下电极103通过第六开关S6与零电位相连，通过第二开关S2与负电源-Vs相连，通过第四开关S4与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端Dout+相连。所述MEMS敏感结构100在所述控制开关S1～S6的控制下，分别在检测、力反馈、清零三个状态中切换，完成对外界物理加速度的感知，实现闭环静电力控制，并在控制结束后清除质量块上所受静电力。所述电荷放大器200由运算放大器201、反馈电容Cf和第十开关S10构成。所述反馈电容Cf与所述第十开关S10并联，跨接在所述运算放大器201的负输入端与输出端之间。所述运算放大器201的负输入端通过第九开关S9与所述敏感结构100的质量块102相连。所述运算放大器201的输出端与所述环路补偿器300的输入端相连。所述运算放大器201的正输入端与零电位相连。当在检测状态中，所述电荷放大器200与所述第一敏感电容CS1和第二敏感电容CS2构成电容式比例放大结构，所述电荷放大器200的输出电压正比于所述差分电容变化ΔC，实现差分电容变化ΔC到电压的转换。所述环路补偿器300由开关电容滤波器实现比例微分控制，为系统提供一定超前相位补偿，以避免发生环路震荡。所述环路补偿器300的输入端与所述电荷放大器200的输出端相连。所述环路补偿器300的输出端与所述Sigma-Delta调制器400的前馈输入端L0相连。所述Sigma-Delta调制器400抽象成由前馈网络和反馈网络组成的四端口网络。所述四端口网络具有两个输入端和两个输出端，分别为：前馈输入端L0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述在线自检测系统包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；所述上电极通过第三开关与所述Sigma‑Delta调制器的反相输出端相连，通过第一开关与正电源相连，通过第五开关与零电压相连；所述下电极通过第四开关与所述Sigma‑Delta调制器的同相输出端相连，通过第二开关与负电源相连，通过第六开关与零电压相连；所述中间质量块通过第九开关与电荷放大器的输入端相连，通过第八开关与负电源相连，通过第七开关与零电压相连；所述电荷放大器的输出端与环路补偿器的输入端相连；所述环路补偿器的输出端与Sigma‑Delta调制器的前馈输入端相连；所述Sigma‑Delta调制器的反馈输入端与数字运算单元的输出端相连；所述Sigma‑Delta调制器的同相输出端与所述数字信号处理模块的第一输入端相连；所述数字信号处理模块的第二输入端与数字自检测激励源的输出端相连；所述数字自检测激励源的输出端与数字运算单元的第一输入端相连；所述数字运算单元的第二输入端与Sigma‑Delta调制器的同相输出端相连；所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma‑Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。...

【技术特征摘要】
1.一种数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述在线自检测系统包括MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器、数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块，其中：所述MEMS敏感结构由上电极、中间质量块、下电极构成；所述上电极通过第三开关与所述Sigma-Delta调制器的反相输出端相连，通过第一开关与正电源相连，通过第五开关与零电压相连；所述下电极通过第四开关与所述Sigma-Delta调制器的同相输出端相连，通过第二开关与负电源相连，通过第六开关与零电压相连；所述中间质量块通过第九开关与电荷放大器的输入端相连，通过第八开关与负电源相连，通过第七开关与零电压相连；所述电荷放大器的输出端与环路补偿器的输入端相连；所述环路补偿器的输出端与Sigma-Delta调制器的前馈输入端相连；所述Sigma-Delta调制器的反馈输入端与数字运算单元的输出端相连；所述Sigma-Delta调制器的同相输出端与所述数字信号处理模块的第一输入端相连；所述数字信号处理模块的第二输入端与数字自检测激励源的输出端相连；所述数字自检测激励源的输出端与数字运算单元的第一输入端相连；所述数字运算单元的第二输入端与Sigma-Delta调制器的同相输出端相连；所述MEMS敏感结构、电荷放大器、环路补偿器、Sigma-Delta调制器构成闭环负反馈伺服系统；所述闭环负反馈伺服系统与数字自检测激励源、数字运算单元、数字信号处理模块构成数字闭环自检测电路。2.根据权利要求1所述的数字闭环加速度计片上在线自检测系统，其特征在于所述上电极与质量块构成第一敏感电容CS1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓为，陈东亮，尹亮，付强，张宇峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23