(南阳理工学院 信息化培植与管理中央，河南 南阳473004)
为了知足用户的不同运用需求，设计了一种带数模稠浊输出的加速度计系统。通过外围掌握旗子暗记来选择仿照闭环输出或者数字闭环输出。系统测试表明加速度计的量程为±3 g，仿照输出带宽大于2 kHz，噪声密度小于-100 dBV/√Hz；数字输出带宽大于1 400 Hz，噪声密度小于2 μg/√Hz。
数模稠浊输出；闭环；加速度计；噪声密度
中图分类号：TN79
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166586
中文引用格式：刘晓慧，刘克成. 一种带数模稠浊输出的加速度计系统设计和验证[J].电子技能运用，2017，43(11)：31-33.
英文引用格式：Liu Xiaohui, Liu Kecheng. Design and verification of an accelerometer system with mixed analog and digital output[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：31-33.
0 弁言
高性能微机器系统（MEMS）加速度计被用于各种消费市场和军事领域，如惯性导航与制导、GPS赞助导航、云台掌握、平台稳定。近年来由于微机器加速度计的低噪声、低功耗、低本钱和高灵敏度特性，高精度的电容式加速度计日益遍及起来[1-2]。
虽然微机器加工水平不断提高，但是依然无法肃清敏感构造加工过程中产生的偏差。为了尽可能地降落由于微机器加工工艺不稳定带来的偏差，希望同一款芯片能够供应尽可能多的可调节手段，这样当敏感构造由于加工偏差导致参数偏移时，可以通过后续的外部参数调节来进行补偿或者校正；同时为了适应不同的运用处景和客户需求，同一款芯片该当具备多功能输出[3]。对付高精度电容衰落机器加速度计而言，可以通过外围器件掌握实现系统的仿照输出与数字输出选择，这样就能知足不同的客户需求。仿照输出和数字输出功能具有各自的优缺陷：通过比较开环仿照输出和闭环仿照输出可以验证敏感构造的参数特性，同时仿照输出经由大略的滤波就可以实现高精度输出，不须要大规模的数字滤波器占用芯片面积。能够供应数字输出功能的微机器加速度计芯片无需后级高精度AD对仿照输出进行采样，自然降落了整体的功耗，也能提高系统精度。同时数字微机器加速度计芯片对敏感构造的参数偏差相对而言不那么敏感[4-6]。
本文为了实现带数模稠浊输出的微机器加速度计芯片，设计了通用的前级电荷放大器、输出和反馈掌握以及时序掌握电路，为仿照输出通路设计了PID电路、低通滤波器等，为数字输出通路设计了积分器电路和一位的AD、DA电路。本设计末了经由了流片实验结果的验证。
1 电路设计
本设计方案的框图如图1所示，图中包含仿照敏感构造的差分电容对CS1和CS2及掌握开关S1~S4，低噪声电荷放大器电路A1及掌握开关S5~S6，采样保持电路及掌握开关（CC、CH、S7~S8、A2），输出选择掌握、积分器、1位AD及DA、PID单元、低通滤波器(LPF)、缓冲器A3、反馈掌握和开关S9。敏感构造通过键合线和芯片电连接，开关S1~S4在掌握时钟的浸染下实现旗子暗记的调制，低噪声电荷放大器电路A1和采样保持电路一起实现旗子暗记的解调，通过电容CC、开关S7和S8的干系双采样技能实现了低频噪声的肃清。输出掌握电路通过CMOS开关来选择数字通路和仿照通路。数字通路上旗子暗记经由两级积分器电路和1 bit A/D实现数字输出，积分器、敏感构造、1 bit D/A反馈构成的环路具有四阶噪声整形能力。仿照通路上PID（比例-积分-微分）掌握器用来调节环路增益和相位，调度系统的稳定性，通过片外电阻、电容的选择来针对不同的敏感构造进行参数配置，增加系统的适配性和灵巧性。PID的输出经由低通滤波器后输出高精度仿照旗子暗记。跟随器电路A2、A3实现旗子暗记的隔离和增强驱动能力。
