全驱动微型谐振器信号读出模拟电路的制作方法

本实用新型属于微型谐振器领域，涉及一种全驱动微型谐振器信号读出模拟电路。

背景技术：

近年来，微机电系统飞速发展，充分带动了相关的传感器产业发展。拥有2个振动模态的微型谐振器，即全驱动微型谐振器，是微机电传感器常见的机械结构。由于微型谐振器机械结构本身的诸多特性，导致了其在运行过程中，不可避免地会产生各类误差，诸如信号漂移等。究其原因，除微型谐振器机械结构本身导致的误差外，其信号读出装置同样会加剧误差影响。因此，对于微型谐振器信号读出装置的研究显得尤为重要。

经过调查发现，传统的微型谐振器信号读出方案，其前端电路的信号采集工作往往采用普通的放大器，对微型谐振器输出的信号进行采集。有的方案在传输过程中，采用了低通滤波，以便对高频噪声进行滤除。然而对于低频噪声造成的影响，并没有采取相关措施。此外，针对外部环境变化和谐振器悬臂梁蠕变等因素造成的谐振频段偏移问题，传统方案在信号读出层面未能予以有效解决。可见，传统的信号读出方案存在如下问题：

1.传统方案仅采用普通放大器对微型谐振器的输出信号进行提取采集，没有在最前端对噪声进行处理，导致噪声持续叠加在后级电路上，对信号传输产生影响。2.传统方案在放大器之后的传输电路中只进行了低通滤波，忽视了低频噪声对于信号读出信噪比的影响。由于传统方案未对各类噪声进行及时地、有效地处理，导致传统的微型谐振器信号读出装置输出信号的零偏稳定性、标度因数稳定性以及信噪比普遍有待提高。3.在实际运行过程中，由于外部恶劣环境的影响以及微型谐振器悬臂梁产生蠕变，其谐振频段会不断发生偏移，导致信号采集产生误差，传统方案对此问题并未有效处理。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种基于模拟电路方案实现的全驱动微型谐振器信号读出模拟电路，以便及时、有效地将各类噪声滤除，利于提高信号读出模拟电路的信噪比。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

全驱动微型谐振器信号读出模拟电路，包括通带可调采集器、乘法器、低通滤波器、减法器、加法器、锁相环、压控振荡器、增益控制电路以及谐振器驱动执行电路；

通带可调采集器有两个，即第一通带可调采集器和第二通带可调采集器；

乘法器有四个，分别为第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第四乘法器，每个乘法器均包括两个输入端以及一个输出端；

低通滤波器有四个，即第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器和第四低通滤波器；减法器有一个；加法器有两个，即第一加法器和第二加法器；

全驱动微型谐振器的输出端分别与每个通带可调采集器的输入端相连；

第一通带可调采集器的输出端有两个，分别连接至第一乘法器和第二乘法器的输入端；第二通带可调采集器的输出端有两个，分别连接至第三乘法器和第四乘法器的输入端；

第一乘法器的输出端与第一低通滤波器的输入端相连；第二乘法器的输出端与第二低通滤波器的输入端相连；第三乘法器的输出端与第三低通滤波器的输入端相连；

第四乘法器的输出端与第四低通滤波器的输入端相连；

第一低通滤波器的输出端分别连接至减法器和第二加法器的输入端；第三低通滤波器的输出端分别连接至减法器和第二加法器的另一个输入端；

第二低通滤波器和第四低通滤波器的输出端分别连接至第一加法器的输入端；

第一加法器和第二加法器的输出端分别连接至锁相环的输入端；

锁相环的输出端与压控振荡器的输入端以及两个通带可调采集器的频率信号端相连；

压控振荡器的输出端分别与增益控制电路和谐振器驱动执行电路的输入端相连；

增益控制电路的输出端有三个，分别连接至第一乘法器、第三乘法器和延时器的输入端；延时器的输出端分别连接至第二乘法器和第四乘法器的输入端；延时器为90度相位延时器；

谐振器驱动执行电路的输出端连接至微型谐振器的驱动接口；

减法器的输出端与信号读出模拟电路的信号输出端相连。

优选地，增益控制电路采用vga或pga；压控振荡器输出端与vga或pga的输入端相连；vga或pga的输出端三个，分别连接至第一乘法器、第三乘法器和延时器的输入端。

