一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路
技术领域
本发明涉及一种闭环驱动电路，特别是针对微机械谐振结构的闭环驱动电路。
背景技术
随着微机电系统技术的发展，基于机械的谐振原理而制造的微机械谐振结构可用于微传感器、微制动器和微谐振器，比如谐振式压力传感器，振动式微机械陀螺和扫描微镜。其中，共电极变电容微机械谐振结构是其中一大类。该类微机械谐振结构的共同特点是由具有一个公共电极1的一对电容或多对电容构成，参照图1所示。通常情况下公共电极1是可动的谐振结构，固定电极I2和固定电极II3作为固定结构。并且处于谐振状态时，由于公共电极1的振荡，当一个电容C1的容值增大时，另一个电容C2的容值减小。其具体结构举例如图2至图6所示。
图2所示的结构为双端固支的梁或膜，上下振荡，该梁或膜的两侧有固定电极；图3所示结构为单端固支的梁或膜，上下振荡，该梁或膜的两侧有固定电极；图4所示结构为平板旋转谐振结构，该平板绕黑点O所在的垂直于图示剖面的轴来回旋转振荡，其下侧分别有两个分离的固定电极；图5所示结构为梳齿驱动谐振结构，中间质量块为谐振结构，两侧为固定电极；图6所示结构也为梳齿驱动谐振结构，其与图5所示结构相比，它两侧的固定电极是断开的。
对于微机械谐振结构，静电力闭环驱动方式可以有效提高谐振的稳定性，将其振荡的频率和幅值稳定在某一恒定的数值。2006年，中北大学李锦明在其博士学位论文“高信噪比电容式微机械陀螺的研究”中阐述了三种AGC闭环电路原理，概括而言就是运用简单的减法器来实现自动增益控制。这种闭环驱动电路稳定振荡的相位条件和增益条件相互耦合，线性工作范围小，调试比较困难。2006年，东南大学杨波和周百令发表在《宇航学报》上的论文“一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环驱动方案研究”中，提出了一种闭环增益和相角的解耦调节，但是该方案的驱动信号为方波，引入了其他频率分量，造成闭环谐振的稳定性差，引入了噪声。2009年，国防科技大学肖定邦、侯占强等人发表在《国防科技大学学报》上的论文“微陀螺闭环驱动方法”中提到了一种相位控制技术的微陀螺闭环驱动电路，但是该电路也因为引入了比较器，而产生非线性的静电力，造成闭环谐振的稳定性差，也引入了噪声。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有技术中闭环驱动电路调试过程中增益调节与相位调节相互耦合影响，难于调试；电路信号的动态变化范围较小，不能有效实现谐振结构闭环自激振荡的缺点，同时避免闭环驱动电路中引入非线性的信号，造成谐振结构的不稳定谐振，本发明提出了一种新的用于微机械谐振结构的闭环驱动电路。
本发明的技术方案是：一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，由I/V转换器5，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12和力矩器13组成。本发明的闭环驱动电路结构图参阅图7所示。
微机械谐振结构4的电容变化引起充放电电流变化，该变化电流经I/V转换器5后，将电流信号转换为电压信号；I/V转换器5可由跨阻放大器或者电荷放大器实现；该电压信号经过通带截止频率不小于微机械谐振结构4谐振频率的低通滤波器6后，进入限幅电路7；限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量；带通滤波器8的通带包含微机械谐振结构4的谐振频率；选频后的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制；自动增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流/直流转换器11；交流/直流转换器11可以通过整流器加低通滤波器实现，也可通过真有效值转换器直接实现；可变增益放大器10输出的信号经过交流/直流转换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制；自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿；相位补偿电路12是相位超前电路或者相位延时电路；相位补偿电路12的输出经过力矩器13反馈回来驱动微机械谐振结构4的振荡。
微机械谐振结构4，I/V转换器5，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，力矩器13的增益传递函数分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别为![]()
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自动增益控制环路9，调节整个环路的增益，使其满足微机械谐振结构4的增益起振条件和稳定振荡的增益平衡条件，即在该微机械谐振结构4的谐振频率上，上电起振时T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；稳定振荡时，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1。
相位补偿电路12，调节整个环路的相位，使其满足微机械谐振结构4的相位起振条件和稳定振荡的相位平衡条件，即在该微机械谐振结构4的谐振频率上，上电起振时和稳定振荡时都有![]()
n为整数。
