本發(fā)明涉及一種用于微小位移檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)的電容式檢驅(qū)一體化電路。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件的周期性工作或衛(wèi)星進(jìn)出陰影時(shí)的冷熱交變，會(huì)引起衛(wèi)星局部或整體的微幅、寬頻的微振動(dòng)，這種振動(dòng)對(duì)大部分航天器任務(wù)都不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，通常予以忽略。但是，隨著高分衛(wèi)星、星間激光通信和深空科學(xué)探測(cè)等活動(dòng)的深入開(kāi)展，搭載在航天器上的有效載荷越來(lái)越精密，為了充分發(fā)揮出超精密載荷的性能，需要天基超靜平臺(tái)具有高靈敏度的微位移傳感能力和高帶寬的驅(qū)動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微振動(dòng)的有效控制。對(duì)于航天領(lǐng)域，為了減輕航天器整體重量，需要檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)二者能共用同一套檢/驅(qū)結(jié)構(gòu)。電容式檢驅(qū)一體化以電容變化作為位移檢測(cè)，以電容極板間的靜電力作為驅(qū)動(dòng)控制力，是一種較為理想的檢驅(qū)一體化方式。然而，對(duì)于天基超靜平臺(tái)的微振動(dòng)抑制，需要高頻高壓的反饋電壓(反饋電壓頻率>kHz并含有檢測(cè)激勵(lì)頻率分量，反饋電壓幅值>1000V)以產(chǎn)生足夠快和足夠大的反饋靜電力。當(dāng)前電容式檢測(cè)驅(qū)一體化電路以面向靜電加速度計(jì)為主要應(yīng)用目的，檢測(cè)通道無(wú)法兼容高頻高壓的反饋，使得精密位移檢測(cè)因反饋噪聲的影響而失效或器件受損。

公開(kāi)號(hào)為CN201673169U，名稱為電容加速度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的專利公開(kāi)了一種差動(dòng)電容檢測(cè)電路，其電路包括高頻振蕩器，四個(gè)二級(jí)管，取樣電阻和濾波電容。當(dāng)有振動(dòng)信號(hào)時(shí)，差動(dòng)電容傳感器電容量發(fā)生差動(dòng)變化，振蕩器產(chǎn)生正半周信號(hào)時(shí)通過(guò)其中兩個(gè)二極管充電，振蕩器產(chǎn)生負(fù)半周信號(hào)時(shí)通過(guò)另外兩個(gè)二極管充電，通過(guò)取樣電阻得到電位差后輸送到儀用放大器放大。但是，該發(fā)明存在兩方面的局限：一是引入反饋驅(qū)動(dòng)電壓后，會(huì)疊加到激勵(lì)電壓上對(duì)二極管的充放電，改變激勵(lì)電壓正負(fù)半周的信號(hào)幅值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成充放電時(shí)序混亂，造成電路無(wú)法工作；二是驅(qū)動(dòng)電壓有高頻分量時(shí)無(wú)法與激勵(lì)電壓源進(jìn)行解耦分離，從而無(wú)法正確地檢測(cè)出差動(dòng)電容值；三是驅(qū)動(dòng)電壓幅值較高時(shí)，有可能擊穿二極管并對(duì)儀用放大器造成損傷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種兼容高頻高壓反饋的電容式檢驅(qū)一體化電路，滿足天基超靜平臺(tái)對(duì)精密位移檢測(cè)和高頻高壓驅(qū)動(dòng)一體化實(shí)現(xiàn)的需求。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種兼容高頻高壓反饋的電容式檢驅(qū)一體化電路，包括電容檢驅(qū)模塊、反饋噪聲復(fù)制模塊、高頻減法模塊，其中：

電容檢驅(qū)模塊：用于實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)與靜電驅(qū)動(dòng)的一體化，其輸入為激勵(lì)電壓和驅(qū)動(dòng)電壓，其中驅(qū)動(dòng)電壓由預(yù)載與反饋兩部分構(gòu)成，輸出為差動(dòng)電容的檢測(cè)信號(hào)但帶有驅(qū)動(dòng)造成的耦合噪聲；電容檢驅(qū)模塊包括激勵(lì)源，待檢驅(qū)對(duì)象差動(dòng)電容，差動(dòng)變壓器電路；

反饋噪聲復(fù)制模塊：用于復(fù)制出反饋驅(qū)動(dòng)電壓耦合到檢測(cè)通道的噪聲，與電容檢驅(qū)模塊的結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)完全相同，但不施加激勵(lì)源；

