改善数字式加速度计处理电路温度稳定性的一种方法

　　在现代社会, MEMS 加速度计被广泛地运用于航空航天、惯性导航、军事、汽车、消费电子、工业、医疗等各个领域[ 1- 3] 。MEMS加速度计的性能取决于MEMS加速度传感器的性能和处理电路的性能。MEMS加速度计性能指标包括噪声、稳定性、线性度、量程等。本文主要讲的是如何提高加速度计的稳定性。加速度计稳定性受两部分影响, 分别为MEMS加速度传感器和处理电路。本文所设计的加速计中, 由于不同的加速度传感器的温度特性基本上不一致, 很多相差比较大, 从而无法用一个统一的温度补偿的模型对其进行补偿, 即使对单个传感器进行各自补偿, 补偿精度也很有限, 因此在本设计中对MEMS加速度器件使用TEC 温控系统实现精确的温度控制[ 4- 5] , 使加速度传感器稳定在一个恒定的温度, 经过如此处理后, 使整个加速度计系统的温度稳定性完全取决于处理电路的温度稳定性。而经过实验测试可以得出本文所用的14 位模数转换器和14位数模转换器的温度系数比较大, 两者都在之间, 严重影响了数字式MEMS 加速度计的温度稳定性。本文所使用的AD 芯片是两路AD 集成在同一块芯片上的, 通过实验测定集成在一块芯片上的两路AD 的温度系数相差在20% 之内。基于上述的测试结论,本文提出了一种将两路温度特性相近的信号进行相除运算, 即调幅信号经过一路AD进入数字系统, 并在其中实现解调滤波, 所得到的直流信号作为被除数, DA 输出的模拟载波信号经过另一路AD 进入数字系统, 并在其中实现解调滤波, 所得到的直流信号作为除数, 将所得到的除数和被除数在数字系统中完成相除运算, 从而改善由数模转换器以及模数转换器所引起的MEMS加速度计温度稳定性的恶化,并且通过实际系统测试得出改进后系统的温度系数改善接近9倍, 稳定性提高12. 5倍。

　　1 数字式加速度计系统

　　图1是数字式加速度计系统的原理框图。数字式电路检测系统包括载波信号产生部分, 电容-电压转换部分, 调幅解调部分以及滤波部分。其中由数字部分完成载波信号产生、调幅信号带通滤波、调幅信号解调以及解调信号低通滤波等功能, 模拟部分完成电容-电压转换功能。数字部分与模拟部分的接口使用AD, DA 芯片来实现。在本系统中由数字部分产生数字正弦信号由DA 芯片转换为模拟电压正弦信号作为电荷放大电路的载波, 该载波施加到MEMS加速度传感器的差分电容的中间电极上, 本文所使用的MEMS 加速度传感器为电容式加速度传感器, 这种传感器是通过内部差分电容的变化来感应外部的加速度量。当外部输入一个加速度量,待检测的差分电容发生变化, 电荷放大电路将差分电容变化信号调制到载波信号的幅度上。该调制信号经过仪表放大器放大后通过AD转换为数字信号进入数字部分, 在数字部分中对调幅信号进行解调和滤波, 最后通过RS232 接口将数字量输入计算机, 这个数字量与电容差值成正比关系。