本發(fā)明涉及硅微陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)電路。

背景技術(shù)：

硅微機(jī)械陀螺儀是mems技術(shù)在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，它利用哥氏效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量敏感軸的輸入角速率。相較于傳統(tǒng)陀螺儀，它具有體積小、重量輕、成本低、可批量生產(chǎn)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，微慣性器件的這些特點(diǎn)使得它具有更寬廣的應(yīng)用范圍，不僅可以用在汽車(chē)工程、移動(dòng)通信、大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、微型衛(wèi)星、運(yùn)動(dòng)器材等民用領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在軍事領(lǐng)域上，包括制導(dǎo)炸彈、無(wú)人駕駛機(jī)智能炸彈等。

硅微陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)利用在電容的兩極板上施加交流電壓，產(chǎn)生靜電驅(qū)動(dòng)力，從而使其產(chǎn)生沿驅(qū)動(dòng)方向的機(jī)械振動(dòng)；當(dāng)有角速度輸入時(shí)，產(chǎn)生的哥氏力使得檢測(cè)模態(tài)在與驅(qū)動(dòng)方向正交的方向上振動(dòng)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)位移信號(hào)的提取以及后續(xù)處理就可以得到輸入角速度信號(hào)。硅微陀螺儀微機(jī)械結(jié)構(gòu)中位移的檢測(cè)多采用差分電容方式實(shí)現(xiàn)，接口電路通過(guò)完成電容/電壓轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感位移的檢測(cè)，但是由于微陀螺質(zhì)量較輕、振動(dòng)速度較低，由哥氏效應(yīng)引起位移變化非常微小，導(dǎo)致差分檢測(cè)電容變化量在10^-18f量級(jí)甚至更小，電容相對(duì)變化量δc/c為10^-8量級(jí)，而周?chē)h(huán)境的寄生電容在幾百個(gè)ff到幾個(gè)pf之間，且寄生電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)引入各種干擾信號(hào)，故硅微陀螺儀輸出信號(hào)非常容易受到各種噪聲和干擾信號(hào)的影響。因此，硅微陀螺儀機(jī)電接口需要一種高性能的差分電容檢測(cè)電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)電路。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)電路，包括方波發(fā)生器、橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)、參考電容以及差分運(yùn)算放大器，方波發(fā)生器一端接地，另一端連接待檢測(cè)硅微陀螺儀差分電容，待檢測(cè)硅微陀螺儀差分電容連接橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)，而參考電容以及差分運(yùn)算放大器均與橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)相連接；

方波發(fā)生器，用于產(chǎn)生方波電壓信號(hào)；

橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)，在方波正負(fù)半周期切換電路狀態(tài)，形成相應(yīng)的充放電回路；

參考電容，用于方波正負(fù)半周期充放電過(guò)程中電荷的存儲(chǔ)及積累，并形成與差分電容變化量相關(guān)的電壓信號(hào)；

差分運(yùn)算放大器，用于將參考電容上的電壓信號(hào)做差后輸出。

其中，方波發(fā)生器一端與地相連，另一端與所述硅微陀螺敏感差分電容的公共端相連。

其中，橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)包括第一模擬開(kāi)關(guān)、第二模擬開(kāi)關(guān)、第三模擬開(kāi)關(guān)及第四模擬開(kāi)關(guān)，第一模擬開(kāi)關(guān)一端與第二模擬開(kāi)關(guān)的一端相連，另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)的一端相連；第二模擬開(kāi)關(guān)的另一端與第三模擬開(kāi)關(guān)的一端相連；第三模擬開(kāi)關(guān)的另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)的另一端相連。

其中，硅微陀螺敏感差分電容獨(dú)立端與第一模擬開(kāi)關(guān)和第二模擬開(kāi)關(guān)的連接端相連，差分電容獨(dú)立端與第三模擬開(kāi)關(guān)和第四模擬開(kāi)關(guān)的連接端相連。

