CN100465593C - 电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统 - Google Patents

Abstract

电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统包括：环路滤波器、压控振荡器和激励放大器。由敏感结构的拾振电阻、环路滤波器和压控振荡器构成一个锁相环，拾振电阻作为锁相环的鉴相器，拾振电阻输出的信号经过环路滤波器放大、滤波并积分，作用于压控振荡器；压控振荡器输出的信号作为拾振电阻的参考信号，压控振荡器输出的信号经过激励放大器放大，作为敏感结构中激励元件的激励信号。系统中由拾振电阻取代了锁相环结构中的鉴相器，简化了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的闭环电路。

Description

电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统

技术领域

本发明涉及硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统，特别是一种电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统。

背景技术

电阻拾振式硅微机械谐振传感器利用压阻效应检测传感器敏感结构谐振器的振动信号，拾振电阻可以由薄膜电阻或扩散电阻等方法实现。

谐振式传感器的敏感结构需要和闭环系统结合才能工作，通常的闭环系统包括幅度控制环节和移相环节，幅度控制器用来调节整个闭环的增益，以满足谐振式传感器自激闭环的幅度条件，移相环节用来调节整个闭环的相移，以满足谐振式传感器自激闭环的相位条件。而硅微机械谐振压力传感器由于结构尺寸微小，其敏感结构输出的信号非常微弱，以一种电阻拾振式硅微机械谐振压力传感器为例，在其谐振频率上，以较大的激励信号激励传感器的谐振器，其拾振电阻的变化率不到1/10⁵。所以硅微机械谐振传感器闭环系统中首先要解决微弱信号检测的问题。锁相环是一种有效的检测周期微弱信号的方法，在硅微机械谐振传感器的微弱信号检测中应用广泛。锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，鉴相器通常采用模拟乘法器来实现。

通常基于锁相环结构的硅微机械谐振传感器的闭环系统，首先要通过前置滤波器对拾振信号进行放大和滤波，然后由模拟乘法器检波，经过环路滤波器放大、滤波或积分后，控制压控振荡器输出与拾振信号频率相同、相位差一定的正弦信号，这个信号反馈到模拟乘法器，作为鉴相器的参考信号，这个信号放大后，通过移相环节输出到硅微机械谐振压力传感器的激励元件激励谐振器振动。

模拟乘法器的输出直流偏置一般都大于微伏级。当传感器的信号较弱时，鉴相输出的代表拾振信号和参考信号相位差的直流信号有时会低到微伏级。用模拟乘法器鉴相，模拟乘法器的输出直流偏置会使拾振信号和参考信号相位差产生较大的误差，使传感器的闭环不能精确的跟踪传感器固有频率的变化，从而引入测量误差。前置滤波器通常采样带通滤波器实现，拾振信号通过前置滤波器，会产生一定的相移，这个相移需要移相环节来补偿。而前置滤波器和移相环节在传感器的工作频带内不能保证相移特性一定，而且由于温度等因素的影响，它们的特性也会会产生漂移。前置滤波器和移相环节产生的相位漂移要由谐振式传感器的敏感结构的相移来补偿，使整个闭环系统的谐振频率产生漂移，不能精确的跟踪谐振式传感器敏感结构的固有频率，从而产生测量误差；而且移相环节在电路实现上较为复杂，在电路中补偿移相环节产生的相位漂移也比较困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统，简化了传感器的闭环控制电路，同时避免了由鉴相器、前置滤波器和移相环节所引入误差。

本发明的技术解决方案:电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统，其特点在于:包括环路滤波器、压控振荡器和激励放大器，由敏感结构的拾振电阻、环路滤波器和压控振荡器构成一个锁相环，拾振电阻作为锁相环的鉴相器，拾振电阻输出的信号经过环路滤波器放大、滤波并积分，作用于压控振荡器；压控振荡器输出的信号分为两路，一路作为拾振电阻的参考信号，另一路经过激励放大器放大，作为敏感结构中激励元件的激励信号激励谐振器。本发明由拾振电阻取代了锁相环结构中鉴相器，简化了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的闭环电路。

本发明的原理:本发明采用了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的拾振电阻作为锁相环的鉴相器。拾振电阻的阻值可表示为R(1+ε)，拾振电阻阻值的变化量εR反映谐振器的振动信号，由欧姆定理可知，拾振电阻两端的电压U、通过拾振电阻的电流I和拾振电阻R(1+ε)的关系可表示为U＝IR(1+ε)，或I＝U/R(1+ε)≈UR(1-ε)/R²。可见当参考信号为电流时，拾振电阻等效为一个模拟乘法器，输出电压信号；当参考信号是电压时，拾振电阻近似等效为一个模拟乘法器，输出电流信号，从而实现了锁相环结构中鉴相器的功能。

