CC BY
64
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Б.Н. Рыгалин. Коноплев Борис Георгиевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: kbg@tti.sfedu.ru.
347928, г. Тагаганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371767.
Факультет электроники и приборостроения; декан; д.т.н.; профессор.
Вииарьева Валерия Валерьевна .
Рындин Евгений Адальбертович
Южный научный центр Российской академии наук, г. Ростов-на-Дону.
E-mail: ryn@fep.tti.sfedu.ru.
344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41.
Тел.: 88634311584.
Ведущий научный сотрудник; д.т.н.; доцент.
Konoplev Boris Georgievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: kbg@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371767.
College of Electronics and Electronic Equipment Engineering; Dean; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
Ryndin Eugeny Adalbertovich
Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don.
E-mail: ryn@fep.tti.sfedu.ru.
41, Chekhov Street, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Phone: +78634311584.
Senior Researcher; Dr. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Vinaryeva Valeriya Valerevna
Undergraduate.
УДК 621.3.049.77
Б.Г. Коноплев, ЕЛ. Рындин, И.Е. Лысенко
УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ УГЛОВЫХ
СКОРОСТЕЙ*
Разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы интегрального устройства обработки сигналов емкостных преобразователей микромеханического гироскопа на основе анализа частоты огибающей сигнала биений, формируемого генераторами гармонических колебаний, в частотозадающие цепи которых включены емкостные преобразователи микромеханического гироскопа, работающие в противофазе. Получены резуль-
*
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственные контракты №П1224 от 27.08.2009г. и № 16.740.11.0425 от 03.12.2010, проект 2.1.2/10229).
таты схемотехнического моделирования. Показано, что предложенная схема в микроэлектронном исполнении обеспечивает измерение разности емкостей преобразователей менее 0,3 фФ и характеризуется линейной зависимостью частоты выходного сигнала от разности входных емкостей.
Устройство; обработка сигналов; микроэлектромеханические системы; сенсор; ги.
B.G. Konoplev, E.A. Ryndin, I.E. Lysenko
THE PROCESSING DEVICE OF CAPACITOR CONVERTERS SIGNALS OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPES
A processing integrated device structural and electric basic schemes of capacitor signals converters of a micromechanical gyroscope on the basis of the analysis of frequency bending around a differential signal, formed by generators of harmonious fluctuations are developed, which are included the capacitor converters of a micromechanical gyroscope working in an antiphase. Results of modeling are received. It is shown that the offered scheme in microelectronic execution provides measurement of a difference of capacities of converters less than 0,3 fF and is characterized by linear dependence of frequency of an output signal on a difference of entrance capacities.
Device; processing signal; microelectromechanical systems; sensor; gyroscope.
Съем и обработка информации с емкостных преобразователей микромехани-ческих сенсоров угловых скоростей требует разработки соответствующего инте.
Основной особенностью емкостных преобразователей, используемых в разработанных коллективом НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ микромеханических сенсорах угловых скоростей [1, 2], является крайне незначительное изменение емкостей при наличии составляющих угловой скорости по соответствующим осям координат. Предварительные оценки, полученные с использованием пакета ANSYS, , -ловых скоростей изменяются в пределах (10 ± 1) фФ. При этом емкости каждой пары преобразователей изменяются в противофазе, что может быть использовано для повышения чувствительности разрабатываемой схемы.
,
раз меньше по величине паразитных емкостей субмикронных интегральных струк-, -диционных схем съема и обработки данных, описание которых приведено в [3-5], связано с необходимостью решения целого ряда проблем.
Одним из возможных путей решения данных проблем является использование частоты биений, полученных в результате смешения колебаний пар генерато-,
элементы преобразователей с противофазным изменением емкостей при воздействии угловой скорости.
Несмотря на то, что при указанных пределах изменений частотозадающих емкостей и с учетом паразитных емкостей активных и пассивных элементов и соединений схемы относительные изменения выходных частот генераторов будут ,
колебаний генераторов обеспечит существенное изменение частоты биений, что позволит значительно повысить чувствительность схемы съема и обработки по сравнению с аналогичными [3].
