CN114726363B - 用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统及方法，属于MEMS压力传感器技术领域。该系统包括V/F转换电路、与所述V/F转换电路连接的硅谐振压力芯体、与所述硅谐振压力芯体连接的C/V电路、分别与所述C/V电路连接的自适应反馈控制模块和微分器以及与所述微分器连接的AGC电路，所述AGC电路与所述自适应反馈控制模块连接。本发明通过自适应反馈控制，满足驱动端信号和检测端信号‑90°的相位差特性，保证其不受外界环境温度的影响，满足移相抗干扰的能力，保证硅谐振压力传感器始终工作在谐振状态，减小了因外界环境影响造成频率漂移或幅值波动带来的影响。
Description
技术领域
本发明属于MEMS压力传感器技术领域，尤其涉及一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统及方法。
背景技术
硅谐振压力传感器因其体积小、功耗低、精度高等优点被广泛应用于航空航天、气象监测、工业测控等领域，硅谐振压力传感器主要由硅谐振压力芯体和外围闭环驱动控制电路构成。
考虑到硅谐振压力传感器的测量精度，通常采用闭环控制电路来实现硅谐振压力芯体的驱动与检测，当外界压力变化导致硅谐振压力芯体谐振频率变化时，自激闭环控制电路可较快地通过噪声激励的方式将谐振频率锁定在振荡频率处并作为输出信号输出。
传统的闭环控制系统通常采用自动增益控制（AGC）或锁相环（PLL）电路来实现，典型的电路架构如图1和图2所示，图1中，C表示硅谐振芯体的电容变化量，V表示硅谐振芯体的输出电信号，Vref表示外置参考直流电压，Cdrive表示硅谐振芯体的驱动梳齿，Csense表示硅谐振芯体的检测梳齿。为满足自激振荡的条件，通常要求自激振荡电路的检测端输出信号与驱动端输入信号具有-90°的相位差，AGC电路的相位控制是通过移相器电路实现，来保证整个闭环回路具有-90°的相位差，诸如专利CN104764559、CN103776469、CN102063057等均是通过该方法形成闭环回路。但是该方案通常会存在以下几种局限性：第一，由于电路的非理想因数的存在，移相器电路中包含的电阻、电容元件具有一定的温度漂移特性，其阻值和容值会随着温度变化而变化，导致移相电路在常温时具有-90°的移相特性而在高低温的环境下无法满足-90°的相位差条件；第二，在批量生产加工的情况下，单个结构的硅谐振芯体的谐振频率和品质因数等参数存在较大的差异，采用AGC的移相电路会大大增加结构与接口电路匹配测试的工作量和电路调试的难度。诸如专利CN113765516A、CN108519498B等均是采用锁相环电路实现闭环控制，而锁相环电路虽然可以通过鉴相器保证相位差值为-90°并且不受外界环境的影响，但是模拟锁相环的电路复杂程度相当高，较难采用分立模拟器件实现，除此之外，锁相环电路在上电初始阶段，会有扫频与锁频的过程，这会极大地增加硅谐振闭环电路的起振时间。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统及方法，通过自适应反馈控制算法，满足驱动端信号和检测端信号-90°的相位差特性，保证其不受外界环境温度的影响，满足移相抗干扰的能力，同时该系统简单，易实现，无需扫频与锁频的过程，能极大地降低谐振电路的起振时间。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本方案提供了一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，包括V/F转换电路、与所述V/F转换电路连接的硅谐振压力芯体、与所述硅谐振压力芯体连接的C/V电路、分别与所述C/V电路连接的自适应反馈控制模块和微分器以及与所述微分器连接的AGC电路，所述AGC电路与所述自适应反馈控制模块连接；
所述V/F转换电路，用于将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
所述硅谐振压力芯体，用于受静电力Fe驱动形成谐波振动，产生位移变化量x；
所述C/V电路，用于将位移变化量x转换成电压信号V；
所述自适应反馈控制模块，用于分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
所述微分器，用于对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
所述AGC电路，用于根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
本发明的有益效果是：本发明拟提出一种自适应闭环反馈控制系统，通过自适应反馈控制，满足驱动端信号和检测端信号-90°的相位差特性，保证其不受外界环境温度的影响，满足移相抗干扰的能力，保证硅谐振压力传感器始终工作在谐振状态，减小了因外界环境影响造成频率漂移或幅值波动带来的影响，同时该系统架构简单，无需扫频与锁频过程，极大地降低谐振电路的起振时间。
进一步地，所述受静电力Fe的表达式如下：
F e =K vf ·V dc ·G·H
其中，K vf 表示电信号向静电力转换的比例因子，V dc 表示直流参考电压，G表示AGC电路输出的直流信号，H表示高频载波信号；
所述位移变化量x的表达式如下：
x=ucos(ωt+φ)
其中，u表示硅谐振压力芯体的位移幅值，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位。
再进一步地，所述自适应反馈控制模块包括依次连接的相位调理电路、第一信号幅值调制器以及信号频率调制器，所述相位调理电路分别与所述信号频率调制器以及C/V电路连接；
所述相位调理电路，用于接收电压信号V和反馈的高频载波信号H，将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，并将低频信号P输入至第一信号幅值调制器中，其中，H=ycos (ϴ(t))），y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
