CN108562383A - 静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，包括敏感结构、前级处理电路、锁相环和幅值调整器，敏感结构由激励元件、谐振器和拾振电阻组成，前级处理电路由仪表放大器、带通滤波器、移相器、波形变换器和分频器组成，拾振电阻输出的微弱信号经过仪表放大器放大，经过带通滤波器滤除杂波并修整波形，通过移相器对系统的相位进行调整，波形变换器作为模拟电路和数字电路的接口电路将正弦波改变成方波，再经过分频器将信号二分频作为锁相环的输入信号，锁相环的输出信号经过幅值调整器后作为激励元件的激励信号激励谐振器，实现传感器的闭环锁相。本发明提高了谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且改善了系统的动态特性。

Description

静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统

技术领域

本发明涉及谐振式压力传感器技术领域，尤其是一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统。

背景技术

静电激励/压阻检测硅微谐振压力传感器的谐振器采用基于SOI硅基的梳齿双端固定音叉结构，在谐振器内部利用硅重掺杂压敏电阻和体硅电阻构成惠斯通电桥实现压阻检测，通过硅岛结构将压力敏感薄膜上的压力转化为硅微谐振器平面振动的频率变化。

谐振式压力传感器的敏感结构需要和闭环系统结合才能工作。闭环工作模式可以提高谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且能改善系统的动态特性。使用闭环自激谐振频率检测电路，当环境压力变化时，通过闭环系统的反馈作用，谐振器的输出频率会相应地做出响应，自动地使谐振器始终处于谐振状态，输出信号能够自动实时地反映出被测参量的信息，提高了系统的灵敏度和测量精度。

谐振式压力传感器的闭环系统可分为自激震荡、自动增益控制、锁相环三种。自激振荡闭环是通过调节驱动静电力的直流分量来构成反馈闭环，自动增益控制环路是通过控制驱动静电力的交流分量来构成反馈闭环，锁相环路是通过锁定相位实现闭环谐振的。目前基于锁相环的闭环自激系统只能跟踪频率的变化而无法跟踪相位的变化，容易破坏闭环系统维持在自激状态所需的相位条件。如果锁相环锁定以后的相差不固定，那么每次谐振频率的变化都会引起系统的相位发生变化，降低了系统的稳定性和输出信号频率的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现无相差频率跟踪功能，使锁相环从幅值和相位两个方面对传输信号进行同步跟踪，减小锁相环的相位随频率变化带来的闭环电路的相位变化，提高系统的稳定性的静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，包括敏感结构、前级处理电路、锁相环和幅值调整器，所述敏感结构由激励元件、谐振器和拾振电阻组成，所述前级处理电路由仪表放大器、带通滤波器、移相器、波形变换器和分频器组成，所述拾振电阻输出的微弱信号经过仪表放大器放大，经过带通滤波器滤除杂波并修整波形，通过移相器对系统的相位进行调整，波形变换器作为模拟电路和数字电路的接口电路将正弦波改变成方波，再经过分频器将信号二分频作为锁相环的输入信号，锁相环的输出信号经过幅值调整器后作为激励元件的激励信号激励谐振器，实现传感器的闭环锁相。

所述的仪表放大器包括第一运放A1、第二运放A2、第三运放A3以及电阻R1～电阻R7，所述第一运放A1、第二运放A2的正相输入端均接拾振电阻的输出端，第一运放A1的输出端分别与电阻R1、电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端、第三运放A3的正相输入端相连，电阻R5的另一端与第三运放A3的输出端相连；电阻R1的另一端与分别与第一运放A1的反相输入端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、第二运放A2的反相输入端相连，电阻R3的另一端分别与第二运放A2的输出端、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端分别与第三运放A3的反相输入端、电阻R7的一端相连，第三运放A3的输出端和电阻R7的另一端共同组成仪表放大器的输出端。

