專利名稱：一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及溫度補償系統(tǒng)，尤其涉及一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)及其方法。
背景技術：
微機械加速度計因其體積小、功耗低、可批量產(chǎn)生等優(yōu)點，逐漸在民用甚至軍用領域得到重視。相比于其他類型加速度計，電容式微機械加速度計還具有檢測簡單、檢測靈敏度高、對溫度變化相對不敏感等優(yōu)點，即便如此，溫度還是影響電容式微機械加速度計檢測精度的一個重要因素，增加溫度補償對于提高電容式微機械加速度計的精度非常重要?，F(xiàn)有技術中的電容式微機械加速度計溫度補償裝置將溫度傳感器固定在電容式微機械加速度傳感器上，用以測量電容式微機械加速度傳感器的溫度變化，并將溫度傳感器的輸出與加速度信號進行算法補償，得到溫度補償后的加速度信號?，F(xiàn)有的電容式微機械加速度計的溫度補償裝置需要額外增加溫度傳感器。其中溫度傳感器可以是熱敏電阻，也可以是集成溫度傳感器?，F(xiàn)有的溫度補償裝置若要實現(xiàn)溫度補償?shù)墓δ?，需要預先精確測量所使用的熱敏電阻的電阻值與溫度之間的函數(shù)關系或集成溫度傳感器的輸出電壓與溫度之間的函數(shù)關系，以及電容式微機械加速度計中低通濾波器的輸出電壓與溫度之間的函數(shù)關系，在此基礎上構(gòu)建溫度補償模型，設置溫度補償電路中補償算法的相關參數(shù)，從而實現(xiàn)溫度補償?shù)墓δ?。溫度傳感器增加了系統(tǒng)硬件的復雜性， 并且熱敏電阻和集成溫度傳感器在測量溫度時其自身會引入一定的測量誤差，同時由于電容式微機械加速度傳感器的尺寸在毫米量級，而將其封裝起來的金屬管殼的尺寸在厘米量級，因此在封裝內(nèi)部存在一定的溫度梯度，而溫度補償裝置中的溫度傳感器置于加速度傳感器金屬管殼的外表面，因此溫度傳感器所測量得到的溫度不能夠準確的反映電容式微機械加速度傳感器的真實溫度，即溫度的測量值存在一定的誤差。因此，現(xiàn)有的溫度補償裝置無法達到較高的補償精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)及其方法。電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)包括電容式微機械加速度傳感器、驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬帶通濾波器、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片，電容式微機械加速度傳感器的輸出端與電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端與第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端與第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端與第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸入端連接，第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與模擬帶通濾波器的輸入端連接，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸出端和模擬帶通濾波器的輸出端分別與電容式微機械加速度傳感器的兩個輸入端連接；所述的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部完成載波產(chǎn)生/同步解調(diào)、諧振頻率鎖定和零偏溫度補償?shù)墓δ?，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端輸出交流驅(qū)動信號，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端輸出載波信號，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，電容式微機械加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端進行信號處理，電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化可檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償，溫度補償后的信號經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進行輸出ο所述的電容式微機械加速度傳感器包含靜電驅(qū)動電極和位移檢測電極。電容式微機械加速度計溫度補償方法的步驟如下
1)在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出周期性變化的相位值作為第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ztl,輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出^和 yN分別給出輸入相位量Ztl的正弦和余弦函數(shù)值，其中第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端，實現(xiàn)載波產(chǎn)生，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以對電容式微機械加速度傳感器的微弱電容信號進行調(diào)制，調(diào)制后的微弱電容信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號作為待解調(diào)信號，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端； 在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出的相位值與自動相位控制器輸出的相位值通過相位修正器輸出與待解調(diào)信號同步的相位，所述待解調(diào)信號即現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端輸入的信號，相位修正器輸出的相位值作為第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ztl，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為待解調(diào)信號，初始向量坐標值I0設置為0 ；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出yN經(jīng)第二數(shù)字低通濾波器后輸入自動相位控制器，自動相位控制器通過將第二數(shù)字低通濾波器的輸出信號控制在零值附近使得相位修正器輸出的相位值與待解調(diào)信號的相位保持同步，完成同步解調(diào)；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ經(jīng)第一數(shù)字低通濾波器后輸出加速度檢測信號；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ經(jīng)數(shù)字帶通濾波器后輸出驅(qū)動位移檢測信號；
