[发明专利]一种电容式惯性传感器数字伺服电路

说明书

本发明提供一种电容式惯性传感器数字伺服电路，包括电容式传感器、读出放大电路，模数转换器(ADC)，数字环路滤波器，多位量化器和脉冲宽度调制发生器。所述电容式传感器、读出放大电路，模数转换器(ADC)，数字环路滤波器，多位量化器和脉冲宽度调制发生器依次连接并构成回路。该电容式惯性传感器数字伺服电路采用数字环路滤波器，具有高的灵活性和精确性；采用多位量化器，实现多位量化，具有小的量化噪声、高线性度和高负载比；采用脉冲宽度调制发生器，产生差分的力反馈控制信号，来实现多位力反馈控制，可以大大的减小普通多位数模转换器(DAC)引入的非线性，并且提高对共模噪声的抑制能力。

技术领域

本发明属于传感器控制技术领域，具体涉及一种电容式惯性传感器数字伺服电路。

背景技术

电容式惯性传感器一般包括加速度传感器和陀螺仪等惯性传感器，由这些惯性传感器实时测量运载体相对于地面运动的加速度等参数，以确定运载体的位置和地球重力场参数，并将被测量的变化转化为电容的变化。

下面以MEMS(Micro Electro Mechanical System)电容式惯性传感器为例进行介绍。

随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的日益成熟，MEMS电容式惯性传感器由于具有体积小、灵敏度高、直流特性稳定、漂移小、功耗低、温度系数小等优点被广泛的运用，然而MEMS电容式惯性传感器的电容变化小，所以要求MEMS电容式惯性传感器伺服电路具有精度高，线性度好，动态范围大等特性。

现有MEMS电容式惯性传感器伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构，从输出信号分为模拟信号输出和数字信号输出。开环结构的电容式惯性传感器伺服电路在稳定性、线性度和动态范围等性能上都不如闭环结构的电容式惯性传感器伺服电路；数字信号输出的电容式惯性传感器伺服电路方便后续处理，如信号处理，储存，传输都比模拟信号方便，同时数字信号抗干扰能力强，所以下面主要分析MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路。

现有技术：现有MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路被最广泛运用的结构是单量化器1位反馈sigma-delta调制器(参见图2)。它包含读出放大电路，环路滤波器，比较器和1位力反馈控制信号发生器。其中读出放大电路将电容式惯性传感器电容的变化转换为电压的变化；环路滤波器将读出放大电路的输出信号进行处理，实现噪声的整形和整个闭环回路的稳定；比较器将环路滤波器的输出信号量化成1位的数字信号输出，以便于后续处理，同时输入给1位力反馈控制信号发生器；1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号。整个闭环回路实现对MEMS电容式惯性传感器的检测，并且数字化输出。这个结构的MEMS电容式惯性传感器数字闭环伺服电路存在以下一些缺点：

由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中的环路滤波器是用模拟电路实现的，而环路滤波器对数字闭环伺服电路的稳定性和噪声整形效果至关重要，所以对环路滤波器的参数精确性和匹配性要求高。然而由于MEMS制造工艺的复杂性和特殊性，MEMS电容式惯性传感器自身参数的准确性较差，分散性大，往往导致原本匹配好的环路滤波器变得不匹配，轻者导致数字闭环伺服电路性能下降，重者导致数字闭环伺服电路不稳定，无法正常工作；用模拟电路实现的环路滤波器由于集成电路加工的误差和寄生效应的存在，导致环路滤波器的参数精确性比较差，难于准确控制。

由于单量化器1位反馈sigma-delta调制器中使用比较器及1位力反馈控制信号发生器产生力反馈控制信号，所以这个数字闭环伺服电路具有量化噪声比较大，线性度较差，稳定性较差，实际最大检测量占整个系统设计量程的比例小等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度，高线性度，大动态范围的电容式惯性传感器数字伺服电路。

本发明的技术方案如下：一种电容式惯性传感器数字伺服电路，所述伺服电路包括：