基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法，包括交流电桥、与交流电桥连接的调制载波源与电路模块，电路模块包括仪表放大器、输入自举电路和负电源自举电路。本发明专利技术采用基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法，考虑加速度计表头差动电容不对称性、电路寄生电容等相关影响，引入自举电路，并且选用较低阻值的器件实现高输入阻抗，提升电路可靠性和增益稳定性；通过在放大器输入端引入“自举电容Cm”减小一级放大器同相端与反相端之间低电容传感器电压损耗；在放大器负电源端引入负电源自举电路减小一级放大器同相输入端和负电源供电之间寄生电容；同时为保证放大器稳定性，引入低通滤波器。通滤波器。通滤波器。

【技术实现步骤摘要】
基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法


[0001]本专利技术涉及一种石英挠性加速度计差动电容读出技术，尤其涉及一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法。

技术介绍

[0002]石英挠性加速度计是一种力平衡式闭环伺服控制加速度计，主要应用在高精度惯性领域，其工作原理为：外部输入加速度引起石英摆片发生摆动，产生微小的位移，进而引起差动电容的容值改变；伺服回路测量差动电容值，然后计算反馈力并将反馈电流作用到力矩线圈上，来抵消输入的惯性力矩。
[0003]在伺服回路中，检测表头内差动电容传感器的本质目的是实现对摆片偏转角的测量，因此差动电容的检测精度对加速度计的分辨力、稳定性和线性度等性能指标起着决定性的作用。目前比较成熟的差动电容检测方法主要有桥式电容检测电路和开关型电容检测电路等。
[0004]桥式电容检测电路主要有三角波电流桥调制型检测电路、双载波桥式调制型检测电路和单载波桥式调制型检测电路。
[0005]三角波电流桥调制型检测方法检测原理简单，但仅能实现约0.01pF的差动电容检测分辨率，限制了石英挠性加速度计的测量分辨率。
[0006]双载波桥式调制型差动电容检测电路采用两路频率相同、相位相反的高频载波信号分别对两个被测电容进行充放电，采用单检流器实现前置电荷放大。这种电容检测方法电路结构简单，无需对称电路结构，避免了电路元器件不一致性带来的测量误差。但是，该方法要求两路载波信峰值电压完全相等、频率完全相等、相位相反，实现这种双路载波信号难度极大且效果通常不理想。
[0007]开关型电容检测电路利用电子开关控制差动电容的充放电过程，将差动电容变化信息转换为模拟电压或直接转换为数字信号输出。但是开关型检测电路对充放电时序要求比较高，电子开关在断开和闭合过程中容易对模拟电路引入较多的噪声和干扰，不适合进行高精度的差动电容检测。
[0008]综上所述，对于传统的石英挠性加速度计差动电容检测电路普遍存在分辨率低、噪声大等问题，导致加速度计及惯导系统测量精度受限，难以达到理想精度。