其中，參考電容包括第一參考電容和第二參考電容，第一參考電容的一端與第四模擬開(kāi)關(guān)和第一模擬開(kāi)關(guān)的連接端相連，并與差分放大器的反相輸入端相連，第一參考電容的另一端與地相連；第二參考電容的一端與第二模擬開(kāi)關(guān)與第三模擬開(kāi)關(guān)的連接端相連，并與差分放大器的同相輸入端相連。

有益效果：本發(fā)明的一種硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)電路，具有以下有益效果：

(1)無(wú)信號(hào)調(diào)制與解調(diào)過(guò)程，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了電路具體實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的要求；

(2)電路檢測(cè)靈敏度與硅微陀螺敏感差分電容的靜態(tài)值成反比，而硅微陀螺儀差分電容靜態(tài)值通常在10^-12f量級(jí)，故具有較高的檢測(cè)靈敏度，特別適合應(yīng)用于硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)；

(3)信號(hào)經(jīng)差分放大器輸出，可有效抑制共模噪聲。

綜上所述，本發(fā)明提出的差分電容檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效實(shí)現(xiàn)硅微陀螺儀敏感差分電容的檢測(cè)，提高硅微陀螺儀的信號(hào)檢測(cè)靈敏度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施方式差分電容檢測(cè)電路示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施方式的第一參考電容與第二參考電容上電壓曲線(xiàn)；

圖3為與圖2中第一參考電容與第二參考電容電壓曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的差分放大器輸出電壓曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種硅微陀螺儀差分電容檢測(cè)電路，包括用于產(chǎn)生方波電壓信號(hào)的方波發(fā)生器vref、在方波正負(fù)半周期切換電路狀態(tài)，形成相應(yīng)的充放電回路的橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)、用于方波正負(fù)半周期充放電過(guò)程中電荷的存儲(chǔ)及積累，并形成與差分電容變化量相關(guān)的電壓信號(hào)的參考電容，以及用于將參考電容上的電壓信號(hào)做差后輸出的差分運(yùn)算放大器，方波發(fā)生器一端接地，另一端連接待檢測(cè)硅微陀螺儀差分電容，待檢測(cè)硅微陀螺儀差分電容連接橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)，而參考電容以及差分運(yùn)算放大器均與橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)相連接。方波發(fā)生器vref一端與地相連，另一端與所述硅微陀螺敏感差分電容的公共端相連。橋式結(jié)構(gòu)連接的模擬開(kāi)關(guān)包括第一模擬開(kāi)關(guān)s1、第二模擬開(kāi)關(guān)s2、第三模擬開(kāi)關(guān)s3及第四模擬開(kāi)關(guān)s4，第一模擬開(kāi)關(guān)s1一端與第二模擬開(kāi)關(guān)s2的一端相連，另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4的一端相連；第二模擬開(kāi)關(guān)s2的另一端與第三模擬開(kāi)關(guān)s3的一端相連；第三模擬開(kāi)關(guān)s3的另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4的另一端相連。硅微陀螺敏感差分電容獨(dú)立端與第一模擬開(kāi)關(guān)s1和第二模擬開(kāi)關(guān)s2的連接端相連，差分電容c1和c2獨(dú)立端與第三模擬開(kāi)關(guān)s3和第四模擬開(kāi)關(guān)s4的連接端相連。參考電容包括第一參考電容c3和第二參考電容c4，第一參考電容c3的一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4和第一模擬開(kāi)關(guān)s1的連接端相連，并與差分放大器的反相輸入端相連，第一參考電容c3的另一端與地相連；第二參考電容c4的一端與第二模擬開(kāi)關(guān)s2與第三模擬開(kāi)關(guān)s3的連接端相連，并與差分放大器a0的同相輸入端相連。

具體地，如圖1所示，方波發(fā)生器vref一端與地相連，另一端與所述硅微陀螺敏感差分電容c1和c2的公共端相連。第一模擬開(kāi)關(guān)s1一端與第二模擬開(kāi)關(guān)s2的一端相連，另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4的一端相連；第二模擬開(kāi)關(guān)s2的另一端與第三模擬開(kāi)關(guān)s3的一端相連；第三模擬開(kāi)關(guān)s3的另一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4的另一端相連。