本发明的有益效果是：本发明提出了基于限幅电路7、带通滤波器8、自动增益控制环路9和相位补偿电路12为主要组成的交流自动增益控制闭环自激驱动方案。该闭环驱动方案，第一，通过自动增益控制环路9调节环路的增益和通过相位补偿电路12调节环路的相位，将增益调节与相位调节分离开来，避免了增益调节与相位调节之间的耦合影响，方便了电路的调试；第二，限幅电路7和带通滤波器8的引入，扩大了电路的线性工作范围，即使I/V转换器5检测到很大的输出信号，也会经过限幅电路7，将信号限制在一定的幅度上，再通过带通滤波器8将杂波信号滤除，使反馈回的驱动信号限制在谐振频率处，避免了电路中引入非线性信号，造成谐振的不稳定。
附图说明
图1是本发明所针对的微机械谐振结构电学模型示意图；
图2是本发明所针对结构举例的双端固支梁或膜微机械谐振结构；
图3是本发明所针对结构举例的单端固支梁或膜微机械谐振结构；
图4是本发明所针对结构举例的平板旋转微机械谐振结构；
图5是本发明所针对结构举例的静齿一体的梳齿驱动微机械谐振结构；
图6是本发明所针对结构举例的静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构；
图7是本发明闭环驱动电路结构图；
图8是本发明实施例一闭环驱动电路结构图；
图9是本发明实施例二闭环驱动电路结构图；
图10是本发明实施例三闭环驱动电路结构图；
图中：
1-公共电极；2-固定电极I；3-固定电极II；4-微机械谐振结构；5-I/V转换器；6-低通滤波器；7-限幅电路；8-带通滤波器；9-自动增益控制环路；10-可变增益放大器；11-交流/直流转换器；12-相位补偿电路；13-力矩器；14-微机械谐振结构一；15-敏感电极AI；16-敏感电极AII；17-驱动电极AI；18-驱动电极AII；19-电荷放大器；20-单位增益放大器；21-加法器AI；22-反相器；23-加法器AII；24-敏感电极B；25-驱动电极B；26-加法器B；27-微机械谐振结构二。
具体实施方式
实施例一：
第一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4对应的具体结构是图6所示静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构，图8中将该结构抽象为微机械谐振结构一14，其具体实施方式如下：
参阅图8，本实施例针对微机械谐振结构一14，它属于公共电极1两侧的固定电极是断开的结构。该微机械谐振结构一14，对应于图1所示的电学模型，其固定电极I2断开为敏感电极AI15和驱动电极AI17两个电极；固定电极II3断开为敏感电极AII16和驱动电极AII18两个电极。
由于各种机械和电学的扰动，敏感电极AI15、公共电极1间电容与敏感电极AII16、公共电极1间电容的变化，引起上述两个电容的充放电。该充放电电流经电荷放大器19差分放大转换为电压信号。然后该电压信号经过通带截止频率不小于该微机械谐振结构一14谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪声后，进入限幅电路7。限幅电路7具有如下特征：限幅电路7设定限幅电压4V，对于不超过4V的输入信号，让其直接通过；而对于超过4V的输入信号，将其限幅在±4V上。比如，限幅电路7的输入信号为UBP＝3sin(ωt)，则限幅电路7的输出为ULi＝3sin(ωt)。如果限幅电路7的输入信号为UBP＝5sin(ωt)，则限幅电路7的输出可表述为：在-4≤5sin(ωt)≤4时，ULi＝5sin(ωt)；在5sin(ωt)＞4时，ULi＝4；在5sin(ωt)＜-4时，ULi＝-4。信号在经过限幅电路7后可能由于幅值太大发生畸变，产生其它频率分量，比如限幅电路7的输入信号为UBP＝5sin(ωt)；也可能由于幅值较小，没有发生畸变，比如限幅电路7的输入信号为UBP＝3sin(ωt)。带通滤波器8的通带包含微机械结构一14的谐振频率。限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量。选频后的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制。自动增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流/直流转换器11。交流/直流转换器11通过整流器加低通滤波器实现。可变增益放大器10输出的信号经过交流/直流转换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制。
自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电路12是相位超期电路。相位补偿电路12的输出分成两路信号，一路经过单位增益放大器20与直流偏置电压Vp经过加法器AI21进行加法运算后，施加到驱动电极AII18；另一路信号经过反相器22后，与直流偏置电压Vp经过加法器AII23进行加法运算后，施加到驱动电极AI17。
微机械谐振结构一14，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由单位增益放大器20、加法器AI21、反相器22、加法器AII23组成的力矩器的增益分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别![]()
则在该微机械谐振结构一14的谐振频率上，系统上电起振时，整个闭环系统的增益T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；稳定振荡时，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时都有![]()
实施例二：
第二种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4对应的具体结构是图6所示静齿断开的梳齿驱动微机械谐振结构，图9中将该结构抽象为微机械谐振结构一14，其具体实施方式如下：
