CN104764559B - 一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法 - Google Patents

一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法，谐振器1的振动产生变化电容信号后分为两路，一路经过第一数字模块4、第二数字模块5、减法器模块6、参考数字信号7、数字比例控制器8形成放大的负反馈误差控制量；另一路经过交流提取模块9和数字运算单元10后完成偏置处理和溢出检测；D/A数模转换器11将处理完毕的数字量转换成模拟信号以驱动谐振器振动。本发明用数字算法代替模拟电路，节省模拟整流、滤波环节中消耗的时间，以提升系统动态特性；用数字算法获取正弦信号的有效值精度比模拟低通滤波获取的有效值精度更高，提高闭环回路中正弦信号振幅的稳定程度；数字电路降低整个系统的功耗，并提升系统的抗干扰能力。

Description

一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法
技术领域
本发明涉及一种硅谐振压力传感器数字闭环控制电路及其实现方法，属于压力传感器领域。
背景技术
硅谐振压力传感器因其精度高，稳定性好，数字输出等优点而得到广泛的应用，传感器主要由膜片、谐振器和外围电路构成。当气压变化时，膜片会发生形变，进而改变了谐振器的刚度，导致谐振器的谐振频率发生变化，可以通过测量谐振频率来获得当前的气压值。
为了实现高精度测量以及对变化压力的测量，硅谐振压力传感器必须采用闭环驱动；为了提高闭环控制的动态性能，闭环电路须采用数字式驱动方案。当外界压力变化导致谐振器谐振频率发生变化时，数字闭环系统能以极快的响应速度通过自激振荡将输出信号的频率锁定在新的谐振频率处。
北京航空航天大学李海娟等人在论文“硅谐振式压力传感器闭环系统”中提出一种基于锁相环的闭环控制方案，采用锁相环可以抑制大部分噪声和干扰，但结构较为复杂，调试难度大，成本较高。
中国科学院电子学研究所刘猛等人在论文“电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制研究”中提出了一种简单的闭环控制方案，其原理框图如图1所示，谐振器1的输出信号经前置放大器3转变为电压信号，然后经增益调节电路4和相位调节电路5后分为两路，一路经整流器6和低通滤波器变成与信号幅值成正比的直流电压，该直流电压与参考直流电压8在减法器9中做比较，比较的结果作为可变增益放大器11的控制电压，另一路直接作为可变增益放大器11的输入电压；可变增益放大器的输出电压经输出缓冲器2驱动谐振器振动；整个闭环系统中相位调节电路5的作用是使环路满足自激振荡的相位条件：n为整数，即使整个环路各环节引起的相位变化总和为2π的整数倍。而增益调节电路4的作用是使闭环系统在起振时环路增益大于一，当稳定振荡时，环路增益等于一。
可以看出，这种闭环控制方案驱动电压为交流，当起振时，前置放大器3的输出电压非常小，虽然可以使可变增益放大器11的控制电压很大，但由于可变增益放大器11的输入电压太小导致驱动电压非常小，从而导致闭环的稳定时间较长。
发明内容
为了克服以上缺陷，减小传感器起振时间，本发明提出一种新的硅谐振压力传感器闭环控制电路及其实现方法。该闭环控制电路能实现快速起振的目的。
参阅图2，谐振器1的振动产生变化电容信号，经过前置跨阻放大器2后转变为电压信号。A/D模数转化器3将模拟电压信号转换成数字量，模块4、5、6、7、8、9、10均由数字算法实现，D/A数模转换器11将处理完毕的数字量转换成模拟信号以驱动谐振器振动。
经A/D模数转化器3转化后的数字信号分为两路，一路经过第一数字模块4实现提取正弦波交流信号功能，然后经过第二数字模块5实现对正弦交流信号有效值的提取，通过减法器模块6将参考数字信号7与第二数字模块5输出的正弦波有效值相减，形成负反馈误差控制量，然后通过数字比例控制器8放大该误差量以提升动态响应能力；另一路经过带有衰减功能的交流提取模块9，并通过数字运算单元10，与前一路的数字信号相乘并完成偏置处理和溢出检测，确保输出数字量在D/A转换器11的量程范围之内。
前置跨阻放大器2输出电压信号相位与谐振器振动速度同向，A/D、D/A转换器对相位没有影响，比例控制器8输出的直流量与交流信号相乘同样没有改变相位，而D/A输出的驱动电压与谐振器振动位移信号在谐振时相位滞后90°，谐振器振动位移信号相位又超前速度信号相位90°，因此整个环路总的相移为2π的整数倍，满足自激振荡的相位条件。
在谐振器起振时，前置跨阻放大器2输出的电压信号比较微弱，导致数字模块5的输出有效值也比较微弱，该信号经过减法器6与参考数字量相减后，得到一个较大的直流数字量，经过比例控制器8之后会形成一个非常大的数字量，并使数字运算单元10的输出变大，从而使D/A输出的驱动电压变大，这便实现快速增大谐振器振动幅值的目的。数字闭环电路，不需要模拟低通滤波器中电容电阻充放电带来的时间损耗，通过AD、DA的高采样率实现快速算法，因此可以迅速实现闭环的稳定。
通过合理设计环路各个环节的参数，可以使闭环系统调节时间极大程度地降低，最终以很高的精度在特定幅值稳定振荡。
本发明提出一种基于数字信号驱动的硅谐振压力传感器闭环控制电路的实现方法，包括以下步骤：
步骤1：谐振器1的振动产生变化电容信号ΔC；
步骤2：变化电容信号ΔC经过前置跨阻放大器2输出电压信号u1(t)；
步骤3：u1(t)经过A/D转换器3输出数字信号uD(k)；
步骤4：uD(k)经过第一数字模块4输出数字信号|·uD(k)-uDC|，其中uDC为环路中的直流电平对应的数字量；
步骤5：|uD(k)-uDC|经过第二数字模块5提取有效值后输出直流数字信号h0(k)；
步骤6：h0(k)经减法器6与参考数字信号h1(k)作用后得到误差控制信号h2(k)；
步骤7：h2(k)经过比例控制器8输出近似直流的数字信号h3(k)；
步骤8：uD(k)经过数字模块9输出衰减后的交流信号其中为衰减系数；
步骤9：h3(k)与h4(k)经过数字运算单元10，并进行溢出检测，之后输出交流数字信号uD1(k)＝h3(k)h4(k)+h5(k)；
步骤10：uD1(k)经过D/A转化器11之后输出模拟交流信号u2(t)，以驱动谐振器1发生振动。
本发明的有益效果是：
第一，用数字算法代替模拟电路，可以节省模拟整流、滤波环节中消耗的时间，以达到提升系统动态特性的目的；
第二，用数字算法获取正弦信号的有效值精度比模拟低通滤波获取的有效值精度更高，可以提高闭环回路中正弦信号振幅的稳定程度；
第三，数字电路可以很大程度降低整个系统的功耗，并提升系统的抗干扰能力。
附图说明
图1是现有技术中的硅谐振压力传感器闭环控制电路原理示意图。
图2是本发明提出的硅谐振压力传感器闭环控制电路原理示意图。
图中，1为谐振器，2为前置放大器，3为A/D转换器，第一数字模块4实现取绝对值功能，第二数字模块5实现提取交流信号有效值功能，6为数字减法器，7为参考数字量，8为数字比例控制，9为带有衰减系数的交流提取模块，10为数字运算单元，11为D/A转换器。
具体实施方式
本实例采用的谐振器1固有频率在常压为35KHz，谐振器质量为7.1e-5g，振动品质因数为1200，稳定振荡时谐振器1产生的变化电容为50pF，前置跨阻放大器2C/V转换系数为87500，AD转换器3为12位，参考电压为5V，采样频率为1MHZ，参考数字信号7为1435，比例器8的比例系数为6，交流提取模块9的衰减系数为数字运算单元10的偏置量为2048，DA转换器11为12位，参考电压5V，采样频率1MHZ，环路中直流电压2.5V。经测试，从起振到稳定的时间小于3ms。
一种基于数字驱动的硅谐振压力传感器闭环控制电路，包括以下步骤：
步骤1：谐振器1的振动产生变化电容信号ΔC＝50sin(2π·35000t)pF；
步骤2：△C经过前置放大器2输出电压信号u1(t)≈2.5+2.4sin(2π·35000t)V；
步骤3：u1(t)经过A/D转换器3输出数字信号
步骤4：uD(k)经过数字模块4输出数字信号
步骤5：经过模块5提取有效值后输出直流数字信号h0(k)≈1390；
步骤6：h0(k)经减法器6与参考数字信号h1(k)＝1435作用后得到误差控制信号h2(k)＝45；
步骤7：h2(k)经过比例控制器8输出近似直流的数字信号h3(k)＝270；
步骤8：uD(k)经过数字模块9输出衰减后的交流信号
步骤9：h3(k)与h4(k)经过数字运算单元10，之后输出带有直流偏置的数字信号
步骤10：uD1(k)经过D/A转化器11之后输出模拟交梳信号u2(t)＝2.5+1.35sin(2π·35000t)u，并驱动谐振器振动。

