本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，為一種基于限幅電路７、帶通濾波器８、自動(dòng)增益控制環(huán)路９和相位補(bǔ)償電路１２為主要組成的交流自動(dòng)增益控制閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)電路。首先，通過自動(dòng)增益控制環(huán)路９調(diào)節(jié)環(huán)路的增益和通過相位補(bǔ)償電路１２調(diào)節(jié)環(huán)路的相位，將增益調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)分離開來，避免了增益調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)之間的耦合影響，方便了電路的調(diào)試；其次，限幅電路７和帶通濾波器８的引入，擴(kuò)大了電路的線性工作范圍，即使Ｉ／Ｖ轉(zhuǎn)換器５檢測到很大的輸出信號(hào)，也會(huì)經(jīng)過限幅電路７，將信號(hào)限制在一定的幅度上，再通過帶通濾波器８將雜波信號(hào)濾除，使反饋回的驅(qū)動(dòng)信號(hào)限制在諧振頻率處，避免了電路中引入非線性信號(hào)，造成諧振的不穩(wěn)定。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，特別是針對微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路。
技術(shù)介紹
隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)械的諧振原理而制造的微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)可用 于微傳感器、微制動(dòng)器和微諧振器，比如諧振式壓力傳感器，振動(dòng)式微機(jī)械陀螺和掃描微 鏡。其中，共電極變電容微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)是其中一大類。該類微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn) 是由具有一個(gè)公共電極1的一對電容或多對電容構(gòu)成，參照圖1所示。通常情況下公共電 極1是可動(dòng)的諧振結(jié)構(gòu)，固定電極12和固定電極113作為固定結(jié)構(gòu)。并且處于諧振狀態(tài)時(shí)， 由于公共電極1的振蕩，當(dāng)一個(gè)電容Cl的容值增大時(shí)，另一個(gè)電容C2的容值減小。其具體 結(jié)構(gòu)舉例如圖2至圖6所示。圖2所示的結(jié)構(gòu)為雙端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側(cè)有固定電極；圖 3所示結(jié)構(gòu)為單端固支的梁或膜，上下振蕩，該梁或膜的兩側(cè)有固定電極；圖4所示結(jié)構(gòu)為 平板旋轉(zhuǎn)諧振結(jié)構(gòu)，該平板繞黑點(diǎn)0所在的垂直于圖示剖面的軸來回旋轉(zhuǎn)振蕩，其下側(cè)分 別有兩個(gè)分離的固定電極；圖5所示結(jié)構(gòu)為梳齒驅(qū)動(dòng)諧振結(jié)構(gòu)，中間質(zhì)量塊為諧振結(jié)構(gòu)，兩 側(cè)為固定電極；圖6所示結(jié)構(gòu)也為梳齒驅(qū)動(dòng)諧振結(jié)構(gòu)，其與圖5所示結(jié)構(gòu)相比，它兩側(cè)的固 定電極是斷開的。對于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)，靜電力閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式可以有效提高諧振的穩(wěn)定性，將其振 蕩的頻率和幅值穩(wěn)定在某一恒定的數(shù)值。2006年，中北大學(xué)李錦明在其博士學(xué)位論文“高 信噪比電容式微機(jī)械陀螺的研究”中闡述了三種AGC閉環(huán)電路原理，概括而言就是運(yùn)用簡 單的減法器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。這種閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定振蕩的相位條件和增益條件相互 耦合，線性工作范圍小，調(diào)試比較困難。2006年，東南大學(xué)楊波和周百令發(fā)表在《宇航學(xué)報(bào)》 上的論文“一種改進(jìn)的高精度硅微陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方案研究”中，提出了一種閉環(huán)增益和相 角的解耦調(diào)節(jié)，但是該方案的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為方波，引入了其他頻率分量，造成閉環(huán)諧振的穩(wěn)定 性差，引入了噪聲。2009年，國防科技大學(xué)肖定邦、侯占強(qiáng)等人發(fā)表在《國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》 上的論文“微陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方法”中提到了一種相位控制技術(shù)的微陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，但是 該電路也因?yàn)橐肓吮容^器，而產(chǎn)生非線性的靜電力，造成閉環(huán)諧振的穩(wěn)定性差，也引入了 噪聲。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試過程中增益調(diào)節(jié)與相位 調(diào)節(jié)相互耦合影響，難于調(diào)試；電路信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化范圍較小，不能有效實(shí)現(xiàn)諧振結(jié)構(gòu)閉環(huán) 自激振蕩的缺點(diǎn)，同時(shí)避免閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路中引入非線性的信號(hào)，造成諧振結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定諧 振，本專利技術(shù)提出了一種新的用于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是一種用于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，由I/V轉(zhuǎn)換器 5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動(dòng)增益控制環(huán)路9，相位補(bǔ)償電路12和力矩器13組成。