参阅图9，本实施例针对微机械谐振结构一14，它属于公共电极1两侧的固定电极是断开的结构。该微机械谐振结构一14，对应于图1所示的电学模型，其固定电极I2断开为敏感电极AI15和驱动电极AI17两个电极；固定电极II3断开为敏感电极AII16和驱动电极AII18两个电极。
首先，将直流偏置电压Vp加在公共电极1上。由于各种机械和电学的扰动，敏感电极AI15、公共电极1间电容与敏感电极AII16、公共电极1间电容的变化，引起上述两个电容的充放电。该充放电电流经电荷放大器19差分放大转换为电压信号。然后该电压信号经过通带截止频率不小于该微机械谐振结构一14谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪声后，进入限幅电路7。限幅电路7具有如下特征：限幅电路7设定限幅电压3V，对于不超过3V限幅电压的输入信号，让其直接通过；而对于超过3V限幅电压的输入信号，将其限幅在±3V上。信号在经过限幅电路7后可能由于幅值太大发生畸变，产生其它频率分量；也可能由于幅值较小，没有发生畸变。带通滤波器8的通带包括微机械谐振结构一14的谐振频率。限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量。选频后的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制。自动增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流/直流转换器11。交流/直流转换器11通过真有效值转换器实现。可变增益放大器10输出的信号经过真有效值转换器，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制。自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电路12是相位超前电路。相位补偿电路12的输出分成两路信号，一路经过单位增益放大器20施加到驱动电极AII18；另一路信号经过反相器22后施加到驱动电极AI17。
微机械谐振结构一14，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由单位增益放大器20、反相器22组成的力矩器的增益分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别![]()
则在该微机械谐振结构一14的谐振频率上，系统上电起振时，整个闭环系统的增益T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；稳定振荡时，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时都有![]()
实施例三：
第三种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路，本实施例针对的微机械谐振结构4对应的具体结构可以是图2至图5所示的任一结构，图10中将该结构抽象为微机械谐振结构二27，其具体实施方式如下：
参阅图10，本实施针对微机械谐振结构二27，它属于公共电极两侧的固定电极是连接的结构。该微机械谐振结构二27，对应于图1所示的电学模型，其固定电极I2是一体的，固定电极II3也是一体的。本实施例中，固定电极I2和固定电极II3分别具体化为敏感电极B24和驱动电极B25。
首先，微机械谐振结构二27的公共电极1接地。由于各种机械和电学的扰动，敏感电极B24、公共电极1间电容的变化，引起上述两个电极之间电容的充放电。该充放电电流经电荷放大器19转换为电压信号。然后该电压信号经过通带截止频率不小于该微机械谐振结构二27谐振频率的低通滤波器6滤除高频噪声后，进入限幅电路7。限幅电路7具有如下特征：限幅电路7设定限幅电压5V，对于不超过5V限幅电压的输入信号，让其直接通过；而对于超过5V限幅电压的输入信号，将其限幅在±5V上。信号在经过限幅电路7后可能由于幅值太大发生畸变，产生其它频率分量；也可能由于幅值较小，没有发生畸变。带通滤波器8的通带包括了微机械谐振结构二27的谐振频率。限幅电路7输出的信号进入带通滤波器8，进行信号的选频，滤除由限幅电路7的限幅而引入的杂波分量。选频后的信号进入自动增益控制环路9进行自动增益的控制。自动增益控制环路9包括可变增益放大器10和交流/直流转换器11。交流/直流转换器11通过整流器加低通滤波器实现。可变增益放大器10输出的信号经过交流/直流转换器11后，转换的直流信号与参考电压Vd进行比较控制可变增益放大器10的放大倍数，从而实现自动增益的控制。自动增益控制环路9的输出信号进入相位补偿电路12，进行相位的补偿。相位补偿电路12是相位延时电路。相位补偿电路12与直流偏置电压Vp经过加法器B26相加后施加到驱动电极B25。并且该直流偏置电压Vp施加在电荷放大器19的正输入端，使其浮地，平衡敏感电极B24和驱动电极B25之间的直流电压。
微机械谐振结构二27，电荷放大器19，低通滤波器6，限幅电路7，带通滤波器8，自动增益控制环路9，相位补偿电路12，和由加法器B26组成的力矩器的增益分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，相移分别![]()
则在该微机械谐振结构二27的谐振频率上，系统上电起振时，整个闭环系统的增益T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＞1；稳定振荡时，T＝A1·A2·A3·A4·A5·A6·A7·A8＝1。对于整个系统的相移，上电起振时和稳定振荡时都有![]()