获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的方法及电路与流程

本发明属于微光机电(moems)领域，涉及一种获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的方法及电路。

背景技术：

静电梳齿驱动的微扭转镜，一般驱动信号为幅值几十～几百伏，占空比为50％的pfm(脉冲频率调制)信号。

对于电容反馈式微扭转镜，为得到较好的电容反馈信号，如图2所示，通常在微扭转镜的动梳齿上叠加高频载波信号，得到的电容反馈信号经过检波电路后提取出真实的电容信号，经过放大电路处理后，转变为易于识别和处理的大信号。但由于载波发生电路和检波电路过于复杂，极易受环境、温度等因素影响产生信号的抖动或漂移，稳定性不足。

技术实现要素：

为了解决微扭转镜电容反馈信号稳定性差的问题，本发明提出一种新的获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的方法及电路，通过该方法及系统可以获取稳定性较好的微扭转镜电容反馈信号。

通过分析影响微扭转镜电容反馈信号稳定性的因素，得出：如果微扭转镜的动梳齿上不叠加高频载波信号，则不需要载波发生电路和检波电路，简化了后级处理电路，可以提升电路的稳定性。

但是，通过实际实验验证，发现：由于微扭转镜反馈电容变化量很微小，电容反馈信号串入驱动信号的干扰后，信号几乎被干扰信号所淹没，无法提取出真实的电容反馈信号。可见，消除驱动信号对电容反馈信号的干扰，才能获得真实的电容反馈信号。因此，本发明提出以下技术解决方案：

一种获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的方法，包括以下步骤：

s1、将脉冲信号作为驱动信号驱动电容反馈式微扭转镜振动；确保在相邻两组驱动脉冲间隔期间，微扭转镜至少能够自由扭转0.5个周期；

s2、提取电容反馈式微扭转镜的电容反馈信号，将电容反馈信号转化为电压信号；

s3、将步骤s2中的电压信号进行放大；

s4、在相邻两组驱动脉冲间隔期间，提取放大后的电压信号，作为真实电容反馈信号。

进一步地，步骤s4通过下述方法实现：

在一组驱动脉冲发出后，间隔设定时间t后，开始捕获放大后的电压信号，下一组驱动脉冲发出前，停止捕获，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

进一步地，步骤s4还可以通过下述方法实现：

利用模数转换电路将电压信号转换为数字信号输出到处理器，在一组驱动脉冲发出后，间隔设定时间t后，处理器开始处理数字信号，下一组驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

进一步地，步骤s4还可以通过下述方法实现：

在一组驱动脉冲发出后，间隔设定时间t后，利用开关控制放大后的电压信号通过，直至下一组驱动脉冲发出，开关断开，信号不通过，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

进一步地，步骤s1中所述脉冲信号为占空比为1％～50％的脉冲宽度调制信号。

进一步地，所述脉冲宽度调制信号的占空比为10％。

进一步地，步骤s1中所述脉冲信号为n组脉冲宽度与频率可调的脉冲信号，每组脉冲宽度与频率可调的脉冲信号包括至少一个脉冲信号，n为任意正整数，将每组脉冲宽度与频率可调的脉冲信号作为一组驱动信号。

进一步地，所述脉冲宽度与频率可调的脉冲信号为正弦脉冲或半正弦脉冲。

进一步地，驱动信号可以分别施加在微扭转镜扭转梁两侧，两侧驱动信号相位差180°，实现双侧驱动。

本发明还提供一种实现上述方法的电容反馈式微扭转镜的驱动电路，其特殊之处在于：包括驱动信号源、电容检测电路、放大电路及信号提取电路；

所述驱动信号源的输出端与电容反馈式微扭转镜的驱动梳齿连接，用于发出驱动信号，驱动电容反馈式微扭转镜振动；

所述电容检测电路的输入端与电容反馈式微扭转镜的用于电容反馈作用的梳齿连接；将电容信号转化为电压信号；所述电容检测电路的输出端与放大电路的输入端连接；所述放大电路的输出端与信号提取电路的输入端连接，所述信号提取电路在相邻两组驱动脉冲间隔期间提取放大后的电压信号。

