一种电容式接口闭环控制读出电路的制作方法

1.本发明涉及微电机控制技术领域，尤其涉及一种电容式接口闭环控制读出电路。


背景技术：

2.mems（微机电系统）凭借其灵敏度高、噪声低、漂移小、体积小、成本低的优势广泛应用于传感器领域，例如惯性量测量、压力测量等。在mems结构内集成微小质量块（10-7g量级），质量块感测物理量后发生位移，从而引起相应电容量的变化，电路可以检测这种电容变化从而测取相应物理量数据；这种方式称之为电容式检测方式，例如经典mems加速度计，其结构示意图和等效电路图（如图1）。因此，这类传感器结构需要接口电路才能将被测物理量转化为电信号，接口电路需要采取一系列措施提高器件的精度和可靠性；经典的电容式接口电路（如图2）一般都为开环控制方式，已难以满足高精度和高可靠性的技术需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是要提供一种电容式接口闭环控制读出电路。
4.为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：本发明包括电容电压转换电路及与所述电容电压转换电路相连的可编程放大器a,电容电压转换电路的输入端作为单轴加速度读出电路的信号输入端，可编程放大器a的输出端与可调增益放大器、可调积分放大器和可调微分放大器的输入端连接，所述可调增益放大器的输出端与可编程放大器b连接，可调积分放大器的输出与可编程放大器c连接，可调微分放大器的输出端与可编程放大器d连接，所述可编程放大器b、所述可编程放大器c和所述可编程放大器d的输出端与加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与可编程放大器e的输入端连接，所述可编程放大器e的输出端与电压反馈放大器的输入端连接，所述可编程放大器a、所述可编程放大器b、所述可编程放大器c、所述可编程放大器d和所述可编程放大器e的输出端与信号通道选择器的输入端连接，所述信号通道选择器的输出端与低通滤波器的输入端连接。
5.进一步，所述可编程放大器a、所述可编程放大器b、所述可编程放大器c、所述可编程放大器d和所述可编程放大器e均具有低通滤波功能，电路参数均能够通过系统存储器进行调节配置，以满足不同类型传感器的需求。
6.进一步，所述电压反馈放大器能够多种电压幅度输出，通过静电力平衡的方式实现闭环控制进一步，所述可调增益放大器、可调积分放大器和可调微分放大器构成的pid控制，通过串行、混合型和并行方式实现。
7.进一步，所述信号通道选择器信号从不同电路节点输出，用以满足不同类型器件的需求，控制方法通过引脚配置或通过存储器配置来实现。
8.本发明的有益效果是：本发明是一种电容式接口闭环控制读出电路，与现有技术相比，本发明通过pid控
制和电压反馈的方式实现系统闭环控制，从而实现器件高系统精度和高可靠性的要求。同时系统pid等参数和信号输出位置均可调整，极大方便各类传感器系统级集成。且信号输出位置可通过引脚或者存储器信号选择配置。
附图说明
9.图1为经典mems加速度计内部结构示意图和等效电路图；图2为经典传感器读出电路结构；图3为本发明所述电容式接口闭环控制读出电路的一种具体实施方式示意图；图4为本发明所述信号通道选择器的一种具体实施方式示意图；图5为本发明所述系统结构质量块受力分析示意图。
10.1-检测电极正，2-检测梳齿，3-弹性支撑梁，4-锚点（固定体），5-驱动电极正，6-驱动梳齿，7-驱动电极负，8-检测电极负，9-质量块；cd 为驱动正等效电容，cd-为驱动负等效电容，cs 为检测正等效电容，cs-为检测负等效电容。11-电容接口电路检测输入端，12-电路信号输出端；c2v为电容电压转换电路，pga&lpf为具有低通滤波功能的可编程增益放大器。001-电容接口电路检测输入端，002-电容接口电路驱动输出端，003-电路信号输出端，004-电路输出位置选择配置输入端；c2v为电容电压转换电路，pga&lpf-a/b/c/d/e具有低通滤波功能的可编程增益放大器，pid-p为可调增益放大器，pid-i为可调积分放大器，pid-d为可调微分放大器，add为加法器，mux为信号通路选择器，lpf为低通滤波放大器，vfb为信号反馈放大器。21～25
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可选择的输入通道，26-输出通道，27-通道选择配置输入端，28-开关组。fe-静电力，fa-惯性力。
具体实施方式
11.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
12.如图3所示：本发明包括电容电压转换电路c2v及与所述电容电压转换电路c2v相连的可编程放大器pga&lpf-a,电容电压转换电路c2v的输入端作为单轴加速度读出电路的信号输入端001，可编程放大器pga&lpf-a的输出端与可调增益放大器pid-p、可调积分放大器pid-i和可调微分放大器pid-d的输入端连接，所述可调增益放大器pid-p的输出端与可编程放大器pga&lpf-b连接，可调积分放大器pid-i的输出与可编程放大器pga&lpf-c连接，可调微分放大器pid-d的输出端与可编程放大器pga&lpf-d连接，所述可编程放大器pga&lpf-b、所述可编程放大器pga&lpf-c和所述可编程放大器pga&lpf-d的输出端与加法器add的输入端连接，所述加法器add的输出端与可编程放大器pga&lpf-e的输入端连接，所述可编程放大器pga&lpf-e的输出端与电压反馈放大器vfb的输入端连接，所述可编程放大器pga&lpf-a、所述可编程放大器pga&lpf-b、所述可编程放大器pga&lpf-c、所述可编程放大器pga&lpf-d和所述可编程放大器pga&lpf-e的输出端与信号通道选择器mux的输入端连接，所述信号通道选择器mux的输出端与低通滤波器lpf的输入端连接，vfb的输出通过信号端口002接传感器的反馈端口；lpf的输出通过信号端口003将传感器信号电压输出。信号通道选择信号通过信号端口004输入。
13.pid控制器的典型传输函数如下式所示：
从pid传输函数可以看出，pid控制主要有三项，p为比例放大项，主要提供一个全频段增益，在电路中由pid-p实现；i为积分项，主要提供极大的低频增益，提高闭环系统低频控制精度，在电路中由pid-i实现；d为微分项，主要提供稳定性补偿，其中s为频率，n为微分项滤波参数，用于改善稳定性，在电路中由pid-d实现。其中p、i、d、n在电路设计为可配置，都可以通过存储器进行定制化配置。
14.其中，信号通道选择器mux对电路电压信号的输出进行选择，根据控制信号不同，可以选择pga&lpf-a、pga&lpf-b、pga&lpf-c、pga&lpf-d、pga&lpf-e输出传感器电压信号。
15.如图4所示给出信号通道选择器mux的一个具体实施方式，图5中，左侧为输入信号端1-5，上侧控制信号端7，右侧为输出信号端6，mux由5个开关连接组成选择逻辑，根据控制信号的不同，选择在不同的输出端输出信号。
16.闭环控制时，此时vfb将差分电压信号施加在传感器的反馈驱动电极上，形成驱动力以抵消被测惯性力，形成力平衡状态，如图5结构质量块受力分析示意图所示。当器件受力影响时，质量块受力fs而向下运动；反馈电压信号分别施加在反馈上极板和反馈下极板，此时上极板施加大电压，下极板施加小电压，在质量块上形成的静电合力fe与质量块受力大小相等方向相反，将质量块拉至平衡位置即上极板和下极板正中间，最终两个力相等，此时质量块处于力平衡位置，系统就会处理稳定状态，此时系统的输出与系统输入力呈正比关系。
17.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。