所述带通滤波器包括第四运放A4以及电阻R8～电阻R12，所述电阻R8的一端接仪表放大器的输出端，电阻R8的另一端分别与电阻R9、电容C2、电容C1的一端相连，电容C2的另一端分别与第四运放A4的正相输入端、电阻R10的一端相连，第四运放A4的反相输入端分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电容C1、电阻R10、电阻R11共地，电阻R12的另一端、电阻R9的另一端均接第四运放A4的输出端，且第四运放A4的输出端作为带通滤波器的输出端。

所述波形变换器包括电压比较器和模拟开关，所述电压比较器采用LM393芯片，所述模拟开关采用高速单刀双掷模拟开关SN74LVC1G3157芯片，所述LM393芯片的3脚接移相器的输出端，LM393芯片的2脚和4脚共地，LM393芯片的8脚接+5V直流电且通过电阻R13与LM393芯片的1脚相连，LM393芯片的1脚接SN74LVC1G3157芯片的6脚，SN74LVC1G3157芯片的2脚和3脚共地，SN74LVC1G3157芯片的1脚和5脚共同接+5V直流电，SN74LVC1G3157芯片的4脚作为波形变换器的输出端。

所述锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，所述鉴相器采用异或门鉴相器，所述环路滤波器为二阶环路滤波器。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明将微谐振器的输出信号进行放大、滤波、并产生一定的时延，以满足系统处于闭环自激状态所需的要求；第二，从锁相环的稳态相差与环路传递函数关系入手，通过选择合适的环路滤波器结构，设计了结构简单、参数选取方便的能够实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路；第三，提高了谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且改善了系统的动态特性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是图1中仪表放大器的电路原理图；

图3是图1中带通滤波器的电路原理图；

图4是图1中波形变换器的电路原理图；

图5是图1中锁相环的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，包括敏感结构1、前级处理电路、锁相环7和幅值调整器8，所述敏感结构1由激励元件、谐振器和拾振电阻组成，所述前级处理电路由仪表放大器2、带通滤波器3、移相器4、波形变换器5和分频器6组成，所述拾振电阻输出的微弱信号经过仪表放大器2放大，经过带通滤波器3滤除杂波并修整波形，通过移相器4对系统的相位进行调整，波形变换器5作为模拟电路和数字电路的接口电路将正弦波改变成方波，再经过分频器6将信号二分频作为锁相环7的输入信号，锁相环7的输出信号经过幅值调整器8后作为激励元件的激励信号激励谐振器，实现传感器的闭环锁相。

如图2所示，所述的仪表放大器2包括第一运放A1、第二运放A2、第三运放A3以及电阻R1～电阻R7，所述第一运放A1、第二运放A2的正相输入端均接拾振电阻的输出端，第一运放A1的输出端分别与电阻R1、电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端、第三运放A3的正相输入端相连，电阻R5的另一端与第三运放A3的输出端相连；电阻R1的另一端与分别与第一运放A1的反相输入端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、第二运放A2的反相输入端相连，电阻R3的另一端分别与第二运放A2的输出端、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端分别与第三运放A3的反相输入端、电阻R7的一端相连，第三运放A3的输出端和电阻R7的另一端共同组成仪表放大器2的输出端。

仪表放大电器2的第一级由两个部分组成，第一个部分是由运放A1和运放A2组成的缓冲放大器，第二部分是由运放A3组成的差分放大器。仪表放大器2的首要功能是放大MEMS谐振器输出的微弱信号，同时还要求放大器必须是低噪声放大器，尽量减小测量过程中引入的观测噪声，MEMS谐振器的输出阻抗大，需要放大电路有较大的输入阻抗，确保阻抗匹配；此外，微谐振器输出信号伴随有较高的共模信号，要求该差分放大电路具有较高的共模抑制比。本次发明采用的仪表放大器AD8221具有上述特点，被广泛应用在传感器接口电路、精密数据采集系统等多个领域。