优选地，谐振器驱动执行电路采用vga或pga；压控振荡器的输出端与vga或pga的输入端相连；vga或pga的输出端连接至微型谐振器的驱动接口。

优选地，减法器的输出端与信号读出模拟电路的信号输出端之间还设有可变增益电路；

锁相环的输出端连接至可变增益电路，且用于向可变增益电路输出频率信号；可变增益电路包括pga、vga、可变分压电路或乘法器。

优选地，通带可调采集器包括通带可调采集器的机电接口输入端、加法器、电阻器、电容器、放大器、pga、mos管以及通带可调采集器的机电接口输出端；其中：

加法器有两个，即第三加法器和第四加法器；电阻器有三个，即第一电阻器、第二电阻器以及第三电阻器；电容器有两个，即第一电容器和第二电容器；

机电接口输入端以及第二电容器的输出端分别连接至第三加法器的输入端；第三加法器的输出端分别连接至第一电阻器和第一电容器的输入端；

第一电阻器的输出端连接至信号参考端；

第一电容器和可变电阻器件的输出端分别连接至第四加法器的输入端；第四加法器的输出端连接至放大器的反相输入端，放大器的同向输入端连接至信号参考端；

放大器的输出端分别连接至第二电阻器、第二电容器的输入端以及机电接口输出端；

第二电阻器的输出端分别与第三电阻器和可变电阻器件的输入端连接；

第三电阻器的输出端连接至信号参考端；

锁相环的输出端连接至pga的输入端，pga输出端连接至可变电阻器件的控制信号端。

优选地，放大器与机电接口输出端之间还设有可变增益电路；

锁相环的输出端连接至可变增益电路，且用于向可变增益电路输出频率信号；可变增益电路包括pga、vga、可变分压电路或乘法器。

优选地，机电接口输入端与第三加法器的输入端之间还设有等效输入电容；

其中，等效输入电容的输出端连接至信号参考端。

优选地，放大器的同向输入端与信号参考端之间设有传输阻抗；

放大器的同向输入端、传输阻抗以及信号参考端之间依次连接。

优选地，机电接口输入端与第三加法器的输入端之间还串联一个等效传输阻抗。

优选地，通带可调采集器包括第二电阻器寄生电容、第三电阻器寄生电容和第五加法器；

放大器的输出端与第二电阻器和第二电阻器寄生电容的输入端相连；

第二电阻器和第二电阻器寄生电容的输出端分别连接至第五加法器的输入端；

第五加法器的输出端分别与第三电阻器、第三电阻器寄生电容和可变电阻器件的输入端相连；第三电阻器寄生电容的输出端连接至信号参考端。

本实用新型具有如下优点：

如上所述，本实用新型提出了一种基于模拟电路方案实现的全驱动微型谐振器信号读出模拟电路，在电路的最前端对噪声进行及时有效地处理，避免噪声叠加在后级电路上，保证信号顺利传输。本实用新型将低频噪声和高频噪声同时滤除，利于提升信号读出电路的信噪比。由于本实用新型是基于模拟电路方案实现全驱动微型谐振器信号读出工作，因而器件功耗普遍较低，能够压低信号读出电路整体的功耗，适用于功耗要求较高的场合；此外，模拟器件所产生的电磁干扰较少，适用于电磁兼容性要求较高的领域；谐振器通过模拟电路进行调谐，能够达到较高的谐振频带宽度，本实用新型适用于对谐振器输出带宽要求较高的场合。

附图说明

图1为本实用新型实施例中全驱动微型谐振器信号读出模拟电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中通带可调采集器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中通带可调采集器更为详细的结构示意图；

其中，1a-第一通带可调采集器，1b-第二铜带可调采集器；2a-第一乘法器，2b-第二乘法器，2c-第三乘法器，2d-第四乘法器；3a-第一低通滤波器，3b-第二低通滤波器，3c-第三低通滤波器，3d-第四低通滤波器；4-减法器，5a第一加法器，5b-第二加法器；6-锁相环，7-压控振荡器，8-延时器，9-vga，10-可变增益电路；11-机电接口输入端，12-pga，13-mos管，14-机电接口输出端；15a-第三加法器，15b-第四加法器；16a-第一电阻器，16b-第二电阻器，16c-第三电阻器；17a-第一电容器，17b-第二电容器；18-放大器，19-等效输入电容，20-传输阻抗，21-等效传输阻抗，22-第二电阻寄生电容，23-第三电阻寄生电容，24-第五加法器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

