一种三轴加速度计开关切换校零机电sigma-delta闭环系统

本发明涉及加速度计数字测控，具体的，涉及一种三轴加速度计开关切换校零机电sigma-delta闭环系统。

背景技术：

1、加速度计是惯性导航系统的重要器件之一，是用来测量物体相对于惯性空间线性加速度的装置，被广泛的应用于航空、航天、航海等领域。随着微机电技术的发展，硅微机械加速度计由于其体积小、功耗低以及可大批量生产等特点，应用范围迅速扩大，基于mems技术的电容式微机械加速度计以其重量轻、体积小、可集成化批量生产和低成本等优点在航空、航天、导弹等军工领域以及汽车安全、地质勘探、消费电子等民用领域都具有广泛应用前景，开环工作的电容式微加速度计存在很多缺点，主要是动态范围小，带宽窄，线性度较差等，而模拟闭环工作方式不仅难以精确控制，而且易导致“吸附”现象的发生，采用sigma-delta modulator(σδm)闭环力反馈工作方式可以很容易控制微机械敏感元件使其始终工作在中间位置，不仅能够有效解决开环和模拟闭环微加速度计的缺点，而且直接完成信号的模数转换输出脉宽密度调制的数字信号。但是，受限于加工技术，现阶段加速度计的电容存在一定程度的不匹配误差，极大影响零位输出以及线性度。在此背景下，研究加速度计误差在线检测及校零方案成为热点，能够极大提高加速度计性能水平，扩展其应用范围。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对加工封装的加速度计结构，其内部电容由于加工精度及封装应力，容值与设计电容值存在一个无法确定的偏差，该偏差极大影响加速度检测的零位以及线性度，最终恶化加速度计性能。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

3、一种三轴加速度计开关切换校零机电sigma-delta闭环系统，其特征在于，所述系统包括加速度计结构、开关切换电路、机电sigma-delta闭环控制回路以及数字处理电路：

4、所述加速度计结构用于产生随加速度计变化的差分电容以及静电力反馈电容；

5、所述开关切换电路用于根据控制信号更改输入引脚与输出引脚的连接方式；

6、所述机电sigma-delta闭环控制回路用于检测电容变化生成含有电容变化大小的比特流信号；

7、所述数字处理电路包含产生开关切换控制信号的信号发生电路，以及对比特流信号滤波解算加速度的信号解算电路。

8、作为本发明的进一步改进，所述加速度计结构引脚与开关切换电路输入引脚连接，所述开关切换电路输出引脚与机电sigma-delta闭环控制回路引脚连接，机电sigma-delta闭环控制回路输出引脚与数字处理电路输入引脚连接，数字处理电路输出引脚与开关切换电路控制引脚连接，对机电sigma-delta闭环控制回路的输出信号进行滤波补偿，得到输入加速度；数字处理电路产生控制信号到开关切换电路，实现开关切换电路输入引脚与输出引脚的连接方案选择，实现加速度计结构器件和机电sigma-delta闭环控制回路的连接。

9、作为本发明的进一步改进，所述加速度计结构包括x轴、y轴和z轴加速度计结构，且各个加速度计结构均由质量块、固定框架、弹性梁以及四个电极引脚组成，其中，质量块与固定框架通过弹性梁连接，z轴加速度计结构的四个电极引脚与质量块形成电容c113、电容c114、电容c115和电容c116。

10、作为本发明的进一步改进，所述机电sigma-delta闭环控制回路包含一个电容电压转换模块，一个相位补偿器模块，一个电子滤波器模块以及一个量化器模块，电容信号依次经过电容电压转换模块、相位补偿模块、电子滤波器模块以及量化器模块。

11、作为本发明的进一步改进，所述电容电压转换模块包括但不限于开关电容电压转换电路、环形二极管电容电压转换电路以及跨导放大电容电压转换电路。

12、作为本发明的进一步改进，所述电子滤波器模块包括但不限于与单环电子滤波器、多阶噪声整形电子滤波器结构。

13、作为本发明的进一步改进，所述量化器模块的转换位数为1～2bit。

14、校零补偿方法步骤如下：

15、s1：通过控制信号，将z轴电容式加速度计连接到开关切换电路1，结构中电容c113与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c115与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c114与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c116与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

16、s2：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度az1；

17、s3：通过控制信号，将z轴电容式加速度计结构中电容c114与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c115与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c113与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c116与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

18、s4：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度az2；

19、s5：通过控制信号，将z轴电容式加速度计结构中电容c114与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c115与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c113与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c115与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

20、s6：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度az3；

21、s7：通过控制信号，将z轴电容式加速度计结构中电容c113与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c116与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c114与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c115与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

22、s8：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度az4；

23、s9：依据加速度az1、az2、az3、az4，解算电容c113、c114、c115、c116之间的非理想误差系数，对加速度输出进行补偿，最终解算低误差加速度输出az。

24、s10：通过控制信号，将y轴电容式加速度计连接到开关切换电路1，结构中电容c123与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c125与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c124与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c126与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

25、s11：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ay1；

26、s12：通过控制信号，将y轴电容式加速度计结构中电容c124与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c125与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c123与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c126与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

27、s13：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ay2；

28、s14：通过控制信号，将y轴电容式加速度计结构中电容c124与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c125与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c123与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c125与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

29、s15：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ay3；

30、s16：通过控制信号，将y轴电容式加速度计结构中电容c123与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c126与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c124与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c125与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

31、s17：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ay4；

32、s18：依据加速度ay1、ay2、ay3、ay4，解算电容c123、c124、c125、c126之间的非理想误差系数，对加速度输出进行补偿，最终解算低误差加速度输出ay。

33、s19：通过控制信号，将x轴电容式加速度计连接到开关切换电路1，结构中电容c133与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c135与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c134与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c136与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

34、s20：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ax1；

35、s21：通过控制信号，将x轴电容式加速度计结构中电容c134与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c135与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c133与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c136与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

36、s22：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ax2；

37、s23：通过控制信号，将x轴电容式加速度计结构中电容c134与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c135与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c133与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c135与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

38、s24：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ax3；

39、s25：通过控制信号，将x轴电容式加速度计结构中电容c133与机电sigma-delta闭环控制回路in+引脚连接，电容c136与机电sigma-delta闭环控制回路in-引脚连接，电容c134与机电sigma-delta闭环控制回路out+引脚连接，电容c135与机电sigma-delta闭环控制回路out-引脚连接；

40、s26：通过数字处理电路，解算机电sigma-delta闭环控制回路比特流输出加速度ax4；

41、s27：依据加速度ax1、ax2、ax3、ax4，解算电容c133、c134、c135、c136之间的非理想误差系数，对加速度输出进行补偿，最终解算低误差加速度输出ax。

42、本发明的有益效果在于：通过数字处理电路改变开关切换电路连接方式，实现加速度计结构器件内部误差的在线校准与补偿。