2)在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的可變相位累加器根據(jù)初始累加步長輸出周期性變化的相位值作為第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量ζο，輸入相位量 Z0是計算三角函數(shù)值的相位量；第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值 X0設置為一恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ和yN分別給出輸入相位量Z0的正弦和余弦函數(shù)值，其中第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出ΧΝ作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端，完成交流驅(qū)動信號產(chǎn)生，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以驅(qū)動電容式微機械加速度傳感器振動；可變相位累加器輸出的相位值同時作為第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ζο，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為如步驟1)所述的驅(qū)動位移檢測信號，初始向量坐標值％設置為0 ；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xl^PyN分別經(jīng)過第三數(shù)字低通濾波器和第四低通濾波器后輸入反正切相位求解器， 反正切相位求解器輸出驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值并作為環(huán)路控制器的輸入；環(huán)路控制器將驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值與電容式微機械加速度計諧振時對應的相位值進行對比控制，將控制后的信號輸入頻率調(diào)整器，頻率調(diào)整器根據(jù)輸入信號調(diào)整可變相位累加器的累加步長，即更新第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn輸出信號的頻率，并將新的累加步長輸入至可變相位累加器，同時也作為頻率表征信號輸出，可變相位累加器根據(jù)新的相位累加步長進行相位周期性累加，在整個環(huán)路的作用下，可使第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn輸出信號的頻率鎖定在電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率上，完成諧振頻率鎖定；
3)補償量求解器根據(jù)補償量與如步驟2)所述的頻率表征信號的關系，由頻率表征信號求解出補償量，補償量求解器的輸出與如步驟1)所述的加速度檢測信號作為加法器的兩個輸入端，加法器完成零偏溫度補償，加法器的輸出作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端，由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)的輸出信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的有益效果是
1)本發(fā)明利用電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化來檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償。因此不需要熱敏電阻或集成溫度傳感器來測量電容式微機械加速度傳感器的溫度，降低了溫度補償成本。2)本發(fā)明由于不需要熱敏電阻或集成溫度傳感器，因此排除了溫度測量誤差對補償精度的影響，提高了溫度補償精度。3)本發(fā)明的溫度補償裝置由于不需要在電容式微機械加速度傳感器上安裝使用溫度傳感器，避免了電容式微機械加速度傳感器的封裝內(nèi)因存在溫度梯度而造成的溫度測量誤差，進一步提高了溫度補償精度。


圖1是本發(fā)明中的電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)的裝置連接關系圖。圖2是本發(fā)明中的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部載波產(chǎn)生/同步解調(diào)的實現(xiàn)框圖。圖3是本發(fā)明中的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部諧振頻率鎖定的實現(xiàn)框圖。圖4是本發(fā)明中的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部零偏溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)框圖。
具體實施例方式電容式微機械加速度傳感器敏感外界的加速度信號，并將加速度信號轉(zhuǎn)換為電容的變化，通過電容/電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器內(nèi)部的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，并經(jīng)后級的處理電路即可得到輸入加速度信號的大小，從而實現(xiàn)對加速度的檢測。由于電容式微機械加速度傳感器的關鍵單元是電容，但當溫度改變時，電容的容值會發(fā)生變化，從而會引起系統(tǒng)零偏輸出信號的變化，影響電容式微機械加速度計系統(tǒng)對真實加速度信號的檢測。為了降低溫度對電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的影響，就需要采用有效的溫度補償方法來提高電容式微機械加速度計系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。電容式微機械加速度傳感器是一個彈簧一質(zhì)量塊一阻尼二階系統(tǒng)，本身存在諧振頻率，該諧振頻率由系統(tǒng)彈性系數(shù)和可動質(zhì)量塊質(zhì)量決定。當溫度改變時，可動質(zhì)量塊質(zhì)量不發(fā)生變化，但系統(tǒng)彈性系數(shù)會發(fā)生變化，因而電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率會隨溫度的變化而發(fā)生變化。利用電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率與溫度之間的關系，將諧振頻率的變化作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號，實現(xiàn)無溫度傳感器的溫度補償。該溫度補償裝置由于不需要熱敏電阻或集成溫度傳感器，因此排除了溫度測量誤差對補償精度的影響，同時避免了加速度傳感器的封裝內(nèi)因存在溫度梯度而造成的溫度測量誤差，提高了溫度補償精度。