一种分时复用三轴加速度计及其控制方法与流程

本发明涉及数字传感技术领域，具体涉及一种分时复用三轴加速度计及其控制方法。

背景技术：

随着mems技术的发展，惯性传感器在过去的几年中成为应用最广泛的微机电系统器件之一，其中微加速度计已经被广泛用于测量物体加速度的惯性装置、汽车、工业自动化、航空航天及其它众多领域。目前为测量三轴向的加速度，广泛采用的方法为使用三个传感器及三个加速度计电路进行三轴集成，目前的三轴加速度计功耗大、电路复杂、集成度不高，是影响mems三轴加速度计适用性的最重要原因之一。

传统的三轴加速度计(见图3(a)及图3(b))采用三个加速度计敏感结构、三个cv(电容电压转换电路)、三个adc(模数转换电路)及三个高压反馈电路，其采用易受噪声和温度影响的cv电路，导致其性能降低，而且因其需要采用三个相同的电路来与加速度计敏感结构进行集成，导致系统集成度降低。

技术实现要素：

为了解决传统的三轴加速度计存在的技术问题，本发明提供了一种分时复用三轴加速度计，本发明的加速度计采用一套电路结构即可实现三个轴向加速度的测量功能，系统集成度高，且提高了测量性能。

本发明通过下述技术方案实现：

一种分时复用三轴加速度计，包括x、y、z三个轴向的敏感结构、电容/数字转换前端电路、δσ调制器后级电路、高压驱动反馈电路和比例积分控制电路；其中，x、y、z三个轴向的敏感结构的上下极板均接入2相时钟信号；x、y、z三个轴向的敏感结构的中间极板分别通过开关与电容/数字转换前端电路的输入端连接，电容/数字转换前端电路的输出端连接δσ调制器后级电路的输入端，δσ调制器后级电路的输出端连接比例积分控制电路的输入端，比例积分控制电路的输出通过高压驱动反馈电路连接到电容/数字转换前端电路的输入端。

本发明通过设计一套加速度计电路结构，配合相应的时序控制波形及开关即可完成三轴加速度输出的功能。本发明的电路结构得到了很好的简化，提高了测量性能，且大幅度提高了系统的集成性。

本发明的电容/数字转换前端电路用于将敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号。本发明的电容/数字转换前端电路为直接将电容转换为数字量，进一步简化了电路结构，且避免受到噪声、温度等环境的影响，提高了测量性能。且本发明的电容/数字转换前端电路采用但不限于专用的电容/数字转换电路。

本发明采用时序控制波形来控制x、y、z三个轴向的开关分别来选择接通不同轴向的敏感结构实现三个轴向加速度的测量。

本发明的时序控制波形由三组信号组成，而且每一轴向的开关打开时间不存在交叠。

另一方面，本发明还提出了上述分时复用三轴加速度计的控制方法，该方法包括：

采用时序控制波形控制接通x轴向的开关，电容/数字转换电路将x轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在x轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；

采用时序控制波形控制接通y轴向的开关，电容/数字转换电路将y轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在y轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；

采用时序控制波形控制接通z轴向的开关，电容/数字转换电路将z轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在z轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；即完成三个轴向加速度的测量。

本发明采用时序控制波形，通过三种时序依次接通x、y、z三个轴向的开关，即可完成三个轴向加速度的测量。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明时序控制三个轴向的加速度计敏感结构与同一个电路进行连接以达到本发明采用专有的电容到数字转换的前端电路结构。应用于三轴加速度计电路中，解决了三轴加速度计集成困难、功耗高、使用困难的问题。

2、本发明分时复用三轴数字加速度计结构简单，三个轴向的传感器仅使用一个电路芯片加上相应的时序控制就可完成三轴加速度计的功能。本发明采用直接电容到数字量的转换结构不用电容到电压、电压到数字量的转换过程，节省了电路功耗、降低了电路复杂度及电路易受环境影响的因素如温度及工艺偏差等方面的影响。

3、本发明大幅度提高了系统的集成度，利于系统集成和使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的分时复用三轴加速度计电路结构图。

图2为本发明采用的时序控制波形。

图3为传统的三轴加速度计电路结构图。其中，(a)为一种传统三轴加速度计结构框图；(b)为另一种传统三轴加速度计结构框图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提出了一种分时复用三轴加速度计。本实施例的三轴加速度计通过设计一套加速度计电路结构，配合相应的时序控制波形及开关即可完成三轴加速度输出的功能。

本实施例的三轴加速度计包括x、y、z三个轴向的加速度计敏感结构、电容/数字转换前端电路、δσ调制器后级电路、高压驱动反馈电路(hvd)和比例积分控制电路(pic)；其中，x、y、z三个轴向的敏感结构的上下极板均接入2相时钟信号；x、y、z三个轴向的敏感结构的中间极板分别通过开关与电容/数字转换前端电路的输入端连接，电容/数字转换前端电路的输出端连接δσ调制器后级电路的输入端，δσ调制器后级电路的输出端连接比例积分控制电路的输入端，比例积分控制电路的输出通过高压驱动反馈电路连接到电容/数字转换前端电路的输入端。

具体如图1所示。本实施例的三轴加速度计电路连接关系如下：

x轴敏感结构的中间极板与xclk连接于节点1，y轴敏感结构的中间极板与yclk连接于节点2，z轴敏感结构的中间极板与zclk连接于节点3，xclk、yclk、zclk的右端连接于节点4，节点4通过专有直接电容到数字量转换的前端电路(c/d)连接于节点5，节点5通过δσ调制器后级电路连接于节点6，节点6通过pic比例积分控制电路连接于节点7，节点7通过hvd高压驱动反馈连接于节点8，节点8短接于节点4。

本实施例的电容/数字转换前端电路采用专有的一种直接电容到数字量转换的前端电路结构。

本实施例的三个轴向的开关分别为开关xclk、yclk和zclk，通过时序控制开关xclk、yclk、zclk分别用来选择接通不同轴向的加速度计敏感结构即可完成三轴加速度的测量。

本实施例的一种使用分时复用三轴加速度电路结构所采用的时序控制波形。具体如图2所示，时序控制波形由三组信号组成，依次接通x轴、y轴、z轴方向的开关，而且每一轴向的开关打开时间存在非交叠，在打开相应轴向的开关时，对应的专有的一种直接电容到数字量转换的前端电路结构开始工作并转换为码流数字信号，然后经过数字比例积分控制器电路(pic)进行环路控制后通过高压驱动反馈电路(hvd)之后将反馈电压加在三个轴向的加速度计敏感结构的中间极板上实现闭环反馈。

本实施例的三轴加速度计的时序控制过程具体如下：

采用时序控制波形控制接通x轴向的开关，电容/数字转换电路将x轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在x轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；

采用时序控制波形控制接通y轴向的开关，电容/数字转换电路将y轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在y轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；

采用时序控制波形控制接通z轴向的开关，电容/数字转换电路将z轴向的敏感结构的变化的电容直接转换为数字信号，该数字信号输入到δσ调制器后级电路中进行调制，调制后的数字信号输入到比例积分控制电路进行环路控制后再通过高压驱动反馈电路之后将反馈电压加在z轴向的敏感结构的中间极板上实现闭环反馈；即完成三个轴向加速度的测量。

本实施例仅仅一个芯片配合相应时序及开关就可以完成三轴输出的功能。

本实施例采用上述分时复用三轴加速度计，通过三种时序，每个周期内通过128个时钟，关断512个时钟周期，然后依次选通x、y、z轴三个轴向的通路，完成一个芯片测量三个轴向加速度的功能。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。