进一步地，所述信号提取电路包括处理器，在一组驱动脉冲发出后，等待设定时间t后，开始捕获放大后的电压信号，下一组驱动脉冲发出前，停止捕获，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号

或所述信号提取电路包括模数转换电路及处理器；模数转换电路采集电容反馈信号放大后的电压值，并转换为数字信号格式输出到处理器。处理器在驱动脉冲发出后，等待设定时间t后，开始处理数字信号，下一组驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

或所述信号提取电路包括处理器及开关，在一组驱动脉冲发出后，间隔设定时间t后，处理器控制开关闭合，使得放大后的电压信号通过，直至下一组驱动脉冲发出，处理器控制开关断开，信号不通过，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明在获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的过程中，取消高频载波信号，直接提取电容反馈信号，进行后级放大，省略了载波发生电路和检波电路，消除因载波发生电路和检波电路对电容反馈信号的影响，电路更简洁，提高了电容反馈信号的稳定性，同时采用特定的驱动形式及信号提取方式获得真实的电容反馈信号；

2、本发明为了应对驱动信号的快速跃迁对电容反馈信号的干扰，采用特定的脉冲驱动信号驱动电容反馈式微扭转镜，并在驱动信号脉冲的间隔期间提取电容反馈信号，此时的电容反馈信号没有受到驱动信号快速跃迁的干扰，可以得到真实的电容反馈信号；通过选择不同脉冲信号，巧妙的利用脉冲间隔，将微扭转镜自由扭转时反馈的电容信号作为真实反馈电容信号，消除驱动信号干扰，构思巧妙，过程方便简单。

3、本发明可以适用于多种脉冲驱动信号，如pwm(脉冲宽度调制)信号、pwm+pfm(脉冲宽度调制+脉冲频率调制)信号、正弦信号、半正弦信号等。

附图说明

图1为微扭转镜机械机构图；

图2为现有电容反馈式微扭转镜驱动及反馈电路构造；

图3为本发明提出的微扭转镜驱动及反馈电路构造；

图4为驱动信号与电容反馈信号(放大后)波形图；

图5为任意波形驱动信号(pwm+pfm)；

图6为双侧驱动信号；

图7为正弦脉冲驱动信号；

图8为半正弦脉冲驱动信号；

图中附图标记为：1-可动镜面，2-固定框架，3-梳齿对，31-静梳齿，32-动梳齿。

具体实施方式

本发明提出一种获取电容反馈式微扭转镜电容反馈信号的方式以及相应的电路，以获得稳定及真实的电容反馈信号，判定微扭转镜的振动角度。从图1可以看出，电容反馈式微扭转镜，包括可动镜面1和固定框架2。可动镜面1和固定框架2交界处分布有若干数量的梳齿对3，位于可动镜面一侧的梳齿称为动梳齿32，位于固定框架一侧的梳齿称为静梳齿31。其中一部分梳齿对用以驱动微扭转镜的振动，一部分梳齿对用以反馈电容变化量。

本发明将任意脉冲信号作为驱动信号驱动电容反馈式微扭转镜工作，后提取电容反馈式微扭转镜的电容反馈信号，将电容反馈信号转化为电压信号并放大；在相邻两个驱动脉冲间隔期间，提取放大后的电压信号，作为真实电容反馈信号。巧妙的通过提取处理脉冲间隔的电容反馈信号获得真实反馈电容信号。作为驱动信号的脉冲信号可以是多样的，如pwm(脉冲宽度调制)信号、pwm+pfm(脉冲宽度调制+脉冲频率调制)信号、正弦信号、半正弦信号等。不管使用何种脉冲信号，需要确保相邻两个驱动信号之间有一定的间隔时间，在此期间无驱动信号，但微扭转镜处于自由扭转状态。间隔期间的长度为至少获得一次完整的电容反馈信号，即微扭转镜至少自由扭转半个周期。