高頻減法模塊：用于接收電容檢驅(qū)模塊輸出的“檢測(cè)信號(hào)+驅(qū)動(dòng)耦合噪聲”以及反饋噪聲復(fù)制模塊輸出的復(fù)制的“驅(qū)動(dòng)耦合噪聲”，并用前者減去后者實(shí)現(xiàn)消除高頻高壓反饋噪聲的目的。

所述的激勵(lì)源采用單個(gè)激勵(lì)源對(duì)差動(dòng)電容從中間電極進(jìn)行單端輸入激勵(lì)，或采用兩個(gè)激勵(lì)源對(duì)差動(dòng)電容從兩邊電極進(jìn)行雙端輸入激勵(lì)。

所述的反饋電壓輸入端采用對(duì)差動(dòng)電容從中間電極進(jìn)行單端輸入反饋驅(qū)動(dòng)電壓，或采用兩個(gè)反饋電壓從兩邊電極進(jìn)行雙端輸入反饋驅(qū)動(dòng)電壓；所述的預(yù)載電壓輸入端采用對(duì)差動(dòng)電容從中間電極進(jìn)行單端輸入預(yù)載電壓，或采用兩個(gè)預(yù)載電壓從兩邊電極進(jìn)行雙端輸入預(yù)載電壓。

所述高頻減法模塊通過(guò)讓電容檢驅(qū)模塊輸出和反饋噪聲復(fù)制模塊輸出相位相反直接疊加實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)運(yùn)放構(gòu)造高頻減法電路而實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)本發(fā)明中采用反饋噪聲復(fù)制模塊，能近乎完美的復(fù)制出反饋電壓耦合到檢測(cè)通道的噪聲，并通過(guò)高頻減法模塊消除，從而能滿足精密位移檢測(cè)和高頻高壓驅(qū)動(dòng)兼容的需求。

2)本發(fā)明的電路構(gòu)成方式模塊化，在原有傳統(tǒng)檢驅(qū)一體化電路基礎(chǔ)上附加反饋噪聲復(fù)制模塊和高頻減法模塊便能實(shí)現(xiàn)性能的提高，無(wú)需重新設(shè)計(jì)電路。

3)可應(yīng)用于極高頻振動(dòng)測(cè)量的加速度計(jì)中，且對(duì)于高頻高壓、低頻低壓、高頻低壓、低頻高壓等任意類型的反饋驅(qū)動(dòng)具有普適兼容性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電路的總體組成功能框圖；

圖2為本發(fā)明電容檢驅(qū)模塊的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明反饋噪聲復(fù)制模塊的電路原理圖；

圖4為本發(fā)明高頻減法模塊的電路原理圖；

圖5為本發(fā)明完整電路原理圖；

圖6為本發(fā)明可附加的后續(xù)信號(hào)解調(diào)模塊的功能原理圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的兼容高頻高壓反饋的電容式檢驅(qū)一體化電路主要包括四個(gè)組成部分：電容檢驅(qū)模塊、反饋噪聲復(fù)制模塊、高頻減法模塊。

電容檢驅(qū)模塊的電路原理如圖2所示。C₁、C₂為位移檢測(cè)、靜電驅(qū)動(dòng)一體化結(jié)構(gòu)的等效差動(dòng)電容。U_m為用于位移檢測(cè)的正弦高頻激勵(lì)電壓，一般為百kHz量級(jí)。R_b為反饋輸入電阻，構(gòu)成反饋輸入端。V_b為用于靜電驅(qū)動(dòng)的高幅值的反饋電壓，其頻段根據(jù)實(shí)際任務(wù)而定，對(duì)于天基微振動(dòng)一般為kHz量級(jí)，若驅(qū)動(dòng)輸出有飽和情況出現(xiàn)時(shí)，由于非線性效應(yīng)會(huì)使得V_b的頻帶擴(kuò)展到更高頻段，即驅(qū)動(dòng)造成的耦合其頻率段將有可能覆蓋檢測(cè)通道的激勵(lì)頻率點(diǎn)。V_r為用于靜電驅(qū)動(dòng)的高幅值的直流預(yù)載電壓，由V_r提供偏置電壓與V_b一塊形成非零的靜電合力，其電壓值一般設(shè)置為與最大反饋電壓V_b相同，可根據(jù)靜電力公式計(jì)算得到，在圖中它和反饋電壓V_b疊加后共用同一個(gè)輸入端。C_s為傳導(dǎo)線的對(duì)地電容，由寄生效應(yīng)自然產(chǎn)生。C_p為高壓隔離電容，可阻隔高壓直接作用于差動(dòng)變壓器上。L為差動(dòng)變壓器單一線圈的電感，3個(gè)線圈組成差動(dòng)變壓器，用于對(duì)經(jīng)差動(dòng)電容變換后的兩路電信號(hào)進(jìn)行差分。電容C_s、C_p、電感L共同構(gòu)成差動(dòng)變壓器電路。