所述第一信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算，使低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
所述信号频率调制器，用于产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位差。
上述进一步方案的有益效果是：本发明提供了一种硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，包含相位调理电路、第一信号幅值调制器和信号频率调制器。通过相位调理电路将硅谐振压力芯体的输出信号调制到高频部分，并与信号频率调制器作负反馈比较，然后经过第一信号幅值调制器作比例-积分（PI）运算，保证其相位无静差，最后再输入至信号频率调制器中，通过自适应循环反馈控制，满足移相抗干扰的特性，保证硅谐振压力传感器始终工作在谐振状态，减小了因外界环境影响造成频率漂移或幅值波动带来的影响，同时该系统架构简单，无需扫频与锁频过程，极大地降低谐振电路的起振时间。
再进一步地，所述相位调理电路的输入输出状态方程如下：
其中，
表示低频信号P的微分，
表示相位调理电路的比例因子，K dc 表示位移变化量x引起硅谐振芯体检测电容Csense变化的比例因子，K cv 表示硅谐振芯体检测电容Csense对应电压信号V的比例因子，θ表示高频载波信号H的初始相位，P表示相位调理电路输出的低频信号；
所述第一信号幅值调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示Z的微分，
表示第一信号幅值调制器的比例因子，
表示第一信号幅值调制器的积分因子，Z表示第一信号幅值调制器的输出信号；
所述信号频率调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示高频载波信号H的初始相位的微分，ω 0 表示信号频率调制器的初始频率，K v 表示信号频率调制器的比例因子。
上述进一步方案的有益效果是：本发能通过上述计算公式能信号频率调制器的输出信号H的相位是与上一级信号Z的幅值成线性相关，保证了高频载波信号H的自适应随动特性。
再进一步地，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
再进一步地，所述AGC电路包括依次连接的整流器、滤波器以及第二信号幅值调制器；所述整流器与所述微分器连接，所述第二信号幅值调制器与所述第一信号幅值调制器连接；
所述整流器，用于根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
所述滤波器，用于根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
所述第二信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
上述进一步方案的有益效果是：通过AGC电路将输出电压信号V的幅值钳位在直流参考电压Vref处，保证了其幅值恒定的特性，不受外界环境的影响，其幅值永远为直流参考电压Vref，满足了闭环回路稳定的幅值条件。
第二方面，本发明提供了一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制方法，包括以下步骤：
S1、将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
S2、由硅谐振压力芯体受静电力Fe驱动，产生位移变化量x；
S3、将位移变化量x转换成电压信号V；
S4、分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
S5、对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
S6、根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
本发明的有益效果是：本发明拟提出一种自适应闭环反馈控制系统，通过自适应反馈控制，满足驱动端信号和检测端信号-90°的相位差特性，保证其不受外界环境温度的影响，满足移相抗干扰的能力，保证硅谐振压力传感器始终工作在谐振状态，减小了因外界环境影响造成频率漂移或幅值波动带来的影响，同时该系统架构简单，无需扫频与锁频过程，极大地降低谐振电路的起振时间。
进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将所述电压信号V和反馈的高频载波信号H同时输入至相位调理电路中；
S402、通过相位调理电路将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，其中，H=ycos (ϴ(t))），y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
S403、将含有相位差ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P输入至第一信号幅值调制器，并利用比例-积分运算，使所述低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
S404、利用信号频率调制器产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位差。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述步骤锁定了其相位分量，保证了整个回路的输入输出的相位差是永远满足-90°的特性，且不受外界因素影响。
再进一步地，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
再进一步地，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