技术实现思路

[0009]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路及检测方法，考虑加速度计表头差动电容不对称性、电路寄生电容等相关影响，引入自举电路。通过在放大器输入端引入“自举电容Cm”减小一级放大器同相端与反相端之间低电容传感器电压损耗；在放大器负电源端引入负电源自举电路减小一级放大器同相输入端和负电源供电之间寄生电容；并联合石英挠性加速度计表头与电路结构，搭建全桥电路，相比于电流型差动电容检测方案，精度更高、分辨率更高并且噪声更小。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路，包括交流电桥、与交流电桥连接的调制载波源与电路模块，电路模块包括仪表放大器、输入自举电路和负电源自举电路；
[0011]调制载波源，用于为电桥电容读出提高载波信号；
[0012]仪表放大器，用于实现双路作差并完成前级放大；
[0013]输入自举电路和负电源自举电路，用于抑制分布参数的影响。
[0014]所述负电源自举电路，包括一级放大器、二级放大器和低通滤波器，目的为减小一级放大器同相输入端和负电源供电之间寄生电容；一级放大器APM1的反相端经自举电容C
m
连接调制载波源，一级放大器APM1的同相端和反相端之间经分流电阻R
dc
连接；一级放大器APM1的输出端与一级放大器APM1的反相端连接，一级放大器APM1的输出端还与二级放大器APM2的同相端经低通滤波器的滤波电阻R
lp
连接，二级放大器APM2的同相端与滤波电阻之间还连接有低通滤波器的滤波电容C
lp
的一端，滤波电容C
lp
的另一端接地，二级放大器的的反相端与二级放大器APM2的输出端连接，二级放大器APM2的输出端经反馈电容C
n
与一级放大器的负极电源接口连接；滤波电阻与一级放大器之间还连接有输出电路。
[0015]基于交流电桥的超高分辨率差动电容检测方法，包括以下步骤：
[0016]S1、搭建基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路并实现集成：
[0017]联合加速度计内部结构形式和检测电路模块，搭建全桥检测组件，并根据石英加速度计工作原理将检测电路与加速度计表头集成；
[0018]S2、针对检测电路模块，采用分部测试的方案完成的验证：
[0019]固定反馈驱动，使得表头输出恒定位移或电容差值，测量检测电路输出的电压信号，联合电容基准评估测量噪声及分辨率。
[0020]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]1)联合石英挠性加速度计表头与电路结构，搭建全桥电路。相比于电流型差动电容检测方案，精度更高、分辨率更高并且噪声更小(检测分辨率达到1μg量级)。
[0022]2)通过引入具有高抗干扰特性的自举电路来抑制寄生电容的影响，包括输入寄生电容和电源寄生效应等。并且选用较低阻值的器件实现高输入阻抗，提升电路可靠性和稳定性。
[0023]3)采用电参数仿真联合实际样件集成测试的方式，一方面选取可达较好抑制效果、较高电路稳定性的器件参数，另一方面验证电路组件的检测效果。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的电路原理图。
[0025]图2为基于交流电桥的差动电容检测电路原理图。
[0026]图3为自举高输入阻抗放大器电路原理图。
[0027]图4为负电源自举电路改进示意图。
[0028]图5为负电源自举电路对C
p2
抑制效果图。
[0029]图6为数字闭环石英挠性加速度计差动电容检测全桥电路组装过程图。
[0030]图7为本专利技术的模拟测试结果图。
具体实施方式
[0031]下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。
[0032]图1为本专利技术的电路原理图，如图1所示，一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路，其特征在于：包括交流电桥、与交流电桥连接的调制载波源与电路模块，电路模块包括仪表放大器、输入自举电路和负电源自举电路；
[0033]调制载波源，用于为电桥电容读出提高载波信号；
[0034]仪表放大器，用于实现双路作差并完成前级放大；
[0035]输入自举电路和负电源自举电路，用于抑制分布参数的影响。
[0036]考虑加速度计表头差动电容不对称性、电路寄生电容等相关影响，引入自举电路。通过“自举电容C
m”减小一级放大器同相端与反相端之间低电容传感器电压损耗；所述负电源自举电路，包括一级放大器、二级放大器和低通滤波器，目的为减小一级放大器同相输入端和负电源供电之间寄生电容；在实际电路中，负电源引入反馈将引起放大器不稳定，因此引入低通滤波器。具体为一级放大器APM1的同相端与交流电桥相连，一级放大器APM1的反相端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于交流电桥的差动电容超高分辨率检测电路，其特征在于：包括交流电桥、与交流电桥连接的调制载波源与电路模块，电路模块包括仪表放大器、输入自举电路和负电源自举电路；调制载波源，用于为电桥电容读出提高载波信号；仪表放大器，用于实现双路作差并完成前级放大；输入自举电路和负电源自举电路，用于抑制分布参数的影响。所述负电源自举电路，包括一级放大器、二级放大器和低通滤波器，目的为减小一级放大器同相输入端和负电源供电之间寄生电容；一级放大器APM1的反相端经自举电容C
m
连接调制载波源，一级放大器APM1的同相端和反相端之间经分流电阻R
dc
连接；一级放大器APM1的输出端与一级放大器APM1的反相端连接，一级放大器APM1的输出端还与二级放大器APM2的同相端经低通滤波器的滤波电阻R
lp
连接，二级...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉龙俊，朱志方，张春熹，黄琬莹，宋来亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：