Claims (1)

1.一种硅谐振压力传感器闭环控制电路的实现方法，包括以下步骤：
步骤1：谐振器(1)的振动产生变化电容信号ΔC；
步骤2：变化电容信号ΔC经过前置跨阻放大器(2)输出电压信号u1(t)；
步骤3：u1(t)经过模数转换器(3)输出数字信号uD(k)；
步骤4：uD(k)经过第一数字模块(4)输出数字信号|uD(k)-uDC|,其中uDC为环路中的直流电平对应的数字量；
步骤5：|uD(k)-uDC|经过第二数字模块(5)提取有效值后输出直流数字信号h0(k)；
步骤6：h0(k)经减法器模块(6)与参考数字信号h1(k)作用后得到误差控制信号h2(k)；
步骤7：h2(k)经过数字比例控制器(8)输出近似直流的数字信号h3(k)；
步骤8：uD(k)经过交流提取模块(9)输出衰减后的交流信号其中为衰减系数；
步骤9：h3(k)与h4(k)经过数字运算单元(10)，并进行溢出检测，之后输出交流数字信号uD1(k)＝h3(k)h4(k)+h5(k)，其中，h5(k)为数字运算单元(10)的偏置量；
步骤10：uD1(k)经过数模转化器(11)之后输出模拟交流信号u2(t)，以驱动谐振器(1)发生振动。
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