如图3所示，所述带通滤波器3包括第四运放A4以及电阻R8～电阻R12，所述电阻R8的一端接仪表放大器2的输出端，电阻R8的另一端分别与电阻R9、电容C2、电容C1的一端相连，电容C2的另一端分别与第四运放A4的正相输入端、电阻R10的一端相连，第四运放A4的反相输入端分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电容C1、电阻R10、电阻R11共地，电阻R12的另一端、电阻R9的另一端均接第四运放A4的输出端，且第四运放A4的输出端作为带通滤波器3的输出端。

带通滤波器3主要用来滤除杂波并修整波形，由于微谐振器的输出信号里包含了很多不同频率的噪声，造成输出波形比较杂乱，在经过波形变换后，无法为锁相环7提供一个良好的输入波形，使锁相环7无法正常工作，所以采用输入阻抗高、输出阻抗低的压控电压源型二阶带通滤波器。其中电阻R8与电容C1组成低通滤波器网络，电阻R10与电容C2组成高通滤波器网络，两者串联就组成了带通滤波电路，电阻R11、电阻R12和第四运放A4组成了同相比例放大电路，其增益为Avt＝1+R12/R11，品质因子Q＝1/(3-Avt)。本发明采用的带通滤波器是将2个压控电压源型二阶带通滤波器级联成的四阶带通滤波器。其中第一级的压控电压源型二阶带通滤波器设定其中心频率f1＝0.9f0品质因子Q＝5，第二级的压控电压源型二阶带通滤波器设定其中心频率f2＝1.1f0品质因子Q＝5，解决了通带内幅频响应曲线不够平坦通频带内信号的增益差别较大的问题，f0为谐振器的一阶谐振频率值。

如图4所示，所述波形变换器5包括电压比较器和模拟开关，所述电压比较器采用LM393芯片，所述模拟开关采用高速单刀双掷模拟开关SN74LVC1G3157芯片，所述LM393芯片的3脚接移相器4的输出端，LM393芯片的2脚和4脚共地，LM393芯片的8脚接+5V直流电且通过电阻R13与LM393芯片的1脚相连，LM393芯片的1脚接SN74LVC1G3157芯片的6脚，SN74LVC1G3157芯片的2脚和3脚共地，SN74LVC1G3157芯片的1脚和5脚共同接+5V直流电，SN74LVC1G3157芯片的4脚作为波形变换器5的输出端。

微谐振器的输出信号经过仪表放大器2、带通滤波器3和移相器4后仍是模拟信号，而后续的分频器6、锁相环7等模块都要求输入信号是数字信号，所以系统需要一个将正弦波变换成方波的波形变换器5作为模拟电路和数字电路的接口电路。本系统对波形变换器5的具体要求是：(1)将正弦波变换为方波；(2)方波的占空比是50％；(3)方波信号的高电平SV，低电平OV。能够实现将正弦波变换成方波的电路很多，最常用的是使用施密特触发器或电压比较器来实现。前者利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，当输入电压由低向高增加，到达正向阈值电压时，输出电压发生突变，而输入电压由高变低，到达负向阈值电压时，输出电压发生突变，该方法要求输入信号幅值要达到施密特触发器的正向阈值电压。后者实现波形转换的原理较为简单，即将输入信号与0V的参考电压进行比较，高于0V时输出正电源电压，低于0V时输出负电源电压，从而将正弦波变换成方波，但是该方法转换的方波信号陡直性不够好。为了解决这些问题，本发明采用电压比较器和模拟开关设计了一种改进的波形变换电路。

如图5所示，所述锁相环7由鉴相器、环路滤波器9和压控振荡器组成，所述鉴相器采用异或门鉴相器，所述环路滤波器9为二阶环路滤波器。本发明采用的环路滤波器9是在一阶环路滤波器结构的基础上设计的二阶环路滤波器，其中电阻R14和电容C3构成了一阶环路滤波器，电阻R14、电容C3和电容C4构成了二阶环路滤波器，该环路滤波器9相当于理想积分环节，在暂态跟踪时，鉴相器输出的电流脉冲对环路滤波器9充电，获得控制电压，调节振荡器输出信号的频率。当环路进入稳态后，鉴相器输出电流型矩形波的平均电流为零，不再对环路滤波器9充电，由于环路滤波器9相当于一个理想积分环节，在暂态过程中充电得到的控制电压不会消失，正是这个在暂态过程中脉冲电流对环路滤波器9积累起来的控制电压，维持了环路的稳态跟踪。