差分電容c1獨(dú)立端與第一模擬開(kāi)關(guān)和第二模擬開(kāi)關(guān)的連接端相連，差分電容c2獨(dú)立端與第三模擬開(kāi)關(guān)s3和第四模擬開(kāi)關(guān)s4的連接端相連。

第一參考電容c3的一端與第四模擬開(kāi)關(guān)s4和第一模擬開(kāi)關(guān)s1的連接端相連，并與差分放大器a0的反相輸入端相連，第一參考電容c3的另一端與地相連；第二參考電容c4的一端與第二模擬開(kāi)關(guān)s2與第三模擬開(kāi)關(guān)s3的連接端相連，并與差分放大器a0的同相輸入端相連。

本發(fā)明工作原理：

結(jié)合圖1，圖中c1、c2為硅微陀螺差分電容，且有c1＝c0+δc、c2＝c0-δc，其中c0為差分電容的靜態(tài)值，δc為差分電容變化量，第一參考電容c3、第二參考電容c4容值大小均為c。方波發(fā)生器vref產(chǎn)生的方波幅度為v，頻率為mhz量級(jí)。在方波正半周，第二模擬開(kāi)關(guān)s2、第四模擬開(kāi)關(guān)s4導(dǎo)通，電壓v通過(guò)電容c1對(duì)第二參考電容c4充電，通過(guò)電容c2對(duì)第一參考電容c3充電，電容c1、c2上存儲(chǔ)的電荷分別與第二參考電容c4、第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷中和后重新分布；在方波的負(fù)半周，第一模擬開(kāi)關(guān)s1、第三模擬開(kāi)關(guān)s3導(dǎo)通，電壓-v通過(guò)電容c1對(duì)第一參考電容c3放電，通過(guò)電容c2對(duì)第二參考電容c4放電，c1、c2上存儲(chǔ)的電荷分別與第一參考電容c3、第二參考電容c4上原有的電荷中和后重新分布。在這個(gè)過(guò)程中，模擬開(kāi)關(guān)在方波正半周期和負(fù)半周期切換狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多個(gè)方波周期后，第一參考電容c3、第二參考電容c4上的電壓將逐漸趨于穩(wěn)定，差分運(yùn)算放大器輸出相應(yīng)趨于穩(wěn)定。圖2展示了差分電容變化量為δc時(shí)，第一參考電容c3、第二參考電容c4輸出電壓的變化，圖3展示了相應(yīng)的差分放大器a0輸出電壓的變化。

在方波第n個(gè)周期的正半周期，第二模擬開(kāi)關(guān)s2、第四模擬開(kāi)關(guān)s4閉合，第一模擬開(kāi)關(guān)s1、第三模擬開(kāi)關(guān)s3斷開(kāi)，則差分檢測(cè)電容c1、c2，第一參考電容c3、第二參考電容c4上此時(shí)的電荷量分別等于第n-1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)各電容的電荷量。考慮第二模擬開(kāi)關(guān)s2、第四模擬開(kāi)關(guān)s4閉合后的穩(wěn)態(tài)，電容c1與第二參考電容c4，電容c2與第一參考電容c3組成閉合回路，電荷和電壓可以表示為：

式(a1)中，q1-(n-1)為第n-1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c1上存儲(chǔ)的電荷量，q2-(n-1)為第n-1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c2上存儲(chǔ)的電荷量，q3-(n-1)為第n-1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷量，，q4-(n-1)為第n-1載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷量，va+(n)為第n次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)a處的電壓，vb+(n)為第n次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)b處的電壓，vc+(n)為第n次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)c處的電壓，vd+(n)為第n次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)d處的電壓，q1+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)c1上存儲(chǔ)的電荷，q2+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)c2上存儲(chǔ)的電荷，q3+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷，q4+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷。

