CN112539744A - 硅微陀螺敏感信号读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅微陀螺敏感信号读出电路，包括：差分调制模块，包括单载波调制的电荷放大器；用于读出陀螺电容变化量并将电容变化量转换为电压信号；信号解调模块，输入接口与所述差分调制模块的输出接口连接，用于将所述差分调制模块输出的信号进行解调；放大电路模块，输入接口与所述信号解调模块的输出接口连接，用于将所述信号解调模块输出的信号进行放大；滤波电路模块，输入接口与所述发达电路模块的输出接口连接，用于抑制放大电路模块输出的信号中的噪声。本发明硅微陀螺敏感信号读出电路，输出电压的增益带宽可调、幅值可调，具有较好的抗共模干扰特性、降低了功耗、有效提高了信号检测精度。

Description

硅微陀螺敏感信号读出电路
技术领域
本发明涉及硅微陀螺技术领域，尤其涉及一种硅微陀螺敏感信号读出电路。
背景技术
硅微陀螺是基于微机械加工工艺制作而成的用于测量运动物体角速度的重要惯性器件，被广泛应用于信息技术、地震勘探、航空航天、国防军工、汽车电子、机器人定位等多个领域。电容式硅微陀螺因其具有分辨率高、温度系数小、稳定性好等优点而被重点研究，但由于输出电容信号通常在10-15～10-18F量级十分微弱，能否有效收集电荷变化量并通过读出电路将其转化为电信号，是有效完成微弱信号检测的一个重要指标。
发明内容
本发明提供的硅微陀螺敏感信号读出电路，能够实现增益带宽可调和电压信号可控。
本发明提供一种硅微陀螺敏感信号读出电路，包括：
差分调制模块，包括单载波调制的电荷放大器；用于读出陀螺电容变化量并将电容变化量转换为电压信号；
信号解调模块，输入接口与所述差分调制模块的输出接口连接，用于将所述差分调制模块输出的信号进行解调；
放大电路模块，输入接口与所述信号解调模块的输出接口连接，用于将所述信号解调模块输出的信号进行放大；
滤波电路模块，输入接口与所述发达电路模块的输出接口连接，用于抑制放大电路模块输出的信号中的噪声。
可选地，所述滤波电路模块包括压控电压源二阶低通滤波电路；所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电阻为可变电阻，所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电容为可变电容。
可选地，差分调制模块包括单载波调制的电荷放大器。
可选地，所述信号解调模块包括双通道单刀双掷模拟开关调制解调器。
可选地，所述放大电路模块包括差分放大电路。
可选地，所述差分放大电路为双端输入，单端输出的差分放大电路。
可选地，所述差分放大电路中的电阻为可变电阻。
可选地，所述信号解调模块包括相敏检波电路。
可选地，所述信号解调模块的模拟开关控制信号与所述信号解调模块的输入信号同频同相。
可选地，所述信号解调模块采用单载波进行解调。
本发明硅微陀螺敏感信号读出电路，可以通过改变放大电路模块中的电阻的阻值调节电压放大倍数；通过调节滤波模块中的电阻的阻值和电容的容量实现对截止频率的调整，从而实现不同的低通滤波带宽。本发明硅微陀螺敏感信号读出电路，输出电压的增益带宽可调、幅值可调，具有较好的抗共模干扰特性、降低了功耗、有效提高了信号检测精度。
附图说明
图1是本发明硅微陀螺敏感信号读出电路的原理框图；
图2是本发明硅微陀螺敏感信号读出电路差分调制模块的电路原理图；
图3是本发明硅微陀螺敏感信号读出电路信号解调模块的电路原理图；
图4是本发明硅微陀螺敏感信号读出电路放大模块的电路原理图；
图5是本发明硅微陀螺敏感信号读出电路滤波模块的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，本实施例提供一种硅微陀螺敏感信号读出电路，包括：
差分调制模块，包括单载波调制的电荷放大器；用于读出陀螺电容变化量并将电容变化量转换为电压信号；
可选地，差分调制模块包括单载波调制的电荷放大器。
陀螺表头输出的电荷量经差分调制模块转化为电压量，经解调模块将电压解调至低频，放大模块将解调模块输出的两电压进行放大并转化为单端电压，滤波模块将放大模块输出的信号中的高频噪声信号滤除。