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细的说明。

实施例一

从图3可以看出，本实施例获取电容反馈信号的电路包括驱动信号源、电容检测电路、信号放大电路及信号提取电路。驱动信号源输出的驱动信号为pwm(脉冲宽度调制)信号，占空比范围可以是1％～50％，为了得到更大的振角和更多的采样，本实施例选取的占空比为10％。

驱动信号施加在微扭转镜用于驱动作用的静梳齿或动梳齿侧，扫频至微扭转镜工作在稳定振动状态。电容检测电路与微扭转镜用于电容反馈作用的静梳齿连接，将微扭转镜反馈的微弱电容信号转换为电压信号。电容检测电路优选为电压反馈型运算放大电路，实现检测微小的电容变化量，并体现为输出的电压值变化。电容检测电路也可以是其他任何形式，如集成式电容检测芯片等。电容检测电路输出的电压值因幅值较小、噪声大，同样不易测量，因此需要进行信号放大。因此，电容检测电路的输出端与放大电路的输入端连接，将电容检测电路输出的电压值放大，该放大电路优选使用电压反馈型运算放大电路，根据需求设置信号的放大倍数。通过对放大后的反馈信号与驱动信号关系的分析，利用信号提取电路提取真实的电容反馈信号。

下述具体说明，如何提取真实的电容反馈信号：

从图4中可以看出，本实施例利用占空比为10％驱动信号驱动微扭转镜工作时，在一个驱动周期内可测到3次电容反馈信号峰值，具体次数还与该微扭转镜的谐振频率有关。即一个驱动周期微扭转镜3次回到电容最大值位置，微扭转镜振动了1.5个周期。现有技术50％占空比方波驱动信号条件下，一个驱动信号周期，相同谐振频率微扭转镜只振动0.5个周期。

图4中，一个驱动周期内得到的3次电容反馈峰值，有1次的幅值为最高，另外两次较低且几乎在同一电平水准。从图中可明显看出，最高峰值的起始点与驱动信号的跃迁起始点一致，判定此次反馈的最高峰值为真实电容反馈值与驱动信号干扰值的叠加，不能反应真实的电容变化量。而之后的两次电平水准一致的峰值，没有叠加驱动信号的干扰，可以认为是真实的电容反馈信号放大后的电压值，可以根据其幅值的大小判定微扭转镜的振动角度。因此，信号提取电路只提取没有叠加驱动信号干扰的电压值作为真实电容反馈信号。

真实电容反馈信号的提取，可以通过但不仅限于以下方式实现：

1、处理器定时捕获方式，设定在一个驱动脉冲发出后，间隔一段时间后开始捕获信号，下一个驱动脉冲发出前，停止捕获。处理器芯片可以是任意型号，如stm32系列单片机。stm32系列单片机在驱动脉冲发出同时，等待一段时间t后，开始捕获电容反馈信号放大后的电压值，根据该电压值的大小可判断当前微扭转镜所在的角度。下一次驱动脉冲发出前，停止捕获。t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同,时，能够采集到真实电容反馈信号。

2、模数转换法，模数转换芯片可以采用ads7868，8bit模拟-数字转换芯片。电容反馈信号放大后的电压值作为ads7868的模拟输入信号，转换为数字信号格式输出到处理器。处理器在驱动脉冲发出后，等待设定时间t后，开始处理数字信号，下一个驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

3、开关法，在一个驱动脉冲发出后，开关导通，电容反馈信号通过，下一个驱动脉冲发出前，开关断开，即驱动脉冲发出过程中，开关处于断开状态，信号不通过。如此即保留了真实的电容反馈信号。开关器件可以是集成芯片，如东芝的tc7usb31fk开关芯片；也可以是三极管、mosfet等分立半导体器件。通过处理器的普通gpio控制开关的通断。

实施例二

参见图5，与实施例一不同的是本实施例驱动信号为pwm+pfm(脉冲宽度调制+脉冲频率调制)。本实施例获取电容反馈信号的电路包括：驱动信号源、电容检测电路、信号放大电路及信号提取电路。驱动信号源输出的驱动信号为任意形式的pwm+pfm信号，施加在用于驱动作用的静梳齿侧。