電路的輸出U_out1只取決于具有交流成分的U_m和V_b。設(shè)從激勵(lì)電壓到電路輸出的傳遞函數(shù)為G_Um，G_Um的大小反映差動(dòng)電容的大小，設(shè)從反饋電壓到電路輸出的傳遞函數(shù)為G_Vb，則有：

U_out1＝G_UmU_m+G_VbV_b (1)

圖2所示的電路僅是電容檢驅(qū)模塊的一種實(shí)現(xiàn)形式。其它實(shí)現(xiàn)形式可變更的部分包括：1、可以采用兩個(gè)激勵(lì)源從差動(dòng)電容的兩邊電極進(jìn)行雙端輸入；2、反饋電壓V_b可以從差動(dòng)電容的中間電極進(jìn)行單端輸入；3、預(yù)載電壓V_r可以從差動(dòng)電容的中間電極進(jìn)行單端輸入。

反饋噪聲復(fù)制模塊的電路原理如圖3所示。其電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)與電容檢驅(qū)模塊完全一致，但沒(méi)有激勵(lì)電壓輸入。電路的輸出U_out2只取決于具有交流成分的V_b，則有：

U_out2＝G_VbV_b (2)

U_out2實(shí)際上即是為反饋電壓V_b在檢測(cè)通道上的耦合噪聲。

高頻減法模塊的電路原理如圖4所示。輸入電壓U_in1和U_in2分別是接收的來(lái)自電容檢驅(qū)模塊和反饋噪聲復(fù)制模塊的輸出電壓U_out1和U_out2。由于此信號(hào)極期微弱，需要先經(jīng)交流放大器分別進(jìn)行信號(hào)放大后再作處理。交流放大器由高增益帶寬積的運(yùn)放A、為防運(yùn)算放大器飽和的隔直電容C_g，調(diào)節(jié)運(yùn)放增益的電阻R_f和電容C_f組成。經(jīng)放大后的信號(hào)分別為U_ac1和U_ac2，再輸入到由運(yùn)放構(gòu)成的減法電路B，最終得到表征差動(dòng)電容干凈電信號(hào)U_ac。設(shè)交流放增益為K_ac，減法電路增益為K_sub，則有：

U_ac1＝K_acU_in1＝K_acU_out1 (3)

U_ac2＝K_acU_in2＝K_acU_out2 (4)

U_ac＝K_sub(U_ac1-U_ac2) (5)

結(jié)合(1)到(5)式，可得：

U_ac＝K_subK_acG_UmU_m (6)

由(6)式可知，最終輸出電壓U_ac只含能表征差動(dòng)電容大小的信號(hào)，反饋電壓的耦合影響被完全消除了。

圖4所示的電路僅是高頻減法模塊的一種實(shí)現(xiàn)形式。還有其它可能的實(shí)現(xiàn)形式，如：1、交流放大器不采用反饋電容C_f或替換為電阻或采用其它更復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)；2將減法器和交流放大的順序交換。

完整電路原理圖如圖5所示。具有5個(gè)輸入端：U_m、V_b+V_r(兩個(gè))、‐V_b+V_r(兩個(gè))，1個(gè)輸出端：最終輸出表征差動(dòng)電容大小的正弦交流信號(hào)U_ac。

本發(fā)明可附加的后續(xù)信號(hào)解調(diào)模塊的功能原理圖如圖6所示。為了方便數(shù)字分析處理，可以在進(jìn)入AD采樣前加一級(jí)解調(diào)模塊，對(duì)高頻減法模塊輸出的干凈的檢測(cè)信號(hào)U_ac進(jìn)行解調(diào)處理，得到對(duì)差動(dòng)電容表征的直流電壓U_dc。解調(diào)模塊可以采用帶通濾波-乘法器-低通濾波的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成，其中帶通濾波可根據(jù)實(shí)際需求缺省。

本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。