在方波第n個(gè)周期的負(fù)半周期，第一模擬開(kāi)關(guān)s1、第三模擬開(kāi)關(guān)s3閉合，第二模擬開(kāi)關(guān)s2、第四模擬開(kāi)關(guān)s4斷開(kāi)，則差分檢測(cè)電容c1、c2，第一參考電容c3、第二參考電容c4上此時(shí)的電荷量分別等于第n個(gè)載波正半周期結(jié)束時(shí)各電容的電荷量。考慮第一模擬開(kāi)關(guān)s1、第三模擬開(kāi)關(guān)s3導(dǎo)通后的穩(wěn)態(tài)，電容c1與第一參考電容c3，電容c2與第二參考電容c4組成閉合回路，電荷和電壓可以表示為：

式(a2)中，q1-(n)為第n個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c1上存儲(chǔ)的電荷量，q2-(n)為第n個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c2上存儲(chǔ)的電荷量，q3-(n)為第n個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷量，q4-(n)為第n個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷量，va-(n)為第n次載波周期負(fù)半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)a處的電壓，vb-(n)為第n次載波周期負(fù)半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)b處的電壓，vc-(n)為第n次載波周期負(fù)半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)c處的電壓，vd-(n)為第n次載波周期負(fù)半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)d處的電壓，q1+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)c1上存儲(chǔ)的電荷，q2+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)c2上存儲(chǔ)的電荷，q3+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷，q4+(n)第n個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷。

通過(guò)對(duì)公式a1與公式a2的迭代計(jì)算分析可得出：

q為等比序列的公比，且有

因此，考慮該等比序列的初始值。n＝1時(shí)，在正半周期，各電容上的初始電荷量均為0，則有：

式(a6)中，q1+(1)為第1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c1上存儲(chǔ)的電荷量，q2+(1)為第1個(gè)載波負(fù)半周期結(jié)束時(shí)電容c2存儲(chǔ)的電荷量，q3+(1)第1個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷，q4+(1)第1個(gè)周期的正半周結(jié)束時(shí)第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷。q1(0)為施加載波之前第一參考電容c3上存儲(chǔ)的電荷量，q4(0)為施加載波之前第二參考電容c4上存儲(chǔ)的電荷量，va+(1)為第1次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)a處的電壓，vb+(1)為第1次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)b處的電壓，vc+(1)為第1次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)c處的電壓，vd+(1)為第1次載波周期正半周電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后點(diǎn)d處的電壓。

根據(jù)上式求得：

同理，n＝2時(shí)，可求得：

故：

由于vb+(3)-vb+(2)、……vb+(n+1)-vb+(n)成等比數(shù)列，其前n項(xiàng)之和為：

則

根據(jù)式a(10)與式a(11)，對(duì)于差分檢測(cè)電容與參考電容初始電荷量為0的初始狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多個(gè)方波周期，當(dāng)n→+∞時(shí)，方波正半周第一參考電容c3上電壓為：

式(12)中，vb+(+∞)為方波正半周第一參考電容c3上電壓穩(wěn)定后的電壓值。

方波負(fù)半周第一參考電容c3上的電壓穩(wěn)定后的值為：

式(13)中，vb-(+∞)為方波負(fù)半周第一參考電容c3上電壓穩(wěn)定后的電壓值。

同理，可以得出第二參考電容c4上電壓穩(wěn)定后的值為：

式(14)中，vd+(+∞)為方波正半周c4上電壓穩(wěn)定后的電壓值，vd-(+∞)為方波負(fù)半周第二參考電容c4上電壓穩(wěn)定后的電壓值。

因此，當(dāng)?shù)谝粎⒖茧娙輈3、第二參考電容c4上電壓穩(wěn)定時(shí)，差分放大器的輸出為：

將c1＝c0+δc、c2＝c0-δc代入上式可得：

式中，vout為差分放大器輸出電壓信號(hào)。

通常取得δc<<c0<<c，則上式可化簡(jiǎn)為：

式(17)中，vout為差分放大器輸出電壓信號(hào)。

即當(dāng)差分電容c1、c2變化量為δc時(shí)，該檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)為vout，其值與差分電容的變化量δc成正比，從而根據(jù)差分運(yùn)算放大器輸出電壓大小可以得到硅微陀螺儀的差分電容變化量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。