图5中驱动信号的形式为n组pwm+pfm信号，n为任意正整数。第一组包含n1个脉冲信号，第二组包含n2个脉冲信号，第三组包含n3个脉冲信号，第n组包含nx个脉冲信号。其中n1、n2、n3、nx可以相等也可以不相等。相邻脉冲组之间，留有足够的间隔，保证在间隔期间能够至少接收到一次电容反馈信号的最大值，在此期间电容反馈信号没有受到驱动信号快速跃迁的干扰，反应的是真实的电容反馈信号。电容反馈信号经过检测电路、放大电路后转换为电压信号，其中包含了叠加驱动信号干扰和没有叠加驱动信号干扰的电容反馈信号。利用信号提取电路提取真实的电容反馈信号。

为了获取真实的无干扰的电容反馈信号，需要根据驱动脉冲的信号形式，提取电容反馈信号，本实施例在每组脉冲间隔期间进行电容反馈信号的提取。

本实施例真实电容反馈信号的提取，可以通过但不仅限于以下方式实现：

1、处理器定时捕获方式，设定在一个驱动脉冲组发出后，间隔一段时间后开始捕获信号，下一个驱动脉冲组发出前，停止捕获。处理器芯片可以是任意型号，如stm32系列单片机。stm32系列单片机在驱动脉冲组发出后，等待一段时间t后，开始捕获电容反馈信号放大后的电压值，根据该电压值的大小可判断当前微扭转镜所在的角度。下一次驱动脉冲组发出前，停止捕获。所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

2、模数转换法，模数转换芯片可以采用ads7868，8bit模拟-数字转换芯片。电容反馈信号放大后的电压值作为ads7868的模拟输入信号，转换为数字信号格式输出到处理器。处理器在驱动脉冲组发出后，等待设定时间t后，开始处理数字信号，下一组驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

3、开关法，在一个驱动脉冲组发出后，开关导通，电容反馈信号通过，下一个驱动脉冲组发出前，开关断开，即驱动脉冲组发出过程中，开关处于断开状态，信号不通过。如此即保留了真实的电容反馈信号。开关器件可以是集成芯片，如东芝的tc7usb31fk开关芯片；也可以是三极管、mosfet等分立半导体器件。通过处理器的普通gpio控制开关的通断。

实施例三

本实施例提出一种任意双侧信号驱动微扭转镜的方式及电容反馈信号提取方法，驱动信号优选为pwm+pfm(脉冲宽度调制+脉冲频率调制)，参阅图6。涉及双侧驱动的方式，在微扭转镜扭转梁的两侧分别施加驱动信号，驱动脉冲连续发出阶段，两侧驱动信号相位差180°。

工作系统包括：驱动信号源、电容检测电路、信号放大电路及信号提取电路。驱动信号为任意形式的pwm+pfm信号，施加在微扭转镜两侧用于驱动作用的梳齿上。图6中正极驱动信号的形式为：n组pwm+pfm信号，n为任意正整数。第一组包含n1个脉冲信号，第二组包含n2个脉冲信号，第三组包含n3个脉冲信号，第n组包含nx个脉冲信号。其中n1、n2、n3、nx可以相等也可以不相等。相邻脉冲组之间，留有足够的间隔，保证在间隔期间能够至少接收到一次电容反馈信号的最大值，在此期间电容反馈信号没有受到驱动信号快速跃迁的干扰，反应的是真实的电容反馈信号。负极驱动信号的形式为：n组pwm+pfm信号，脉冲连续发出阶段，相位与正极驱动信号相位差180°，但脉冲组间隔阶段，保持为0电位。电容反馈信号经过检测电路、放大电路后转换为电压信号，其中包含了叠加驱动信号干扰和没有叠加驱动信号干扰的电容反馈信号。