S602、根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
S603、利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
附图说明
图1为背景技术中典型的AGC闭环控制电路图。
图2为背景技术中典型的PLL闭环控制电路图。
图3为本发明中自适应闭环反馈控制系统结构示意图。
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图3所示，本发明提供了一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，包括V/F转换电路、与所述V/F转换电路连接的硅谐振压力芯体、与所述硅谐振压力芯体连接的C/V电路、分别与所述C/V电路连接的自适应反馈控制模块和微分器以及与所述微分器连接的AGC电路，所述AGC电路与所述自适应反馈控制模块连接；
所述V/F转换电路，用于将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
所述硅谐振压力芯体，用于受静电力Fe驱动形成谐波振动，产生位移变化量x；
所述C/V电路，用于将位移变化量x转换成电压信号V；
所述自适应反馈控制模块，用于分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
所述微分器，用于对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
所述AGC电路，用于根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
F e =K vf ·V dc ·G·H
其中，K vf 表示电信号向静电力转换的比例因子，V dc 表示直流参考电压，G表示AGC电路输出的直流信号，H表示高频载波信号；
所述位移变化量x的表达式如下：
x=ucos(ωt+φ)
其中，u表示硅谐振压力芯体的位移幅值，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位。
所述自适应反馈控制模块包括依次连接的相位调理电路、第一信号幅值调制器以及信号频率调制器，所述相位调理电路分别与所述信号频率调制器以及C/V电路连接；
所述相位调理电路，用于接收电压信号V和反馈的高频载波信号H，将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，并将低频信号P输入至第一信号幅值调制器中，其中，H=ycos (ϴ(t))），y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
所述第一信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算，使低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
所述信号频率调制器，用于产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位差。
所述相位调理电路的输入输出状态方程如下：
其中，
表示低频信号P的微分，
表示相位调理电路的比例因子，K dc 表示位移变化量x引起硅谐振芯体检测电容Csense变化的比例因子，K cv 表示硅谐振芯体检测电容Csense对应电压信号V的比例因子，θ表示高频载波信号H的初始相位，P表示相位调理电路输出的低频信号；
所述第一信号幅值调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示Z的微分，
表示第一信号幅值调制器的比例因子，
表示第一信号幅值调制器的积分因子，Z表示第一信号幅值调制器的输出信号；
所述信号频率调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示高频载波信号H的初始相位的微分，ω 0 表示信号频率调制器的初始频率，K v 表示信号频率调制器的比例因子。
将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
所述AGC电路包括依次连接的整流器、滤波器以及第二信号幅值调制器；所述整流器与所述微分器连接，所述第二信号幅值调制器与所述第一信号幅值调制器连接；
所述整流器，用于根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
所述滤波器，用于根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
所述第二信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
本实施例中，系统整体架构如图3所示：包含硅谐振压力芯体、C/V转换电路、微分器、AGC电路、自适应反馈控制模块、V/F转换电路、两路直流参考电压Vref和Vdc，其中，Vdc为外置直流电压，通过乘法器将反馈信号（G×H）的幅值进一步提高，增强静电力，用于驱动硅谐振芯体。参考图3所示，自适应反馈控制模块主要完成-90°相位差控制的功能，主要包含相位调理电路、第一信号幅值调制器和信号频率调制器，相位调理电路通过乘法器与低通滤波器来实现，通过乘法器功能，将低频的电压信号V调制到高频载波信号H上，形成含有两个相位分量的信号，其相位分量分别为ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)，通过相位调理电路的一阶低通滤波功能，将含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频分量滤除，只保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)分量的低频信号P；第一幅值调制器比例-积分运算器组成，主要实现输入信号的相位为恒定常数；信号频率调制器产生一个高频载波信号H，其频率是随输入幅值电平变化而呈现线性变化，作用有二：其一上电时产生高频载波信号H，使得低频的电压信号V调制到高频载波信号H上，能增强上电时的抗干扰特性；其二，需要一个时变的频率信号，能够满足自适应调理过程中频率的可变性，在系统自适应稳定的条件下满足相位ϴ(t)与ωt+φ之差为定值常数。本实施例中，Cdrive为硅谐振芯体中的驱动电容，当有外电压信号加载在硅谐振芯体的驱动电容上时，即会在驱动电容的两个电容极板间形成静电力Fe，Csense为硅谐振芯体的检测电容。
