微机械惯性传感器检测平台的设计与应用

文章摘要：∵ Rgs→∞∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs分布电容Cp约为10pF，输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。2.3 电荷放大器电路电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络

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∵ Rgs→∞

∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布电容Cp约为10pF，输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。

2.3 电荷放大器电路

电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。

若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。

尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3 检测平台的系统构成及工作原理

该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。

3.1 激励信号发生器

根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。

表1 交流相位和直流偏置组合

直流偏置：++--交流信号：+-+-

一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM 2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。

    3.2 低通跟踪滤波器

数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如图7。

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