图2是前级电荷放大器和积分器电路的运放事理图。单级折叠共源共栅运放相对付两级运放而言功耗较小，同时70 dB以上的增益也能知足系统的设计哀求。采取开关电容共模反馈构造能进一步降落功耗。由于后级积分器电路的噪声能够被前级整形，以是采样电容值无需太大，因此可以降落运放的负载，降落电流花费。跟随器和PID中的运放哀求比较大的增益，因此采取两级折叠共源共栅构造来供应较大的直流增益，能有效提高系统的线性度，降落失落真。同时第二级输出的摆幅比较大，能知足系统较大的输出动态范围。本文设计的两级运放直流增益大于100 dB，带宽约为4 MHz。
如图3所示的PID能为系统供应额外的电学阻尼，尤其是当敏感构造阻尼系数较低时，就须要PID供应电学阻尼来坚持电学系统的稳定性。从理论上来讲，PID给闭环传输函数引入一个位于-KD/KP的零点来补偿系统的阻尼比，个中KD=-1/R2C2，KP=-R3/R2。
由于积分器的输出旗子暗记摆幅不大，以是积分器电路中的运放也采取单级折叠共源共栅构造，可以有效减少整体的功耗。由于积分器的噪声可以被前级整形，因此其采样电容和积分电容可以等比例缩放，只要坚持电容比不变即可。对付1位AD来说，大略来讲便是采取锁存比较器来实现。本设计的采样频率为250 kHz，对付比较器速率的哀求不高，须要关注的是比较器的精度。
2 测试
芯片PAD采取硅铝丝键合和基板进行电连接。采取片外晶振在片内进行分频，分别给前级电荷检测部分和后级积分器供应时钟。电源电压3.3 V，参考电压±1.65 V，为了降落设计难度，敏感构造采取常压封装的三明治构造，理论上的机器噪声小于1 μg/√Hz。由于采取了非真空封装，以是数字输出通路上无需采取相位补偿器进行相位补偿。为了只管即便减少外界环境滋扰对测试结果的影响，对丈量系统进行减震处理[7]。通过开关选择数字通路输出有效，用逻辑剖析仪采集加速度计系统的数字输出码流，在MATLAB标准程序中对262 144点数据进行处理，其数字输出频谱如图4所示。经由减震处理后的低频部分较为平坦，证明减震系统具有较好的环境噪声滤出效果。如果按照底噪水平提升3 dB作为运用带脱期制的话，从图4中可以大概估算出运用带宽为1.4 kHz，实际上从系统的旗子暗记传输曲线来讲，理论上的运用带宽远大于1.4 kHz。
对整体构造做±1 g的翻转实验，测算出系统的灵敏度约为1.65 V/g。将图4中的频谱归一化值转换为噪声密度，得到的数字输出噪声谱密度如图5所示。后级电路的量化噪声、运放噪声都得到了充分的噪声整形，低频处的噪声密度小于2 μg/√Hz，紧张受前级电荷放大器引入的噪声限定，可能是参考电压和开关热噪声。小于10 Hz的低频处噪声高于2 μg/√Hz，这该当是环境噪声引入的。虽然本系统采取了减震处理，能够滤出大部分的环境噪声，但更低频处的环境噪声肃清还须要对减震系统做进一步的优化。仿照输出带宽大于2 kHz，输出的噪声密度频谱图如图6所示，图中的尖峰为50 Hz工频滋扰以及低频环境滋扰，输出噪声约为-100 dBV。根据敏感构造和电源电压估算系统的量程约为±3 g。
3 结束语
本文针对不同的运用需求，设计了带数模稠浊输出的微机器加速度计系统，测试结果表明数字输出低频处的噪声密度小于2 μg/√Hz，带宽大于1.4 kHz，仿照输出噪声小于-100 dBV，带宽大于2 kHz，经由测试验证了设计的精确性。
参考文献
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