一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計閉環驅動控制和頻率檢測電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子機械和微慣性器件測控技術領域，具體涉及一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計閉環驅動控制和頻率檢測電路。
【背景技術】
[0002]加速度計起源于20世紀60年代，如今經過50余年的發展，已經被成功地應用在了航空航天、制導、機器人等等軍事或民事領域，具有廣闊的發展和應用前景，在高精度測量領域應用尤其廣泛。諧振式加速度計是包含了一個或多個諧振梁的加速度計。作為加速度計中的新興力量，硅微諧振式陀螺儀更是成為了熱門研究對象。硅微諧振式陀螺儀具有體積小、成本低、功耗小、精度高、靈敏度高等優點，非常適合于應用在軍事及民事領域。并且，硅微諧振式加速度計還可以直接數字化輸出，給后續的研究、調試、使用都提供了很大的便利，并且帶領了加速度計向數字化方向發展。目前在國外，硅微諧振式加速度計的技術已經漸趨成熟，中等精度的硅微加速度計已經接近慣導水平。1997年美國Draper實驗室提出了硅微諧振式加速度計的概念，并且一直處于業界領先地位。而在國內，北京大學、清華大學、東南大學、中國物理工程研究院等科研單位也在該領域取得了一定的研究成果。
[0003]然而，以往的加速度計都只能測量一個方向的加速度，在市場需求的要求下，研制出高精度的雙軸加速度計已成為必然趨勢。

【發明內容】

[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計閉環驅動控制和頻率檢測電路，包括四路電路，可以同時測量兩個方向上的加速度，解決了現有技術的不足。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計閉環驅動控制和頻率檢測電路，其特征在于:包括四路加速度計驅動控制和頻率檢測電路;所述四路電路結構相同，每一路均包括雙軸硅微諧振式加速度計、前置放大電路、幅度控制電路、相位控制電路、調制控制電路和測頻電路;每一路電路的雙軸硅微諧振式加速度計的輸出相位依次相差90° ;
[0006]每一路電路上的雙軸硅微諧振式加速度計的輸出信號傳送至前置放大電路，前置放大電路將放大后的信號分別傳送至相位控制電路和幅度控制電路，相位控制電路和幅度控制電路分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送給調制控制電路，調制控制電路生成驅動信號傳送至雙軸硅微諧振加速度計，同時相位控制電路將信號傳送給測頻電路;雙軸硅微諧振式加速度計的輸出相位相差180°的兩路測頻電路的信號傳送給同一個差頻電路進行差分，測得頻率差。
[0007]進一步的，所述前置放大電路包括電容信號器和放大器;交流信號與直流偏電壓置疊加對力矩器產生激勵，使力矩器梳齒產生位移，位移通過電容信號器轉換為電容變化，電容信號器再將信號傳送至前置放大器；
[0008]所述相位控制電路包括移相器和鎖相環，前置放大器將放大后的信號傳送至移相器，移相器的輸出信號傳遞至鎖相環；幅度控制電路包括整流器、比較器和積分控制器;移相器將信號傳送至整流器，經過整流器處理的信號在比較器中與參考電壓進行比較并在積分控制器中積分，積分控制器輸出的信號與鎖相環輸出的信號同時輸入乘法器的兩個輸入端，乘法器的輸出信號與直流偏置電壓進行疊加，形成回路，繼續對力矩器產生激勵;鎖相環輸出端的另一路信號輸入至測頻電路進行測頻。
[0009]進一步的，包括整流器電路;所述整流器電路包括電阻R20、電阻R21、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R25、二極管D1、二極管D2、放大器U9A和放大器U9B ；
[0010]所述整流器電路輸入信號連接到電阻R20，電阻R20另一端分為兩路，一路依次連接電阻R21和電阻R27，另一路依次連接電阻R26和電阻R28;電阻R27和電阻R27的接入二極管D2的基極;二極管D2的發射極連接至二極管D1基極和放大器U9A輸出端;二極管D1發射極連接到電阻R26、電阻R28和放大器U9A負輸入端，放大器U9A正輸入端接地，電阻R21同時連接電阻R25和放大器U9B負輸入端，放大器U9B正輸入端接地，電阻R25另一端接放大器U9B輸出端;放大器U9B輸出端為整流器電路輸出端。
[0011 ] 進一步的，所述積分控制器的電路包括電阻R23，電阻R22，電阻R39，電容C21，電容C22，電容C28，電容C35，電容C36，放大器U10A;
[0012]輸入信號連接至電阻R23，電阻R23分別連接至電阻R22、電容C21和放大器U10A負輸入端；電阻R22另一端通過電容C22后連接至放大器U10A輸出端；電容C21另一端連接至電容C22;放大器U10A正輸入端連接電阻R39和電容C36，電阻R39和電容C36另一端接地;放大器U10 A輸出端為積分控制器的電路輸出端。
