电容式加速度传感器检测电路的设计与研究

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MEMS加速度传感器是一种能够测量加速力的惯性器件。加速度传感器可分为压电式、压阻式、电容式等。其中,电容式加速度传感器具有温度漂移小、灵敏度高、稳定性好等特点,广泛应用与航空航天、消费电子、汽车安全等领域。本论文主要任务是设计电容式加速度传感器的检测电路。本论文主要工作如下:第一章对MEMS的发展和加速度传感器分类做了简要的概述。第二章讨论了电容式加速度传感器的工作原理和检测原理,为设计接口电路提供理论依据。第三章中,首先提出了检测电路的总体设计方案,主要包括前置放大器、带通滤波器、解调器、低通滤波器。前置放大采用单载波双路积分型电路,由电容电压转换放大和减法器构成,实现电容到电压的转换,增益为3×1013。带通滤波采用二阶带通正反馈滤波器,中心频率为40KHz,带宽1.5KHz,增益为18.2,实现对杂波信号的衰减和抑制。解调部分采用乘法器相敏检波电路,线性度好,失真小。低通滤波器采用多路反馈低通滤波器,频率为1.59KHz,增益为10,实现对高频信号的过滤。第四章用模拟软件对各个设计模块和系统进行仿真。前置放大部分,通过改变反馈电容值,在输入差分电容值大于或等于3.6×10-16F时,可以得到符合设计要求的结果,即增益为3×1013。由此可知,测量精度为10-16F数量级。带通滤波部分,模拟结果显示中心频率为38.9KHz,增益为17.2,与理论设计有一定的差距。乘法器检波实现了输出信号频率为输入的两倍的要求。低通滤波器的特征频率为1.59KHz,在频率为10Hz时,实现了10倍增益。在频率为120Hz时便开始衰减,在40KHz时衰减为-38dB。最后对系统进行仿真,得到直流输出,满足设计要求。对系统进行误差分析,检测电路存在10%的误差。
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