实施例

本实施例述及了一种基于模拟电路方案实现的全驱动微型谐振器信号读出模拟电路。

如图1所示，该电路包括通带可调采集器、乘法器、低通滤波器、减法器、加法器、锁相环6、压控振荡器7、延时器8、增益控制电路以及谐振器驱动执行电路。

通带可调采集器有两个，即第一通带可调采集器1a和第二通带可调采集器1b。

乘法器有四个，分别为第一乘法器2a、第二乘法器2b、第三乘法器2c和第四乘法器2d，上面提到的每个乘法器均包括两个输入端以及一个输出端。

低通滤波器有四个，即第一低通滤波器3a、第二低通滤波器3b、第三低通滤波器3c和第四低通滤波器3d；减法器4有一个。加法器有两个，即第一加法器5a和第二加法器5b。

全驱动微型谐振器具有两个振动模态，即图1中示出的x模态和y模态。x模态和y模态分别进入谐振状态并输出信号至第一通带可调采集器1a和第二通带可调采集器1b。

以上两个通带采集器根据锁相环6输出的频率信号进行在线实时调整通带频段，从而在信号读出电路的最前端最大程度的滤除高频和低频噪声，以保证信号顺利传输。

第一通带可调采集器1a的输出端分别连接至第一乘法器2a和第二乘法器2b的输入端；第二通带可调采集器2a的输出端分别连接至第三乘法器2c和第四乘法器2d的输入端。

第一乘法器2a的输出端与第一低通滤波器3a的输入端相连。

同理，第二乘法器2b、第三乘法器2c、第四乘法器2d的输出端分别与第二低通滤波器3b、第三低通滤波器3c、第四低通滤波器3d的输入端相连，如图1所示。

第一低通滤波器3a的输出端分别连接至减法器4和第二加法器5b的输入端；第三低通滤波器3c的输出端分别连接至减法器4和第二加法器5b的另一个输入端。

第二低通滤波器3b和第四低通滤波器3d的输出端分别连接至第一加法器5a的输入端。第一加法器5a和第二加法器5b的输出端分别连接至锁相环6的输入端。

锁相环6的输出端与压控振荡器7的输入端以及两个通带可调采集器的频率信号端相连相连。锁相环6分别向压控振荡器7和每个通带可调采集器输出频率信号。

对于微型谐振器悬臂梁产生蠕变以及外部恶劣环境的影响所引发的谐振频段偏移问题，利用锁相环6对该频率进行追踪，并在线调整两个通带可调采集器的通带频段。

通过以上技术手段，能够最大程度地滤除高频和低频噪声，并能够有效采集实时变化谐振频段的谐振器输出信号，进而提升零偏稳定性和标度因数稳定性。

压控振荡器7的输出端与增益控制电路的输入端相连。压控振荡器7根据锁相环6输出的频率信号产生相应频率的正弦波振荡信号，进入增益控制电路进行幅值放大。

增益控制电路的输出端有三个，分别连接至第一乘法器2a、第三乘法器2c和延时器8的输入端。本实施例中增益控制电路优选采用vga9，即可变增益放大器。

当然，增益控制电路还可以采用pga，即可编程增益放大器，此处不再赘述。

本实施例中的延时器为90度相位延时器。

其中，延时器8的输出端分别连接至第二乘法器2b和第四乘法器2d的输入端。

谐振器驱动执行电路位于压控振荡器7与谐振器之间。

谐振器驱动执行电路的作用在于对压控振荡器7输出的正弦波信号进行幅值调整，然后将调整后的信号输送至微型谐振器的驱动接口，用于驱动微型谐振器的起振。

本实施例中谐振器驱动执行电路优选采用vga，vga的数量有一个或两个。当然，谐振驱动执行电路还可以采用pga，pga的数量有一个或两个。

本实施例在增加通带可调采集器后，会产生增益亏损。

为了补偿通带可调采集器的增益亏损，在减法器4的输出端与信号读出电路的信号输出端之间还设有可变增益电路10，用于补偿增益亏损。

具体的，锁相环6的输出端连接至该可变增益电路10。

可变增益电路10根据锁相环6输出的频率信号，对以上通带可调采集器通带频段调整所导致的增益亏损进行补偿，可变增益电路以模拟信号的形式将信号输出。

当然，可变增益电路10还可以设置在每个通带可调采集器内，具体在下文中会述及到。

可变增益电路可采用pga、vga、可变分压电路或乘法器等实现。

如图1所示，本实施例中全驱动微型谐振器信号读出模拟电路的工作过程如下：