综上所述，本发明将微谐振器的输出信号进行放大、滤波、并产生一定的时延，以满足系统处于闭环自激状态所需的要求；从锁相环7的稳态相差与环路传递函数关系入手，通过选择合适的环路滤波器9结构，设计了结构简单、参数选取方便的能够实现无相差频率跟踪功能的锁相环电路；提高了谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且改善了系统的动态特性。

Claims (5)

1.一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，其特征在于：包括敏感结构(1)、前级处理电路、锁相环(7)和幅值调整器(8)，所述敏感结构(1)由激励元件、谐振器和拾振电阻组成，所述前级处理电路由仪表放大器(2)、带通滤波器(3)、移相器(4)、波形变换器(5)和分频器(6)组成，所述拾振电阻输出的微弱信号经过仪表放大器(2)放大，经过带通滤波器(3)滤除杂波并修整波形，通过移相器(4)对系统的相位进行调整，波形变换器(5)作为模拟电路和数字电路的接口电路将正弦波改变成方波，再经过分频器(6)将信号二分频作为锁相环(7)的输入信号，锁相环(7)的输出信号经过幅值调整器(8)后作为激励元件的激励信号激励谐振器，实现传感器的闭环锁相。

2.根据权利要求1所述的静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，其特征在于：所述的仪表放大器(2)包括第一运放A1、第二运放A2、第三运放A3以及电阻R1～电阻R7，所述第一运放A1、第二运放A2的正相输入端均接拾振电阻的输出端，第一运放A1的输出端分别与电阻R1、电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端、第三运放A3的正相输入端相连，电阻R5的另一端与第三运放A3的输出端相连；电阻R1的另一端与分别与第一运放A1的反相输入端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端、第二运放A2的反相输入端相连，电阻R3的另一端分别与第二运放A2的输出端、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端分别与第三运放A3的反相输入端、电阻R7的一端相连，第三运放A3的输出端和电阻R7的另一端共同组成仪表放大器(2)的输出端。

3.根据权利要求1所述的静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，其特征在于：所述带通滤波器(3)包括第四运放A4以及电阻R8～电阻R12，所述电阻R8的一端接仪表放大器(2)的输出端，电阻R8的另一端分别与电阻R9、电容C2、电容C1的一端相连，电容C2的另一端分别与第四运放A4的正相输入端、电阻R10的一端相连，第四运放A4的反相输入端分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电容C1、电阻R10、电阻R11共地，电阻R12的另一端、电阻R9的另一端均接第四运放A4的输出端，且第四运放A4的输出端作为带通滤波器(3)的输出端。

4.根据权利要求1所述的静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，其特征在于：所述波形变换器(5)包括电压比较器和模拟开关，所述电压比较器采用LM393芯片，所述模拟开关采用高速单刀双掷模拟开关SN74LVC1G3157芯片，所述LM393芯片的3脚接移相器(4)的输出端，LM393芯片的2脚和4脚共地，LM393芯片的8脚接+5V直流电且通过电阻R13与LM393芯片的1脚相连，LM393芯片的1脚接SN74LVC1G3157芯片的6脚，SN74LVC1G3157芯片的2脚和3脚共地，SN74LVC1G3157芯片的1脚和5脚共同接+5V直流电，SN74LVC1G3157芯片的4脚作为波形变换器(5)的输出端。

5.根据权利要求1所述的静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器闭环自激系统，其特征在于：所述锁相环(7)由鉴相器、环路滤波器(9)和压控振荡器组成，所述鉴相器采用异或门鉴相器，所述环路滤波器(9)为二阶环路滤波器。