如圖1所示，電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)包括電容式微機械加速度傳感器、驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬帶通濾波器、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片，電容式微機械加速度傳感器的輸出端與電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端與第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端與第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端與第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸入端連接，第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與模擬帶通濾波器的輸入端連接，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸出端和模擬帶通濾波器的輸出端分別與電容式微機械加速度傳感器的兩個輸入端連接；所述的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部完成載波產(chǎn)生/同步解調(diào)、諧振頻率鎖定和零偏溫度補償?shù)墓δ?，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端輸出交流驅(qū)動信號，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器， 現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端輸出載波信號，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，電容式微機械加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端進行信號處理，電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化可檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償，溫度補償后的信號經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進行輸出；
所述電容式微機械加速度傳感器包含靜電驅(qū)動電極和位移檢測電極，均為差分電容結(jié)構(gòu)，載波信號經(jīng)模擬帶通濾波器的濾波和放大后，輸入電容式微機械加速度傳感器的位移檢測電極的差分公共端，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出的靜電驅(qū)動信號輸入電容式微機械加速度傳感器的靜電驅(qū)動電極，從而電容式微機械加速度傳感器的位移檢測電極能同時敏感因外界加速度輸入和靜電力所引起的位移，并經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號進行后級信號處理。
電容式微機械加速度計溫度補償方法的步驟如下
1)如圖2所示，在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出周期性變化的相位值作為第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量ζο，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值^設置為恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出^和yN分別給出輸入相位量Ztl的正弦和余弦函數(shù)值，其中第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端，實現(xiàn)載波產(chǎn)生，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以對電容式微機械加速度傳感器的微弱電容信號進行調(diào)制，調(diào)制后的微弱電容信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號作為待解調(diào)信號，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端；在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出的相位值與自動相位控制器輸出的相位值通過相位修正器輸出與待解調(diào)信號同步的相位，所述待解調(diào)信號即現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端輸入的信號，相位修正器輸出的相位值作為第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量ζο，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量； 第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xo設置為待解調(diào)信號，初始向量坐標值％設置為0 ；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出yN經(jīng)第二數(shù)字低通濾波器后輸入自動相位控制器，自動相位控制器通過將第二數(shù)字低通濾波器的輸出信號控制在零值附近使得相位修正器輸出的相位值與待解調(diào)信號的相位保持同步，完成同步解調(diào)；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ經(jīng)第一數(shù)字低通濾波器后輸出加速度檢測信號；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ經(jīng)數(shù)字帶通濾波器后輸出驅(qū)動位移檢測信號；
第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn和yN經(jīng)數(shù)字低通濾波器后是兩路正交的解調(diào)結(jié)果，通過將第二數(shù)字低通濾波器的輸出信號控制在零值附近，則根據(jù)三角函數(shù)正交解調(diào)的原理，第一數(shù)字低通濾波器的輸出信號即為待解調(diào)信號的同步解調(diào)結(jié)果；待解調(diào)信號同時包含外界加速度信息和電容式微機械加速度傳感器的振動信息，第一數(shù)字低通濾波器用以濾出外界加速度信息得到加速度檢測信號，數(shù)字帶通濾波器用以濾出電容式微機械加速度傳感器的振動信息得到驅(qū)動位移信號，其中心頻率設置在電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率附近；自動相位控制器采用比例——積分控制器；