本專利技術(shù)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖參閱圖7所示。微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的電容變化引起充放電電流變化，該變化電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器5 后，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；Ι/ν轉(zhuǎn)換器5可由跨阻放大器或者電荷放大器實(shí)現(xiàn)；該電 壓信號(hào)經(jīng)過通帶截止頻率不小于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4諧振頻率的低通濾波器6后，進(jìn)入限幅 電路7；限幅電路7輸出的信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器8，進(jìn)行信號(hào)的選頻，濾除由限幅電路7的 限幅而引入的雜波分量；帶通濾波器8的通帶包含微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的諧振頻率；選頻后 的信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)增益控制環(huán)路9進(jìn)行自動(dòng)增益的控制；自動(dòng)增益控制環(huán)路9包括可變增益 放大器10和交流/直流轉(zhuǎn)換器11 ；交流/直流轉(zhuǎn)換器11可以通過整流器加低通濾波器實(shí) 現(xiàn)，也可通過真有效值轉(zhuǎn)換器直接實(shí)現(xiàn)；可變增益放大器10輸出的信號(hào)經(jīng)過交流/直流轉(zhuǎn) 換器11后，轉(zhuǎn)換的直流信號(hào)與參考電壓Vd進(jìn)行比較控制可變增益放大器10的放大倍數(shù)， 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的控制；自動(dòng)增益控制環(huán)路9的輸出信號(hào)進(jìn)入相位補(bǔ)償電路12，進(jìn)行相 位的補(bǔ)償；相位補(bǔ)償電路12是相位超前電路或者相位延時(shí)電路；相位補(bǔ)償電路12的輸出 經(jīng)過力矩器13反饋回來驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的振蕩。微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4，I/V轉(zhuǎn)換器5，低通濾波器6，限幅電路7，帶通濾波器8，自動(dòng)增 益控制環(huán)路9，相位補(bǔ)償電路12，力矩器13的增益?zhèn)鬟f函數(shù)分別為Al，A2，A3，A4，A5，A6， A7，A8，才目■分另Ij為φ ，φ2,φ3, φ4, φ5, φ6, φ7, φ8。自動(dòng)增益控制環(huán)路9，調(diào)節(jié)整個(gè)環(huán)路的增益，使其滿足微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的增益起 振條件和穩(wěn)定振蕩的增益平衡條件，即在該微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的諧振頻率上，上電起振時(shí)T =Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 > 1 ；穩(wěn)定振蕩時(shí)，T = Al ·Α2 ·Α3 ·Α4 ·Α5 ·Α6 ·Α7 ·Α8 =1。相位補(bǔ)償電路12，調(diào)節(jié)整個(gè)環(huán)路的相位，使其滿足微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的相位起振 條件和穩(wěn)定振蕩的相位平衡條件，即在該微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4的諧振頻率上，上電起振時(shí)和 11 ^ii^ W^Wφ=φ 1 +φ2+φ3+φ4+φ5+φ6+φ7+φ8=2ηπ, η 力―。本專利技術(shù)的有益效果是本專利技術(shù)提出了基于限幅電路7、帶通濾波器8、自動(dòng)增益控 制環(huán)路9和相位補(bǔ)償電路12為主要組成的交流自動(dòng)增益控制閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)方案。該閉環(huán) 驅(qū)動(dòng)方案，第一，通過自動(dòng)增益控制環(huán)路9調(diào)節(jié)環(huán)路的增益和通過相位補(bǔ)償電路12調(diào)節(jié)環(huán) 路的相位，將增益調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)分離開來，避免了增益調(diào)節(jié)與相位調(diào)節(jié)之間的耦合影響， 方便了電路的調(diào)試；第二，限幅電路7和帶通濾波器8的引入，擴(kuò)大了電路的線性工作范圍， 即使I/V轉(zhuǎn)換器5檢測到很大的輸出信號(hào)，也會(huì)經(jīng)過限幅電路7，將信號(hào)限制在一定的幅度 上，再通過帶通濾波器8將雜波信號(hào)濾除，使反饋回的驅(qū)動(dòng)信號(hào)限制在諧振頻率處，避免了 電路中引入非線性信號(hào)，造成諧振的不穩(wěn)定。附圖說明圖1是本專利技術(shù)所針對的微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)電學(xué)模型示意圖；圖2是本專利技術(shù)所針對結(jié)構(gòu)舉例的雙端固支梁或膜微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；圖3是本專利技術(shù)所針對結(jié)構(gòu)舉例的單端固支梁或膜微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；圖4是本專利技術(shù)所針對結(jié)構(gòu)舉例的平板旋轉(zhuǎn)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；圖5是本專利技術(shù)所針對結(jié)構(gòu)舉例的靜齒一體的梳齒驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；圖6是本專利技術(shù)所針對結(jié)構(gòu)舉例的靜齒斷開的梳齒驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；圖7是本專利技術(shù)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖；圖8是本專利技術(shù)實(shí)施例一閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖；圖9是本專利技術(shù)實(shí)施例二閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖；圖10是本專利技術(shù)實(shí)施例三閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖；圖中 