[0013]進一步的，所述乘法器的電路包括乘法器U7，電阻R15、電阻R31、電阻R33、電阻R35、電阻R38、電容C37、電容C29 ；
[0014]輸入信號分別連接到電阻R15和電阻R33;電阻R15連接在乘法器U7的XI輸入端；電阻R33連接乘法器U7的Y1輸入端；電阻R31 —端接地，另一端連接在乘法器U7的X2輸入端;乘法器U7的Y2輸入端接地；電容C37—端接地，另一端同時連接在_8電源和乘法器U7的V-端；電容C29—端接地，另一端同時連接電源-8和乘法器U7的V+端；電阻R35—端接乘法器U7的W輸出端另一端接乘法器U7的Z輸入端；電阻R38—端接乘法器U7的Z輸入端，另一端接地;乘法器U7的W輸出端為該乘法器的電路輸出端。
[0015]有益效果:本發明電路具體具有以下優點:
[0016]1)該電路能夠實時測量兩個垂直方向的加速度，彌補了以往的單軸加速度計只能夠對單一方向的加速度值進行測量的缺陷，很好地滿足了當代汽車、航空以及電子等專業方面對加速度計的需求；
[0017]2)該電路成功地集成了多套激振電路、測頻電路以及差頻電路，很好地解決了多套電路難以集成這一大難題；
[0018]3)該電路體積小、成本低、功耗小、精度高、靈敏度高、可數字化輸出；
[0019]4)在兩個方向加速度的測量中，該電路對兩者進行了彼此獨立的閉環控制。兩個方向的測量互不影響，因而得以最大程度地降低了兩個軸向的耦合，這一設計也有利于后續的調試。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的原理框圖；
[0021]圖2是本發明的一軸一個上閉環驅動控制電路詳細原理框圖；
[0022]圖3是本發明的整流器電路電路圖；
[0023]圖4是本發明的積分控制器電路電路圖；
[0024]圖5是本發明的乘法電路電路圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0026]如圖1所示為一種單芯片雙軸集成硅微諧振式加速度計閉環驅動控制和頻率檢測電路，其特征在于:包括四路加速度計驅動控制和頻率檢測電路;所述四路電路結構相同，每一路均包括雙軸硅微諧振式加速度計、前置放大電路、幅度控制電路、相位控制電路、調制控制電路和測頻電路;每一路電路的雙軸硅微諧振式加速度計的輸出相位依次相差90°;
[0027]每一路電路上的雙軸硅微諧振式加速度計的輸出信號傳送至前置放大電路，前置放大電路將放大后的信號分別傳送至相位控制電路和幅度控制電路，相位控制電路和幅度控制電路分別將相位控制信號和幅度控制信號傳送給調制控制電路，調制控制電路生成驅動信號傳送至雙軸硅微諧振加速度計，同時相位控制電路將信號傳送給測頻電路;雙軸硅微諧振式加速度計的輸出相位相差180°的兩路測頻電路的信號傳送給同一個差頻電路進行差分，測得頻率差。
[0028]如圖2所示，進一步的，所述前置放大電路包括電容信號器和放大器;交流信號與直流偏電壓置疊加對力矩器產生激勵，使力矩器梳齒產生位移，位移通過電容信號器轉換為電容變化，電容信號器再將信號傳送至前置放大器；
[0029]所述相位控制電路包括移相器和鎖相環，前置放大器將放大后的信號傳送至移相器，移相器的輸出信號傳遞至鎖相環；幅度控制電路包括整流器、比較器和積分控制器;移相器將信號傳送至整流器，經過整流器處理的信號在比較器中與參考電壓進行比較并在積分控制器中積分，積分控制器輸出的信號與鎖相環輸出的信號同時輸入乘法器的兩個輸入端，乘法器的輸出信號與直流偏置電壓進行疊加，形成回路，繼續對力矩器產生激勵;鎖相環輸出端的另一路信號輸入至測頻電路進行測頻。
[0030]如圖3所示，進一步的，包括整流器電路;所述整流器電路包括電阻R20、電阻R21、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R25、二極管D1、二極管D2、放大器U9A和放大器U9B ；
[0031]所述整流器電路輸入信號連接到電阻R20，電阻R20另一端分為兩路，一路依次連接電阻R21和電阻R27，另一路依次連接電阻R26和電阻R28;電阻R27和電阻R27的接入二極管D2的基極;二極管D2的發射極連接至二極管D1基極和放大器U9A輸出端;二極管D1發射極連接到電阻R26、電阻R28和放大器U9A負輸入端，放大器U9A正輸入端接地，電阻R21同時連接電阻R25和放大器U9B負輸入端，放大器U9B正輸入端接地，電阻R25另一端接放大器U9B輸出端;放大器U9B輸出端為整流器電路輸出端。
[0032]如圖4所示，進一步的，所述積分控制器的電路包括電阻R22，電阻R39，電容C21，電容C22，電容C28，電容C35，電容C36，放大器U10A;
[0033]輸入信號連接至電阻R23，電阻R23分別連接至電阻R22、電容C21和放大器U10A負輸入端；電阻R22另一端通過電容C22后連接至放大器U10A輸出端；電容C21另一端連接至電容C22;放大器U10A正輸入端連接電阻R39和電容C36，電阻R39和電容C36另一端接地;放大器U10 A輸出端為積分控制器的電路輸出端。
[0034]如圖5