Структурная схема интегрального устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа, использующая частоту биений сигналов генераторов, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема интегрального устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического
сенсора угловых скоростей
В состав схемы входят: два генератора, в частотозадающие цепи которых включены соответствующие емкостные элементы преобразователей с противофазным изменением емкостей при воздействии угловой скорости; смеситель, обеспечивающий выделение биений из сигналов и1 и И2 с близкими частотами; детектор, формирующий огибающую И4 сигнала биений ИЗ; усилитель (И5) огибающей сигнала биений И4; инвертор, преобразующий усиленную огибающую сигнала биений И5 в серию импульсов ИВых Для последующей цифровой обработки.
, , -ведена на рис. 1, обеспечивает преобразование «р^ность емкостей - разность фаз - частота».
Последующее устройство цифровой обработки будет содержать: эталонный , , -изводиться подсчет выходных импульсов Ивых; счетчик выходных импульсов; счетчик импульсов кварцевого генератора, в течение которых будет определяться максимальная частота огибающей сигнала биений (по частоте выходных импуль-И );
выходных импульсов, определяемых измеряемыми угловыми скоростями; дешифратор максимальной частоты выходных импульсов в количественные характеристики угловой скорости; блок индикаторов для отображения измеренных угловых .
Схема электрическая принципиальная интегрального устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханиче-
. 2.
Генератор 1 выполнен на элементах УТІ, Ш, И2, С1 - С4, Ь1 по схеме емко.
обеспечивает минимизацию паразитных емкостей в частотозадающей цепи и, как ,
4,
преобразователей микромеханического гироскопа.
Усилитель, выполненный на элементах УТ3, С9, И5 - И7, обеспечивает увеличение амплитуды выходного сигнала генератора и повышение его нагрузочной способности. Разделительный конденсатор С9 устраняет постоянную составляющую выходного напряжения генератора (сток транзистора УТ1), а делитель напряжения на резисторах Иб, И7 задает рабочую точку усилителя для обеспечения его работы в линейном режиме.
Аналогичным образом выполнены схемы генератора 2 на элементах УТ2, И3, И4, С5 - С8, Ь2 и усилителя на элементах УТ4, С10, И8 - Ш0.
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная интегрального устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа
Сигналы генераторов после усиления подаются на смеситель, выполненный на элементах С11, С12, Ш1 - Ш3, УТ5. Ввиду отсутствия делителя напряжения на затворе транзистора УТ5, рабочая точка каскада соответствует нулевому напряжению на затворе. Учитывая, что пороговое напряжение всех п-канадьных транзисторов в данной схеме задается исходя из условия иПоР = 0,ШПит, ГДО иПит - на, УТ5 ,
осуществляя тем самым частичное детектирование сигнала биений.
Детектор выполнен на элементах С13, Ш4, УБ1, УБ2, Ш5, Ь3, С15. Конденсатор С13 устраняет постоянную составляющую выходного напряжения смесителя, диоды УБ1, УБ2 осуществляют срез отрицательных полу периодов детектируемого сигнала, контур Ь3, С15 сглаживает пульсации и выделяет огибающую .
Четырехкаскадный усилитель огибающей сигнала биений выполнен на элементах УТ6 - УТ9, С16 - С20, Ш6 - И25.
Разделительные конденсаторы С16, С18, С20 устраняют постоянные составляющие сигналов на входах соответствующих каскадов усилителя, делители напряжения R16, R25, R19, R20, R22, R23 задают рабочие точки усилительных каскадов, конденсаторы С17 и С19 дополнительно сглаживают амплитуду пульсаций .
Выходной сигнал усилителя подается на вход инвертора, выполненного на комплементарной паре транзисторов VT10, VT11. На выходе инвертора формируются прямоугольные импульсы, амплитуда которых близка к напряжению питания, а частота следования соответствует частоте усиленной огибающей сигнала биений.
Схемотехническая модель устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа разработана для моделирования в подсистеме TSpice системы автоматизированного проектирования топологии интегральных схем и микросистем Tanner Pro.
На рис. 3-5 приведены результаты моделирования устройства при напряжении питания ипит = 5 В.