2)如圖3所示，在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的可變相位累加器根據(jù)初始累加步長輸出周期性變化的相位值作為第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量 zQ，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為一恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ和yN分別給出輸入相位量Ztl的正弦和余弦函數(shù)值，其中第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端， 完成交流驅(qū)動信號產(chǎn)生，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以驅(qū)動電容式微機械加速度傳感器振動；可變相位累加器輸出的相位值同時作為第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ζο，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為如步驟1)所述的驅(qū)動位移檢測信號，初始向量坐標值％設置為0 ；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn和yN分別經(jīng)過第三數(shù)字低通濾波器和第四低通濾波器后輸入反正切相位求解器，反正切相位求解器輸出驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值并作為環(huán)路控制器的輸入；環(huán)路控制器將驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值與電容式微機械加速度計諧振時對應的相位值進行對比控制，將控制后的信號輸入頻率調(diào)整器，頻率調(diào)整器根據(jù)輸入信號調(diào)整可變相位累加器的累加步長，即更新第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出xN輸出信號的頻率，并將新的累加步長輸入至可變相位累加器，同時也作為頻率表征信號輸出，可變相位累加器根據(jù)新的相位累加步長進行相位周期性累加，在整個環(huán)路的作用下，可使第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出XN輸出信號的頻率鎖定在電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率上，完成諧振頻率鎖定；
電容式微機械加速度傳感器諧振時對應的驅(qū)動位移檢測信號的相位值由開環(huán)下掃頻測得；環(huán)路控制器采用比例——積分控制器；
3)如圖4所示，補償量求解器根據(jù)補償量與如步驟2)所述的頻率表征信號的關系，由頻率表征信號求解出補償量，補償量求解器的輸出與如步驟1)所述的加速度檢測信號作為加法器的兩個輸入端，加法器完成零偏溫度補償，加法器的輸出作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端，由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)的輸出信號。 如步驟1)所述的加速度檢測信號可表示為= +，其中是由外
部加速度輸入產(chǎn)生的敏感信號，Bias(T)是電容式微機械加速度計系統(tǒng)的零偏輸出信號， 是溫度的函數(shù)；如步驟2)所述的頻率表征信號也是溫度的函數(shù)，表示為=,
其中/re^是電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率，是溫度的函數(shù)，α是頻率表征信號與電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率之間的比例系數(shù)；補償量求解器的求解運算為 -Bms(Jm-l(Jfmiα》，實中Jm-1Q是電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率和溫度的反
函數(shù)；加法器的輸出為念冗+ 郎(T)-5!啦(//^(及漢/ α))=獻,完成了溫度補償?shù)墓δ堋?br> 權利要求
1.一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)，其特征在于包括電容式微機械加速度傳感器、驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬帶通濾波器、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片，電容式微機械加速度傳感器的輸出端與電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端與第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端與第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端與第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸入端連接，第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出端與模擬帶通濾波器的輸入端連接，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的輸出端和模擬帶通濾波器的輸出端分別與電容式微機械加速度傳感器的兩個輸入端連接；所述的現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部完成載波產(chǎn)生/同步解調(diào)、諧振頻率鎖定和零偏溫度補償?shù)墓δ?，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端輸出交流驅(qū)動信號， 交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端輸出載波信號，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，電容式微機械加速度傳感器的輸出信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端進行信號處理，電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化可檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償，溫度補償后的信號經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端由第三數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器進行輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述的電容式微機械加速度傳感器包含靜電驅(qū)動電極和位移檢測電極。
