[发明专利]一种电容式微机械加速度计温度补偿系统及其方法

权利要求书

1.一种电容式微机械加速度计温度补偿系统，其特征在于包括电容式微机械加速度传感器、驱动信号产生电路、电容/电压转换电路、模拟带通滤波器、第一数/模转换器、模/数转换器、第二数/模转换器、第三数/模转换器和现场可编程门阵列芯片，电容式微机械加速度传感器的输出端与电容/电压转换电路的输入端连接，电容/电压转换电路的输出端与模/数转换器的输入端连接，模/数转换器的输出端与现场可编程门阵列芯片的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第一输出端与第一数/模转换器的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第二输出端与第二数/模转换器的输入端连接，现场可编程门阵列芯片的第三输出端与第三数/模转换器的输入端连接，第一数/模转换器的输出端与驱动信号产生电路的输入端连接，第二数/模转换器的输出端与模拟带通滤波器的输入端连接，驱动信号产生电路的输出端和模拟带通滤波器的输出端分别与电容式微机械加速度传感器的两个输入端连接；所述的现场可编程门阵列芯片内部完成载波产生/同步解调、谐振频率锁定和零偏温度补偿的功能，现场可编程门阵列芯片的第一输出端输出交流驱动信号，交流驱动信号经第一数/模转换器和驱动信号产生电路后输入电容式微机械加速度传感器，现场可编程门阵列芯片的第二输出端输出载波信号，载波信号经第二数/模转换器和模拟带通滤波器后输入电容式微机械加速度传感器，电容式微机械加速度传感器的输出信号经电容/电压转换电路转换成电压信号，经模/数转换器输入现场可编程门阵列芯片的输入端进行信号处理，电容式微机械加速度传感器的谐振频率随温度的变化可检测电容式微机械加速度传感器温度的变化，并作为电容式微机械加速度计系统输出信号的补偿参考信号进行温度补偿，温度补偿后的信号经现场可编程门阵列芯片的第三输出端由第三数/模转换器进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计温度补偿系统，其特征在于所述的电容式微机械加速度传感器包含静电驱动电极和位移检测电极。

3.一种使用如权利要求1所述系统的电容式微机械加速度计温度补偿方法，其特征在于它的步骤如下：

1）在时钟的控制下，现场可编程门阵列芯片的固定相位累加器输出周期性变化的相位值作为第一坐标旋转数字计算机算法模块的输入相位量z₀，输入相位量z₀是计算三角函数值的相位量；第一坐标旋转数字计算机算法模块的输入初始向量坐标值x₀设置为恒定的幅度控制常量，初始向量坐标值y₀设置为0，第一坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N和y_N分别给出输入相位量z₀的正弦和余弦函数值，其中第一坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N作为现场可编程门阵列芯片的第二输出端，实现载波产生，载波信号经第二数/模转换器和模拟带通滤波器后输入电容式微机械加速度传感器，用以对电容式微机械加速度传感器的微弱电容信号进行调制，调制后的微弱电容信号经电容/电压转换电路转换成电压信号，电压信号作为待解调信号，由模/数转换器输入现场可编程门阵列芯片的输入端；在时钟的控制下，现场可编程门阵列芯片的固定相位累加器输出的相位值与自动相位控制器输出的相位值通过相位修正器输出与待解调信号同步的相位，所述待解调信号即现场可编程门阵列芯片的输入端输入的信号，相位修正器输出的相位值作为第二坐标旋转数字计算机算法模块的输入相位量z₀，输入相位量z₀是计算三角函数值的相位量；第二坐标旋转数字计算机算法模块的输入初始向量坐标值x₀设置为待解调信号，初始向量坐标值y₀设置为0；第二坐标旋转数字计算机算法模块的输出y_N经第二数字低通滤波器后输入自动相位控制器，自动相位控制器通过将第二数字低通滤波器的输出信号控制在零值附近使得相位修正器输出的相位值与待解调信号的相位保持同步，完成同步解调；第二坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N经第一数字低通滤波器后输出加速度检测信号；第二坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N经数字带通滤波器后输出驱动位移检测信号；

2）在时钟的控制下，现场可编程门阵列芯片的可变相位累加器根据初始累加步长输出周期性变化的相位值作为第三坐标旋转数字计算机算法模块的输入相位量z₀，输入相位量z₀是计算三角函数值的相位量；第三坐标旋转数字计算机算法模块的输入初始向量坐标值x₀设置为一恒定的幅度控制常量，初始向量坐标值y₀设置为0，第三坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N和y_N分别给出输入相位量z₀的正弦和余弦函数值，其中第三坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N作为现场可编程门阵列芯片的第一输出端，完成交流驱动信号产生，交流驱动信号经第一数/模转换器和驱动信号产生电路后输入电容式微机械加速度传感器，用以驱动电容式微机械加速度传感器振动；可变相位累加器输出的相位值同时作为第四坐标旋转数字计算机算法模块的输入相位量z₀，输入相位量z₀是计算三角函数值的相位量；第四坐标旋转数字计算机算法模块的输入初始向量坐标值x₀设置为如步骤1）所述的驱动位移检测信号，初始向量坐标值y₀设置为0；第四坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N和y_N分别经过第三数字低通滤波器和第四低通滤波器后输入反正切相位求解器，反正切相位求解器输出驱动位移检测信号当前的相位值并作为环路控制器的输入；环路控制器将驱动位移检测信号当前的相位值与电容式微机械加速度计谐振时对应的相位值进行对比控制，将控制后的信号输入频率调整器，频率调整器根据输入信号调整可变相位累加器的累加步长，即更新第三坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N输出信号的频率，并将新的累加步长输入至可变相位累加器，同时也作为频率表征信号输出，可变相位累加器根据新的相位累加步长进行相位周期性累加，在整个环路的作用下，可使第三坐标旋转数字计算机算法模块的输出x_N输出信号的频率锁定在电容式微机械加速度传感器的谐振频率上，完成谐振频率锁定；

3）补偿量求解器根据补偿量与如步骤2）所述的频率表征信号的关系，由频率表征信号求解出补偿量，补偿量求解器的输出与如步骤1）所述的加速度检测信号作为加法器的两个输入端，加法器完成零偏温度补偿，加法器的输出作为现场可编程门阵列芯片的第三输出端，由第三数/模转换器输出电容式微机械加速度计温度补偿系统的输出信号。