Рис. 3. Результаты моделирования устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа при
и пит = 5 В
Из рис. 3 видно, что при равенстве емкостей преобразователей и, соответственно, при отсутствии угловой скорости частоты сигналов генераторов (у(Бгаш2), у(Бгат3) на рисунках) равны, амплитуды сигналов на выходе смесителя (у(Бгат4)) и на диодах детектора (у(3)) остаются неизменными во времени (значения амплитуд данных сигналов определяются начальным относительным сдвигом
),
усилителя (у(Бгаш5), у(Бгат6), у(Бгаш7)) близки к нулю (за исключением начальных переходных процессов при включении питания) и выходные импульсы (у(Бгат8)) отсутствуют. Наблюдаются лишь незначительные высокочастотные осцилляции, амплитуда которых слишком мала, чтобы вызвать переключение последующих схем цифровой обработки.
При возникновении угловой скорости вдоль соответствующей координатной оси будут наблюдаться противофазные изменения емкостей преобразователей. . 4,
± 0,5 фФ частоты сигналов генераторов (у(Бгат2), у(Бгаш3)) незначительно отли-, -плитуды сигналов на выходе смесителя (у(Бга!п4)) и на диодах детектора (у(3)), в результате чего на выходе схемы (у(Бгаш8)) наблюдаются импульсы, форма которых близка к прямоугольной, амплитуда практически соответствует напряже, .
0 30 100 130 200
ТП№(П£)
Рис. 4. Результаты моделирования устройства съема и обработки информации с одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа при и пт = 5 В и при изменениях емкостей преобразователей в пределах ±0,5 фФ
, -вателей в пределах ± 1 фФ, приведены на рис. 5. Можно видеть, что увеличение амплитуды изменения емкостей преобразователей в два раза привело к удвоению частоты следования выходных импульсов.
Т-Зрйе!
Ттг^;
. 5.
одной пары емкостных преобразователей микромеханического гироскопа при и пт = 5 В и при изменениях емкостей преобразователей в пределах ±1,0 фФ
Из результатов моделирования, полученные в диапазоне (5-9) В, видно, что увеличение питающего напряжения приводит к улучшению формы выходных импульсов и увеличению чувствительности схемы к изменениям емкостей преобразователей, а, следовательно, и к повышению чувствительности микросистемы в целом. Кроме того, важным положительным качеством данной схемы является то, что частота выходных импульсов остается практически неизменной при измене-
(5-9) .
Полученные результаты исследований могут использоваться при проектировании интегральных микромеханических сенсоров угловых скоростей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е. Интегральный мнкромеханнческий гироскоп // Патент Рос-
сии №2251077, 2005. Бюл. №12.
2. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е. Интегральный микромеханический гироскоп // Патент Рос-
сии №2300773, 2007. Бюл. №16.
3. Распопое В.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение.- 2007. - 400 с.
4. . ., . .
чувствительности // Известия ТРТУ. - 2006. - № 9 (64). - С. 131-135.
5. . ., . ., . .
осями чувствительности // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 3. - С. 36-39.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н., профессор Э.К. Алгазинов.
Коноплев Борис Георгиевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: kbg@tti.sfedu.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371767.
Факультет электроники и приборостроения; декан; д.т.н.; профессор.
Рындин Евгений Адальбертович
Южный научный центр Российской академии наук, г. Ростов-на-Дону.
E-mail: ryn@fep.tti.sfedu.ru.
344006, . - - , . , 41.
Тел.: 88634311584.
Ведущий научный сотрудник; д.т.н.; доцент.
Лысенко Игорь Евгеньевич
« ».
E-mail: igor@fep.tit.sfedu.ru.
347922, . , . , 2.
Тел.: 88634311584.
.
Konoplev Boris Georgievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: kbg@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371767.
College of Electronics and Electronic Equipment Engineering; Dean; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
Ryndin Eugeny Adalbertovich
Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don.
E-mail: ryn@fep.tti.sfedu.ru.
41, Chekhov Street, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Phone: +78634311584.
Senior Researcher; Dr. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Lysenko Igor Evgenievich
«Nanotechnology center».
E-mail: igor@fep.tit.sfedu.ru.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347922, Russia.
Phone: +78634311584.
Director.