1.1全驱动微型谐振器的x模态和y模态，分别进入谐振状态并输出信号至各自的通带可调采集器，通带可调采集器根据锁相环6输出的频率信号进行在线实时调整通带频段。

1.2在经过通带可调采集器后，能够将信号中的高频噪声和低频噪声同时滤除，避免噪声叠加在后级电路上，以保证信号的顺利传输，同时提高电路的信噪比。

在经过各自的通带可调采集器处理后，x模态的信号同时进入第一乘法器2a和第二乘法器2b；而y模态的信号同时进入第三乘法器2c和第二乘法器2d。

1.3压控振荡器7根据锁相环6输出的频率信号，产生相应频率的正弦波振荡信号，进入vga9，在vga内进行幅值放大，vga9同时输出3路相同的信号。

其中，两路同时输入至第一乘法器2a和第三乘法器2c，另外一路输入至延时器8，延时器同时输出两路相同的余弦波信号，同时输入至第二乘法器2b和第四乘法器2d。

1.4第一乘法器2a、第二乘法器2b、第三乘法器2c和第四乘法器2d的输出信号分别进入第一低通滤波器3a、第二低通滤波器3b、第三低通滤波器3c和第四低通滤波器3d。

四个乘法器的输出信号分别同时进入各自的低通滤波器，保留有效信号滤除高频信号。

1.5第一低通滤波器3a的输出信号与第三低通滤波器3c的输出信号在减法器4内做差运算，经过运算的计算结果输出到可变增益电路10，如图1所示。

可变增益电路10根据锁相环6输出的频率信号，对以上通带可调采集器通带频段调整所导致的增益亏损进行补偿(在上文已述及)，可变增益电路以模拟信号的形式将信号输出。

当然，可变增益电路10也可以设置在每个通带可调采集器内，此时，减法器4输出的信号直接到达信号读出电路的模拟信号输出端。

此时通带频段调整所导致的增益亏损补偿在通带可调采集器电路内实现，如图2所示。

1.6第一低通滤波器3a的输出信号与第三低通滤波器3c的输出信号在第二加法器5b内求和，计算结果输出至锁相环6的输入端；而第二低通滤波器3b的输出信号与第四低通滤波器3d的输出信号在第一加法器5a内求和，计算结果输出至锁相环6的输入端。

锁相环6根据以上两路求和信号，能够输出实时的频率信号。

1.7锁相环6产生的频率信号有多路，其中，有两路分别输入到通带可调采集器的频率信号端。各个通带可调采集器根据接收到的频率信号进行通带频段调整。

锁相环6产生的频率信号还可以输出到可变增益电路10(可变增益电路10位于模拟信号输出端之前或位于通带可调采集器内)，能够补偿通带频段调整所导致的增益亏损。

锁相环6产生的频率信号还有一路输入至压控振荡器7。压控振荡器7同时输出两路或三路正弦波信号，其中一路正弦波信号输入至vga9进行幅值放大。

压控振荡器7输出的信号还有一路或两路输入至谐振器驱动执行电路，进行幅值调整后输出至全驱动微型谐振器的驱动接口，用于驱动微型谐振器的起振。

如图2所示，通带可调采集器包括机电接口输入端11、加法器、电阻器、电容器、放大器、pga12、mos管13以及机电接口输出端14。其中：

加法器有两个，即第三加法器15a和第四加法器15b。

电阻器有三个，即第一电阻器16a、第二电阻器16b以及第三电阻器16c。

电容器有两个，即第一电容器17a和第二电容器17b。

机电接口输入端11以及第二电容器17b的输出端分别连接至第三加法15a器的输入端；第三加法器15a的输出端分别连接至第一电阻器16a和第一电容器17a的输入端。

第一电阻器16a的输出端连接至信号参考端，例如为模拟信号的零位参考。

第一电容器17a和mos管13的源极端分别连接至第四加法器15b的输入端；第四加法器15b的输出端连接至放大器18的反相输入端。

放大器18的同向输入端连接至信号参考端。放大器18的输出端分别连接至第二电阻器16b、第二电容器17b的输入端和机电接口输出端14。

第二电阻器16b的输出端分别与第三电阻器16c和mos管13的漏极端连接。

其中，mos管13的源极端与mos管13的漏极端分别作为可变电阻器件的两端。

第三电阻器16c的输出端连接至信号参考端。

锁相环6的输出端连接至pga12的输入端，并输出频率信号至pga12。pga12的输出端连接至mos管13的栅极端，mos管13的栅极端作为mos管的控制信号端。