3.一種使用如權利要求1所述系統(tǒng)的電容式微機械加速度計溫度補償方法，其特征在于它的步驟如下1)在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出周期性變化的相位值作為第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ztl,輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出^和 yN分別給出輸入相位量Ztl的正弦和余弦函數(shù)值，其中第一坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第二輸出端，實現(xiàn)載波產(chǎn)生，載波信號經(jīng)第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模擬帶通濾波器后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以對電容式微機械加速度傳感器的微弱電容信號進行調(diào)制，調(diào)制后的微弱電容信號經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號作為待解調(diào)信號，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端； 在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的固定相位累加器輸出的相位值與自動相位控制器輸出的相位值通過相位修正器輸出與待解調(diào)信號同步的相位，所述待解調(diào)信號即現(xiàn)場可編程門陣列芯片的輸入端輸入的信號，相位修正器輸出的相位值作為第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ztl，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為待解調(diào)信號，初始向量坐標值I0設置為0 ；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出yN經(jīng)第二數(shù)字低通濾波器后輸入自動相位控制器，自動相位控制器通過將第二數(shù)字低通濾波器的輸出信號控制在零值附近使得相位修正器輸出的相位值與待解調(diào)信號的相位保持同步，完成同步解調(diào)；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn經(jīng)第一數(shù)字低通濾波器后輸出加速度檢測信號；第二坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn經(jīng)數(shù)字帶通濾波器后輸出驅(qū)動位移檢測信號；2)在時鐘的控制下，現(xiàn)場可編程門陣列芯片的可變相位累加器根據(jù)初始累加步長輸出周期性變化的相位值作為第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ζο，輸入相位量 Z0是計算三角函數(shù)值的相位量；第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值 X0設置為一恒定的幅度控制常量，初始向量坐標值％設置為0，第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ和yN分別給出輸入相位量Z0的正弦和余弦函數(shù)值，其中第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出ΧΝ作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第一輸出端，完成交流驅(qū)動信號產(chǎn)生，交流驅(qū)動信號經(jīng)第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動信號產(chǎn)生電路后輸入電容式微機械加速度傳感器，用以驅(qū)動電容式微機械加速度傳感器振動；可變相位累加器輸出的相位值同時作為第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入相位量Ζο，輸入相位量Ztl是計算三角函數(shù)值的相位量；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸入初始向量坐標值Xtl設置為如步驟1)所述的驅(qū)動位移檢測信號，初始向量坐標值％設置為0 ；第四坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xl^PyN分別經(jīng)過第三數(shù)字低通濾波器和第四低通濾波器后輸入反正切相位求解器， 反正切相位求解器輸出驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值并作為環(huán)路控制器的輸入；環(huán)路控制器將驅(qū)動位移檢測信號當前的相位值與電容式微機械加速度計諧振時對應的相位值進行對比控制，將控制后的信號輸入頻率調(diào)整器，頻率調(diào)整器根據(jù)輸入信號調(diào)整可變相位累加器的累加步長，即更新第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出χΝ輸出信號的頻率，并將新的累加步長輸入至可變相位累加器，同時也作為頻率表征信號輸出，可變相位累加器根據(jù)新的相位累加步長進行相位周期性累加，在整個環(huán)路的作用下，可使第三坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機算法模塊的輸出Xn輸出信號的頻率鎖定在電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率上，完成諧振頻率鎖定；3)補償量求解器根據(jù)補償量與如步驟2)所述的頻率表征信號的關系，由頻率表征信號求解出補償量，補償量求解器的輸出與如步驟1)所述的加速度檢測信號作為加法器的兩個輸入端，加法器完成零偏溫度補償，加法器的輸出作為現(xiàn)場可編程門陣列芯片的第三輸出端，由第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)的輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)及其方法，電容式微機械加速度計溫度補償系統(tǒng)包括電容式微機械加速度傳感器、驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路、模擬帶通濾波器、第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片，電容式微機械加速度計溫度補償方法包括載波產(chǎn)生/同步解調(diào)、諧振頻率鎖定和零偏溫度補償三個步驟。本發(fā)明利用電容式微機械加速度傳感器的諧振頻率隨溫度的變化來檢測電容式微機械加速度傳感器溫度的變化，并作為電容式微機械加速度計系統(tǒng)輸出信號的補償參考信號進行溫度補償。本發(fā)明降低溫度補償成本，排除溫度測量誤差對補償精度的影響，提高溫度補償精度。
文檔編號G01P15/125GK102435774SQ201110402038
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者劉義東, 朱輝杰, 胡世昌, 金仲和 申請人:浙江大學