如图2所示，第一差分电容C1一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接；第二差分电容C2与第二运算放大器U2反相输入端连接(第2引脚)；第一差分电容C1和第二差分电容C2另一端与单载波Vrate连接，单载波Vrate另一端接地GND；第一反馈电容Cf1和第一反馈电阻Rf1一端与第一运算放大器U1反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第一运算放大器U1输出端(第1引脚)连接；第二反馈电容Cf2和第二反馈电阻Rf2一端与第二运算放大器U2反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第二运算放大器U2输出端(第1引脚)连接；第一运算放大器U1和第二运算放大器U2反相输入端(第2引脚)与地连接。
该电路的输出电压为
Figure BDA0002209646590000031
其中△C为差分电容C1、C2的电容差。
信号解调模块，输入接口与所述差分调制模块的输出接口连接，用于将所述差分调制模块输出的信号进行解调；
可选地，所述信号解调模块包括双通道单刀双掷模拟开关调制解调器。
可选地，所述信号解调模块包括相敏检波电路。
可选地，所述信号解调模块的模拟开关控制信号与所述信号解调模块的输入信号同频同相。
可选地，所述信号解调模块采用单载波进行解调。
如图3所示，单载波Vrate和第三运算放大器U3的第1引脚和第5引脚连接；第三运算放大器U3第2引脚和第7引脚与第一运算放大器U1输出端连接；第三运算放大器U3第4引脚和第9引脚与第二运算放大器U2输出端连接；第三运算放大器U3第3引脚与地GND连接；第三运算放大器U3第8引脚与电源VCC连接；第三运算放大器U3第10引脚和第6引脚与解调模块输出端连接。
解调电路模块将调制后放大的陀螺敏感检测信号频率分量从高频段搬回低频段，差分调制模块输出的电压信号V1、V2通过模拟开关相敏检波实现一次解调，控制时钟信号Vrate与输入信号同频同相，当控制时钟Vrate为高电平时第三运算放大器U3第10引脚接第2引脚，第6引脚接第4引脚，第10引脚输出经解调模块后第一个输出信号Vde1，第6引脚输出经解调模块后第二个输出信号Vde2；当控制时钟Vrate为低电平时第三运算放大器U3第10引脚接第9引脚，第6引脚接第7引脚，第10引脚输出经解调模块后第二个输出信号Vde2，第6引脚输出经解调模块后第一个输出信号Vde1。
Figure BDA0002209646590000041
Figure BDA0002209646590000051
放大电路模块，输入接口与所述信号解调模块的输出接口连接，用于将所述信号解调模块输出的信号进行放大；
可选地，所述放大电路模块包括差分放大电路。
可选地，所述差分放大电路为双端输入，单端输出的差分放大电路。
可选地，所述差分放大电路中的电阻为可变电阻。
如图4所示，第一电阻R1一端与第三运算放大器U3输出端连接，另一端与第四运算放大器U4反相输入端(第2引脚)连接；R2第二电阻一端与第四运算放大器U4反相输入端(第2引脚)连接，另一端与第四运算放大器U4输出端(第1引脚)连接；第三电阻R3一端与第三运算放大器U3输出端连接，另一端与第四运算放大器U4正相输入端(第3引脚)连接；第四电阻R4一端与第四运算放大器U4正相输入端(第3引脚)连接；另一端与地GND连接。
解调电路模块输出的信号Vde1，Vde2中包含高频载波和低频电容信号，通过放大电路放大电容信号，电压信号双端输入单端输出。根据基尔霍夫电流定律可得：
Figure BDA0002209646590000052
当
Figure BDA0002209646590000055
时，
Figure BDA0002209646590000054
可以通过改变第一电阻R1、第二电阻R2的阻值调节电压放大倍数。
滤波电路模块，输入接口与所述发达电路模块的输出接口连接，用于抑制放大电路模块输出的信号中的噪声。
可选地，所述滤波电路模块包括压控电压源二阶低通滤波电路；所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电阻为可变电阻，所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电容为可变电容。
如图5所示，第五电阻R5一端与第四运算放大器U4输出端(第1引脚)连接，另一端与第六电阻R6连接；第六电阻R6一端与第五电阻R5和第三电容C3一端连接，另一端与第四电容C4和第五运算放大器U5正相输入端(第3引脚)连接；第三电容C3另一端与第五运算放大器U5输出端(第1引脚)连接；第四电容C4另一端接地；第五运算放大器U5反相输入端(第2引脚)与第五运算放大器U5输出端(第1引脚)连接。
放大电路模块输出信号中包含高频载波信号，通过滤波电路模块抑制高频信号，输出高精度低噪声的电压信号。滤波电路模块的截止频率为