环路滤波器的结构如图3所示，谐振器的频率特性如图4所示，压控振荡器的压控特性，如图5所示。

设压控振荡器输出的信号为U₁(t)＝cos(ωt)，经过放大器放大后输出的信号为U₂(t)＝Bcos(ωt)，激励谐振器，谐振器的振动信号为x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。压控振荡器输出的信号为U₁(t)＝cos(ωt)同时作为拾振电阻的参考信号，拾振电阻输出的信号为X(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)cos(ωt)＝A(ω，t)B[cos(2ωt+φ)+cos(φ)]/2。环路滤波器滤掉X(t)的交流分量，对其直流分量X_d(t)＝A(ω，t)Bcos(φ)/2积分。

设ω_r为谐振器的固有频率，由谐振器的相频特性可知，当ω＝ω_r时，φ＝-90°，X_d(t)＝0，环路滤波器输出为恒定值，压控振荡器输出信号的频率稳定在ω_r上。当ω<ω_r，由谐振器的相频特性可知，φ>-90°，则X_d(t)>0，使得环路滤波器的输出信号增大，由压控振荡器的压控特性可知，压控振荡器输出信号的频率将增大，直到当ω＝ω_r时，整个传感器的闭环回路稳定于谐振器的固有频率ω_r上。当ω>ω_r时，φ<-90°，X_d(t)<0，使得环路滤波器的输出信号减小，而压控振荡器输出信号的频率也将减小直到当ω＝ω_r时，整个传感器的闭环回路稳定于谐振器的固有频率ω_r上。

通过以上分析可知，整个传感器的闭环回路稳定工作在谐振器的固有频率上，从而实现了传感器的闭环。

本发明与现有技术相比的优点:由于本发明采用了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的拾振电阻作为锁相环的鉴相器，在传感器的闭环系统中，没有了前置滤波器和移相环节，简化了传感器的闭环控制电路，同时避免了由鉴相器、前置滤波器和移相环节所引入误差。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为传统谐振式传感器闭环的结构示意图；

图3为本发明中的环路滤波器结构示意图；

图4为本发明中谐振器的频率特性曲线图，其中图4a幅频特性曲线图，图4b为相频特性曲线图；

图5为本发明中的压控振荡器的压控特性曲线图。

具体实施方式

如图1所示，电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统2由环路滤波器5、压控振荡器4和激励放大器3组成，敏感结构1的拾振电阻6输出的信号经过环路滤波器5放大、低通滤波并积分，作用于压控振荡器4；压控振荡器4输出的一路信号作为拾振电阻6的参考信号，压控振荡器4输出的另一路信号经过激励放大器3放大，作为敏感结构1中激励元件8的激励信号激励谐振器7。

敏感结构1的拾振电阻6、环路滤波器5和压控振荡器4构成了一个锁相环。锁相环结构中鉴相器由敏感结构1的拾振电阻6实现。

如图3所示，本发明的环路滤波器5由低通滤波器和积分器组成，低通滤波器用于放大拾振电阻6输出的直流信号，并滤掉交流信号，积分器用于对拾振电阻6输出的直流信号积分。低通滤波器和积分器可以利用普遍的运算放大器来实现，如OP27或OP07等，根据带宽、噪声等指标进行选定，也可以采用集成电路或ASIC来实现。

压控振荡器4可以采用集成电路实现，如Ma×im Integrated Products，Inc.的MAX038。

激励放大器3由普遍运算放大器实现即可，要保证其不能产生较大的相位漂移。

Claims (2)

1、电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统，其特征在于:锁相闭环系统(2)由环路滤波器(5)、压控振荡器(4)和激励放大器(3)组成，由敏感结构的拾振电阻(6)、环路滤波器(5)和压控振荡器(4)构成一个锁相环，其中敏感结构的拾振电阻(6)作为锁相环的鉴相器，敏感结构(1)的拾振电阻(6)输出的信号经过环路滤波器(5)放大、低通滤波并积分，作用于压控振荡器(4)；压控振荡器(4)输出的信号分为两路，一路作为拾振电阻(6)的参考信号，另一路经过激励放大器(3)放大，作为敏感结构(1)中激励元件(8)的激励信号激励谐振器(7)。

2、根据权利要求1所述的电阻拾振式硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统，其特征在于:所述的环路滤波器(5)由低通滤波器和积分器组成，低通滤波器用于放大拾振电阻(6)输出的直流信号，并滤掉交流信号，积分器用于对拾振电阻(6)输出的直流信号积分。

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