CN109917154B - 一种硅微谐振式加速度计带宽测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种硅微谐振式加速度计带宽测试系统，包括由异或鉴相器、二阶无源超前滞后环路滤波器、压控振荡器组成的锁相环模块、高通滤波器、放大电路、全波整流电路、单片机和显示屏；加速度动态测试的频率调制信号进入异或鉴相器，经过锁相环模块鉴相解调，将环路滤波器的二阶无源超前滞后输出电压经过高通滤波器、放大电路、全波整流电路后单片机对该直流进行AD采样。本发明实现一种电路带宽设计和测试，采用锁相环解调方式，避免使用价格昂贵的高速测频设备，成本低，便于携带，方便现场调试，实现频率输出式传感器的动态特性测试，可从测控电路角度根据应用需要，根据测控电路的幅频特性来优化电路参数，提高谐振式加速度传感器的动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及微惯性系统领域，具体是一种硅微谐振式加速度计带宽测试系统及方法。
背景技术
硅微谐振式加速度计凭借其体积小，易于集成、低功耗、灵敏度高、寿命长等优势，在民用、军事、航天等方方面面均有着十分广泛的应用。硅微谐振式加速度计是通过检测谐振梁的谐振频率变化来反映加速度的变化，输出信号为数字信号，可直接进入数字系统进行数字处理。传感器的动态性能是衡量其性能的重要标准，决定了传感器是否能应用在特定的场合。加速度计的带宽体现在动态测试环境下，传感器输出的调制频率的频偏的大小。对于该频率的测量，可以使用频率计来完成，但一般硅微谐振式传感器的谐振频率较高一般在20kHz以上，那么就需要频率计能够完成低时间门限的频率测量，而在低时间门限测量的情况下，其测量误差较大。可以通过电路设计，实现频率到电压的转换，在得到交流变化的电压后，进行整流，直接得到直流电压值，对该直流电压进行采样并显示，以达到对频偏即加速度计带宽的测量。
发明内容
发明目的：为了解决硅微谐振式加速度计在动态环境下输出的调制频率难以直接测量的问题，本发明提供一种硅微谐振式加速度计带宽测试方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种硅微谐振式加速度计带宽测试系统，包括由异或鉴相器、二阶无源超前滞后环路滤波器、压控振荡器组成的锁相环模块，以及高通滤波器、放大电路、全波整流电路、单片机和显示屏；加速度动态测试的频率调制信号进入异或鉴相器，经过锁相环模块鉴相解调，将环路滤波器的二阶无源超前滞后输出电压经过高通滤波器、放大电路、全波整流电路后单片机对该直流进行AD采样，并在oled显示屏上进行显示。
本发明还提供一种硅微谐振式加速度计带宽测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用锁相环模块实现对加速度调制信号的频率解调，获得频率偏移所对应的电压值；
S2：通过对环路滤波器参数的设置，从而改变锁相环电路的幅频特性，来确定最大带宽测试范围；
S3：对二阶无源超前滞后环路滤波器之后得到的频率调制信号，进行隔直，只保留交流分量，在对其进行放大后整流得到与交流分量成正相关的直流电压值；
S4：单片机对步骤S3中与交流分量成正相关的直流电压值进行模数转换电压采集，并驱动oled显示屏进行显示。
步骤S1中，谐振式加速度计在进行带宽测试时，其输出频率是一个正弦FM调制的信号ω1，表示为ω1＝ω0+Δω·sinωmt
其中，ω0为加速度计的基频，Δω是在敏感轴上的加速度引起的频率偏移，ωm是加速度计的调制频率。参考信号的相位θ1(t)等于频偏Δωsin(ωmt)对时间的积分，得到有
参考信号θ1(t)对应的幅度Θ1(ωm)为
根据相位传递函数的定义，压控振荡器输出的相位信号θ2(t)的幅度Θ2(ωm)为Θ2(ωm)＝H(ωm)Θ1(ωm)
其中，H(ωm)为相位传递函数，压控振荡器在ω＝ωm处的增益为
式中，K0为压控振荡器的增益系数。因此可以得到环路滤波器的输出信号uf的幅度
由上式可知，当锁相环参数固定，即K0和环路滤波器参数确定后，环路滤波器的输出信号uf的幅度可以表征当前的频偏，实现频率到电压幅度的转换。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
实现一种电路带宽设计和测试，采用锁相环解调方式，避免了使用价格昂贵的高速测频设备，实物制作成本低，便于携带，方便现场调试，实现了频率输出式传感器的动态特性测试，可以从测控电路角度根据应用需要，根据测控电路的幅频特性来优化电路参数，从而提高谐振式加速度传感器的动态性能。
附图说明
图1为锁相环频率解调电路；
图2为环路滤波器原理图；
图3为锁相环相位模型；
图4为相位模型的幅频特性曲线；