pga输出指定范围内的电压值给mos管的栅极，使其工作在深三极管区。pga输出不同的电压信号，漏极和源极之间表现出不同的电阻特性，从而达到改变电阻阻值的目的。

当然，mos管13也可以替换成其他的可变电阻器件，例如jfet和电位器等。

若mos管13替换为电位器，则pga的输出端与电位器的信号接收端(控制信号端)连接，电位器呈现电阻特性的两个引脚分别与第二电阻器16b和第四加法器15b相连。

pga12输出不同的电压信号，使电位器改变电阻阻值。

在上文中提到，可变增益电路10也可以设置在通带可调采集器内，即可变增益电路10位于放大器18的输出端与机电接口输出端14之间，如图2所示。

本实施例中通带可调采集器的工作过程如下：

2.1微型谐振器的输出信号通过机电接口输入端11进入第三加法器15a，第三加法器15a的另一个输入信号为第二电容器17b的输出信号。

第三加法器15a同时输出2路信号，一路输入至第一电阻器16a，第一电阻器16a输出信号至信号参考端；另一路输入至第一电容器17a，第一电容器输出信号至第四加法器15b。

2.2第四加法器15b的另一个输入信号为mos管13的输出信号。第四加法器15b输出信号至放大器18的反相输入端。放大器18的同相输入端接到信号参考端。

2.3放大器18的输出信号同时输入至可变增益电路10、第二电容器17b、第二电阻器16b。其中，可变增益电路10根据频率信号改变增益，用于补偿采集器的增益亏损。

2.4第二电阻器16b同时输出信号至第三电阻器16c和mos管13。第三电阻器16c输出信号至信号参考端；mos管13输出信号至第四加法器15b。

2.5pga根据频率信号产生相应的电压信号，控制mos管13在深三极管区表现出不同的电阻特性，控制采集器系统传递函数的幅频特性，进而达到调整通带频段的目的。

本实用新型考虑了电阻器的噪声增益模型，电阻阻值、环境温度、信号频率、热温度系数等因素的影响。由于电阻器的噪声随着阻值、温度的增加而增加。

因此，在高温条件下，阻值较大的电阻会有更多噪声。

本实用新型设计了由mos管13、第二电阻器16b、第三电阻器16c构成的星形网络，通过压低阻值的方式减小电阻噪声增益，提升采集器的信噪比。

如图3所示，本实用新型充分考虑了各类因素对信号传输以及运算造成的影响，在采集器构成电路的基础上，考虑了一些非理想因素，构成了更为具体的通带可调采集器。

1.本实用新型考虑了由机电接口、元器件及其载体等客观因素所引起的杂散电容问题，由于杂散电容多数为并联关系，所以将其电容值相加，并在机电接口输入端11和第三加法器15a之间添加一个等效输入电容19，输入信号进入该等效输入电容19，并输出至信号参考端。该等效输入电容19对输入信号表现出电容器的性质。

2.本实用新型分析了放大器18的非理想因素，考虑到同相输入端与信号参考端之间的信号传输并不是零阻抗传输，因此，在放大器18的同相输入端和信号参考端之间加入传输阻抗20，放大器的同向输入端、传输阻抗20以及信号参考端之间依次连接。

3.本实用新型考虑了2路微型谐振器输出信号，在传输中的阻抗问题和信号延时问题，为了保证2路信号的并行数据采集并削弱信号延时的影响，在机电接口输入端11和第三加法器15a之间加入一个等效传输阻抗21，其对输入信号表现出电阻器的性质。

在实际电路中，本实用新型充分考虑了信号流通过程中因为高频信号反射等因素引起的阻抗变化，设计了合理传输阻抗，保证了2路通带可调采集器的传输阻抗相同。

4.本实用新型充分考虑了电阻器的非理想因素，其寄生电容作为一种容性阻抗，会影响信号的传输及运算。理论上应当在每一个电阻器上均并联一个寄生电容。

但是本实用新型考虑到运算的复杂性，对寄生电容的添加做了等效简化处理。

第一电阻器16a与等效输入电容近似并联，其寄生电容相当于与等效输入电容进行电容值相加，将其归入等效输入电容19中。在第二电阻器16b处添加第二电阻器寄生电容22，第二电阻器寄生电容22的输入端连接放大器18的输出端；在第三电阻器16c处添加第三电阻器寄生电容23，第三电阻器寄生电容23输出信号至信号参考端。在第二电阻器16b与第三电阻器16c之间添加第五加法器24。第二电阻器寄生电容22的输出端连接第五加法器的输入端，第二电阻器16b的输出端连接至第五加法器的输入端，第三电阻器寄生电容23的输入端、第三电阻器16c的输入端和mos管13的漏极端连接至第五加法器24输出端。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。