为了获取真实的无干扰的电容反馈信号，需要根据驱动脉冲的信号形式，设定在每组脉冲间隔期间进行电容反馈信号的提取。

提取方式可以通过但不仅限于以下方式实现：

1、处理器定时捕获方式，设定在一个驱动脉冲组发出后，间隔一段时间后开始捕获信号，下一个驱动脉冲组发出前，停止捕获。处理器芯片可以是任意型号，如stm32系列单片机。stm32系列单片机在驱动脉冲组发出后，等待一段时间t后，开始捕获电容反馈信号放大后的电压值，根据该电压值的大小可判断当前微扭转镜所在的角度。下一次驱动脉冲组发出前，停止捕获。所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

2、模数转换法，模数转换芯片可以采用ads7868，8bit模拟-数字转换芯片。电容反馈信号放大后的电压值作为ads7868的模拟输入信号，转换为数字信号格式输出到处理器。处理器在驱动脉冲组发出后，等待设定时间t后，开始处理数字信号，下一组驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

3、开关法，在一个驱动脉冲组发出后，开关导通，电容反馈信号通过，下一个驱动脉冲组发出前，开关断开，即驱动脉冲组发出过程中，开关处于断开状态，信号不通过。如此即保留了真实的电容反馈信号。开关器件可以是集成芯片，如东芝的tc7usb31fk开关芯片；也可以是三极管、mosfet等分立半导体器件。通过处理器的普通gpio控制开关的通断。

实施例四

本实施例提出一种正弦脉冲或半正弦脉冲信号驱动微扭转镜的方式及电容反馈信号提取方法，与实施例二类似，区别是脉冲波形的样式为正弦脉冲或半正弦脉冲，参阅图7与图8。

工作系统包括：驱动信号源、电容检测电路、信号放大电路及信号提取电路。驱动信号为正弦或半正弦信号组，施加在用于驱动作用的静梳齿上。图7中驱动信号的形式为n组正弦脉冲信号，图8中驱动信号的形式为n组半正弦脉冲信号，n为任意正整数。第一组包含n1个脉冲信号，第二组包含n2个脉冲信号，第三组包含n3个脉冲信号，第n组包含nx个脉冲信号。其中n1、n2、n3、nx可以相等也可以不相等。相邻脉冲组之间，留有足够的间隔，保证在间隔期间能够至少接收到一次电容反馈信号的最大值，在此期间电容反馈信号没有受到驱动信号快速跃迁的干扰，反应的是真实的电容反馈信号。电容反馈信号经过检测电路、放大电路后转换为电压信号，其中包含了叠加驱动信号干扰和没有叠加驱动信号干扰的电容反馈信号。

为了获取真实的无干扰的电容反馈信号，需要根据驱动脉冲的信号形式，设定在每组脉冲间隔期间进行电容反馈信号的提取。

提取方式可以通过但不仅限于以下方式实现：

1、处理器定时捕获方式，设定在一个驱动脉冲组发出后，间隔一段时间后开始捕获信号，下一个驱动脉冲组发出前，停止捕获。处理器芯片可以是任意型号，如stm32系列单片机。stm32系列单片机在驱动脉冲组发出后，等待一段时间t后，开始捕获电容反馈信号放大后的电压值，根据该电压值的大小可判断当前微扭转镜所在的角度。下一次驱动脉冲组发出前，停止捕获。所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

2、模数转换法，模数转换芯片可以采用ads7868，8bit模拟-数字转换芯片。电容反馈信号放大后的电压值作为ads7868的模拟输入信号，转换为数字信号格式输出到处理器。处理器在驱动脉冲组发出后，等待设定时间t后，开始处理数字信号，下一组驱动脉冲发出前，停止处理，所述t大于等于实际测试的干扰信号持续时间，确保去除干扰信号的同时，能够采集到真实电容反馈信号。

3、开关法，在一个驱动脉冲组发出后，开关导通，电容反馈信号通过，下一个驱动脉冲组发出前，开关断开，即驱动脉冲组发出过程中，开关处于断开状态，信号不通过。如此即保留了真实的电容反馈信号。开关器件可以是集成芯片，如东芝的tc7usb31fk开关芯片；也可以是三极管、mosfet等分立半导体器件。通过处理器的普通gpio控制开关的通断。