图5为解调信号的放大及显示流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-3、图5所示，本发明的一种硅微谐振式加速度计带宽测试系统，包括由异或鉴相器PD、二阶无源超前滞后环路滤波器LPF、压控振荡器VCO组成的锁相环模块，以及高通滤波器、放大电路、全波整流电路、单片机和显示屏；加速度动态测试的频率调制信号进入异或鉴相器，经过锁相环模块鉴相解调，将环路滤波器的二阶无源超前滞后输出电压经过高通滤波器、放大电路、全波整流电路后单片机对该直流进行AD采样，并在oled显示屏上进行显示。图5为锁相环模块对解调所得的环路滤波器后输出信号进行高通滤波，放大，整流，经单片机采样并在显示屏上，即实现了当前动态测试的频率环境下加速度传感器输出特性测量，对众多频率点进行测试并记录，直至输出电压变化为原来的±3dB，该动态测试的输入调制频率即为加速度传感器的带宽。
本发明还提供一种硅微谐振式加速度计带宽测试方法，包括以下步骤：
S1：采用锁相环模块实现对加速度调制信号的频率解调，获得频率偏移所对应的电压值；
S2：通过对环路滤波器参数的设置，从而改变锁相环电路的幅频特性，来确定最大带宽测试范围；
S3：对二阶无源超前滞后环路滤波器之后得到的频率调制信号，进行隔直，只保留交流分量，在对其进行放大后整流得到与交流分量成正相关的直流电压值；
S4：单片机对步骤S3中与交流分量成正相关的直流电压值进行模数转换电压采集，并驱动oled显示屏进行显示。
其中，在步骤S1中，谐振式加速度计在进行带宽测试时，其输出频率是一个正弦FM调制的信号ω1，表示为ω1＝ω0+Δω·sinωmt
其中，ω0为加速度计的基频，Δω是在敏感轴上的加速度引起的频率偏移，ωm是加速度计的调制频率。参考信号的相位θ1(t)等于频偏Δωsin(ωmt)对时间的积分，得到有
参考信号θ1(t)对应的幅度Θ1(ωm)为
根据相位传递函数的定义，压控振荡器输出的相位信号θ2(t)的幅度Θ2(ωm)为Θ2(ωm)＝H(ωm)Θ1(ωm)
其中，H(ωm)为相位传递函数，压控振荡器在ω＝ωm处的增益为
式中，K0为压控振荡器的增益系数。因此可以得到环路滤波器的输出信号uf的幅度
由上式可知，当锁相环参数固定，即K0和环路滤波器参数确定后，环路滤波器的输出信号uf的幅度可以表征当前的频偏，实现频率到电压幅度的转换。
图2为锁相环模块中环路滤波器的电路图，根据该电路图推导出对应的传递函数F(s)，可以得到
通过配置R1,R2,C1,C2的值，可以调整相位模型的幅频特性。
图3为锁相环基于Simulink的相位模型，相位模型中的参数根据实际测试的R1,R2,C1,C2参数，锁相环的中心频率以及压控振荡器增益进行仿真。
图4为调整好R1,R2,C1,C2参数后，锁相环对应的闭环幅频特性曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种硅微谐振式加速度计带宽测试方法，其特征在于：硅微谐振式加速度计带宽测试系统包括由异或鉴相器、二阶无源超前滞后环路滤波器、压控振荡器组成的锁相环模块，以及高通滤波器、放大电路、全波整流电路、单片机和显示屏；加速度动态测试的频率调制信号进入异或鉴相器，经过锁相环模块鉴相解调，将环路滤波器的二阶无源超前滞后输出电压经过高通滤波器、放大电路、全波整流电路后单片机对直流进行AD采样，并显示；
其中，硅微谐振式加速度计带宽测试方法，包括以下步骤：
S1：采用锁相环模块实现对加速度调制信号的频率解调，获得频率偏移所对应的电压值；
S2：通过对环路滤波器参数的设置，从而改变锁相环电路的幅频特性，来确定最大带宽测试范围；
S3：对二阶无源超前滞后环路滤波器之后得到的频率调制信号，进行隔直，只保留交流分量，在对其进行放大后整流得到与交流分量成正相关的直流电压值；
S4：单片机对步骤S3中与交流分量成正相关的直流电压值进行模数转换电压采集，并驱动oled显示屏进行显示；
其中，步骤S1中，谐振式加速度计在进行带宽测试时，其输出频率是一个正弦FM调制的信号ω1，表示为
ω1＝ω0+Δω·sinωmt
其中，ω0为加速度计的基频，Δω是在敏感轴上的加速度引起的频率偏移，ωm是加速度计的调制频率，参考信号的相位θ1(t)等于频偏Δωsin(ωmt)对时间的积分，得到有
参考信号θ1(t)对应的幅度Θ1(ωm)为
根据相位传递函数的定义，压控振荡器输出的相位信号θ2(t)的幅度Θ2(ωm)为
Θ2(ωm)＝Η(ωm)Θ1(ωm)
其中，Η(ωm)为相位传递函数，压控振荡器在ω＝ωm处的增益为
式中，K0为压控振荡器的增益系数，因此可以得到环路滤波器的输出信号uf的幅度
由上式可知，当锁相环参数固定，即K0和环路滤波器参数确定后，环路滤波器的输出信号uf的幅度可以表征当前的频偏，实现频率到电压幅度的转换。
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