1-公共電極；2-固定電極I ；3-固定電極II ；4-微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)；5-I/V轉(zhuǎn)換器； 6-低通濾波器；7-限幅電路；8-帶通濾波器；9-自動(dòng)增益控制環(huán)路；10-可變增益放大器； 11-交流/直流轉(zhuǎn)換器；12-相位補(bǔ)償電路；13-力矩器；14-微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)一 ；15-敏感 電極AI ；16-敏感電極AII ；17-驅(qū)動(dòng)電極AI ；18-驅(qū)動(dòng)電極AII ； 19-電荷放大器；20-單位 增益放大器；21-加法器AI ；22-反相器；23-加法器AII ；24-敏感電極B ;25_驅(qū)動(dòng)電極B ； 26-加法器B ；27-微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)二。具體實(shí)施例方式實(shí)施例一第一種用于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，本實(shí)施例針對的微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)4 對應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)是圖6所示靜齒斷開的梳齒驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)，圖8中將該結(jié)構(gòu)抽象為 微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)一 14，其具本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，由Ⅰ／Ⅴ轉(zhuǎn)換器（５），低通濾波器（６），限幅電路（７），帶通濾波器（８），自動(dòng)增益控制環(huán)路（９），相位補(bǔ)償電路（１２）和力矩器（１３）組成；微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的電容變化引起充放電電流變化，該變化電流經(jīng)Ⅰ／Ⅴ轉(zhuǎn)換器（５）后，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)經(jīng)過通帶截止頻率不小于微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）諧振頻率的低通濾波器（６）后，進(jìn)入限幅電路（７）；限幅電路（７）輸出的信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器（８），進(jìn)行信號(hào)的選頻，濾除由限幅電路（７）的限幅而引入的雜波分量；帶通濾波器（８）的通帶包含微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的諧振頻率；選頻后的信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)增益控制環(huán)路（９）進(jìn)行自動(dòng)增益的控制；自動(dòng)增益控制環(huán)路（９）包括可變增益放大器（１０）和交流／直流轉(zhuǎn)換器（１１）；可變增益放大器（１０）輸出的信號(hào)經(jīng)過交流／直流轉(zhuǎn)換器（１１）后，轉(zhuǎn)換的直流信號(hào)與參考電壓Ｖｄ進(jìn)行比較控制可變增益放大器（１０）的放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的控制；自動(dòng)增益控制環(huán)路（９）的輸出信號(hào)進(jìn)入相位補(bǔ)償電路（１２），進(jìn)行相位的補(bǔ)償；相位補(bǔ)償電路（１２）是相位超前電路或者相位延時(shí)電路；相位補(bǔ)償電路（１２）的輸出經(jīng)過力矩器（１３）反饋回來驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的振蕩；微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４），Ⅰ／Ⅴ轉(zhuǎn)換器（５），低通濾波器（６），限幅電路（７），帶通濾波器（８），自動(dòng)增益控制環(huán)路（９），相位補(bǔ)償電路（１２），力矩器（１３）的增益?zhèn)鬟f函數(shù)分別為Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８，相移分別為φ１，φ２，φ３，φ４，φ５，φ６，φ７，φ８；自動(dòng)增益控制環(huán)路（９），調(diào)節(jié)整個(gè)環(huán)路的增益，使其滿足微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的增益起振條件和穩(wěn)定振蕩的增益平衡條件，即在該微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的諧振頻率上，上電起振時(shí)Ｔ＝Ａ１.Ａ２.Ａ３.Ａ４.Ａ５.Ａ６.Ａ７.Ａ８＞１；穩(wěn)定振蕩時(shí)，Ｔ＝Ａ１.Ａ２.Ａ３.Ａ４.Ａ５.Ａ６.Ａ７.Ａ８＝１；相位補(bǔ)償電路（１２），調(diào)節(jié)整個(gè)環(huán)路的相位，使其滿足微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的相位起振條件和穩(wěn)定振蕩的相位平衡條件，即在該微機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)（４）的諧振頻率上，上電起振時(shí)和穩(wěn)定振蕩時(shí)都有φ＝φ１＋φ２＋φ３＋φ４＋φ５＋φ６＋φ７＋φ８＝２ｎπ，ｎ為整數(shù)。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：喬大勇，王玉朝，任森，苑偉政，袁廣民，李小卿，
申請(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：87[中國|西安]
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