Figure BDA0002209646590000061
通过调整第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3、第四电容C4实现对截止频率的调整，从而实现不同的低通滤波带宽。
作为本实施例的可选方式，第一运算放大器、第二运算放大器、第四运算放大器和第五运算放大器可选用AD8652芯片，第三运算放大器可选用TS5A23159芯片，它是一种双通道单刀双掷模拟开关调制解调器。
在本实施例中，差分调制模块采用单载波调制解调电路完成陀螺电容变化量到电压信号的转换，差分电容接收到陀螺质量块上的载波信号Vrate，将陀螺敏感检测电容信号调制到高频，实现检测信号和驱动耦合信号频域分离，滤除电路1/f噪声和工频噪声，提高电路抗干扰能力，通过运算放大器U1、U2实现电荷放大，输出带载波的双边带调幅电压信号V1、V2；
信号解调电路将经过调制后放大的陀螺敏感检测信号频率分量从高频段搬回低频段，选用相敏检波电路，不仅可以鉴别信号的相位和频率，又由于基于互相关检测原理可以有效抑制噪声，提高电路抗干扰能力。模拟开关解调不受参考信号幅度的影响，利用与输入调幅信号同频时钟信号控制开关通断进行信号选择，相当于调幅信号与幅度为±1的载波参考信号相乘。
解调电路输出信号Vde1，Vde2中包含高频载波和低频电容信号，通过放大电路放大检测电容信号，滤波电路为二阶低通滤波电路，抑制高频噪声信号，输出低功耗、高精度的与被测敏感信号成正比的电压信号。
本实施例硅微陀螺敏感信号读出电路，可以通过改变放大电路模块中的电阻的阻值调节电压放大倍数；通过调节滤波模块中的电阻的阻值和电容的容量实现对截止频率的调整，从而实现不同的低通滤波带宽。本实施例硅微陀螺敏感信号读出电路，通过独立设置的放大电路模块和滤波电路模块的单独调节，能够实现输出电压的增益带宽可调、幅值可调，具有较好的抗共模干扰特性、降低了功耗、有效提高了信号检测精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：包括：
差分调制模块，包括单载波调制的电荷放大器，所述差分调制模块用于读出陀螺电容变化量并将电容变化量转换为电压信号；
信号解调模块，所述信号解调模块的输入接口与所述差分调制模块的输出接口连接，用于将所述差分调制模块输出的信号进行解调；
放大电路模块，所述放大电路模块的输入接口与所述信号解调模块的输出接口连接，用于将所述信号解调模块输出的信号进行放大；
滤波电路模块，所述滤波电路模块的输入接口与所述放大电路模块的输出接口连接，用于抑制放大电路模块输出的信号中的噪声。
2.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述滤波电路模块包括压控电压源二阶低通滤波电路；所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电阻为可变电阻，所述压控电压源二阶低通滤波电路中的电容为可变电容。
3.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述差分调制模块包括单载波调制的电荷放大器。
4.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述信号解调模块包括双通道单刀双掷模拟开关调制解调器。
5.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述放大电路模块包括差分放大电路。
6.如权利要求5所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述差分放大电路为双端输入，单端输出的差分放大电路。
7.如权利要求5所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述差分放大电路中的电阻为可变电阻。
8.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述信号解调模块包括相敏检波电路。
9.如权利要求4所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述信号解调模块的模拟开关控制信号与所述信号解调模块的输入信号同频同相。
10.如权利要求1所述硅微陀螺敏感信号读出电路，其特征在于：所述信号解调模块采用单载波进行解调。
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