本实施例中，通过相位调理电路将硅谐振压力芯体的输出信号调制到高频部分，并与信号频率调制器作反馈乘法运算，经一阶低通滤波器滤除高频分量，保留相位差ωt+φ-ϴ(t)的低频分量，负反馈比较，然后经过第一信号幅值调制器作比例-积分（PI）运算，保证其相位无静差（静差又叫静态误差），最后再输入至信号频率调制器中，通过自适应循环反馈控制，当反馈的频率与输入的低频信号P的频率不一致时，即ωt+φ-ϴ(t)≠0时，第一信号幅值调制器通过PI运算将相位值ϴ(t)逐渐向相位值ωt+φ靠拢，当反馈的频率和输入的低频信号P的频率一致时，即ωt+φ-ϴ(t)=0时，即φ=常数，由于系统稳定的前提为相位差为-90°，即φ=-90°，该自适应反馈控制模块进入稳态，此时相位差满足-90°特性。
本实施例中，硅谐振压力芯体感受外界压力变化的核心元器件，外界压力变化导致硅谐振压力芯体谐振频率变化，需要通过闭环控制电路对硅谐振压力芯体进行驱动和检测，其状态方程为
，硅谐振压力芯体受静电力Fe驱动形成谐波振动产生x的位移变化，其中x=ucos(ωt+φ)，u表示硅谐振压力芯体的位移幅值，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位。
本实施例中，C/V电路的功能是将硅谐振压力芯体输出的位移变化量x转换成电压信号V以方便后续接口电路的输入，其中，位移变化量x引起电容间距的变化由此引起检测电容的变化ΔC，
，K dc 为x→ΔC的比例因子，再通过跨阻放大器将ΔC转换成电压信号V，
，K cv 为ΔC→V的比例因子。
本实施例中，微分器的作用有两点，其一，对电压信号V作微分运算，
将频率信号提取出来，增大了整个闭环回路增益，加快整个闭环控制系统的稳定过程；其二，微分器作为一个额外的控制参量，可以用来调节整个系统的动态特性，诸如，起振时间、上升时间等。
本实施例中，相位调理电路将电压信号V的频率与相位信息做初次处理，通过乘法器功能将其调制信号频率调制器的输出信号H中，其中
，该相位调理电路的状态方程为
，其中σ为该相位调理电路的比例因子。
本实施例中，第一信号幅值调制器为PI控制器，用于形成相位无静差系统，保证其输入输出相位差固定，其系统方程定义为
，即其系统状态输入输出方程变形为
。其中，
表示第一幅值调制器的系统传递函数，
表示第一信号幅值调制器的比例因子，
表示第一信号幅值调制器的积分因子，S表示传递函数拉氏变换的S算子。
本实施例中，信号频率调制器产生一个相位随输入Z信号（Z信号为第一信号幅值调制器产生的）变化的高频载波信号
，信号频率调制器的系统状态输入输出方程为
，其中ω 0 为信号频率调制器的初始频率，K v 为信号频率调制器的比例因子。当高频载波信号H频率与硅谐振压力芯体的振荡频率一致时，即ω 0= ω时，整个自适应反馈回路达到稳定状态，相位差被钳位，固定在-90°。
本实施例中，AGC电路主要完成恒幅控制的功能，包含整流器、滤波器和第二信号幅值调制器。整流将输出电压信号V的幅值信号提取出来，通过滤波器去除高频分量，保留直流分量，滤波器的传递函数为
，将保留下来的直流分量输入第二信号幅值调制器，第二信号幅值调制器为PI控制器，通过比例-积分作用将直流分量幅值锁定在V ref 参考电压处，第二信号幅值调制器的系统状态输入输出方程为
。其中，A为AGC电路中直流参考电压Vref与滤波器输出的直流信号的差值信号，G表示第二幅值信号调制器的输出信号，第二幅值信号调制器的输入为A，由于AGC电路作用，A为一幅值近乎为0的微小直流信号，因此通过第二幅值信号调制器的PI作用时，其输出G为具有一定幅值，且幅值恒定的直流信号。
本实施例中，V/F转换电路主要用于将电信号转换为静电力Fe，用作驱动硅谐振压力芯体的发生谐波振动，其中，F e =K vf ·V dc ·G·H ，
是电信号向静电力转换的比例因子，V dc 表示直流参考电压，G表示AGC电路输出的直流信号，H表示高频载波信号。
本实施例中，验证上述系统的正确性：整个自适应闭环反馈控制系统的电路的状态方程组可表达式为：
其中，
表示硅谐振芯体位移的二阶微分量，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，Q表示硅谐振芯体的品质因数，
表示硅谐振芯体位移的一阶微分量，x表示位移变化量，m表示硅谐振芯体的等效质量，Fe表示静电力，G表示第二信号幅值调制器输出信号，K vf 表示电信号向静电力转换的比例因子，V dc 表示直流参考电压，y表示高频载波信号H的幅值，θ表示高频载波信号H的初始相位，
表示第二信号幅值调制器输出信号的一阶微分量，K p 表示第二信号幅值调制器的比例因子，
表示第二幅值信号调制器的输入信号的一阶微分，也即AGC电路中直流参考电压Vref与滤波器输出的直流信号的差值信号的一阶微分，K i 表示第二信号幅值调制器的积分因子，V ref 表示外置参考直流电压，表示第二幅值信号调制器的输入信号，
表示滤波器参数，K dc 表示位移变化量x引起硅谐振芯体检测电容Csense变化的比例因子，K cv 表示硅谐振芯体检测电容Csense对应电压信号V的比例因子，
表示高频载波信号H的相位一阶微分量，ω0表示信号频率调制器的初始频率，K v 表示信号频率调制器的比例因子，Z表示第一信号幅值调制器的输出信号，
表示Z的微分，
表示第一信号幅值调制器的比例因子，
表示第一信号幅值调制器的积分因子。
通过平均周期法处理该状态方程组变形为：
其中，
表示硅谐振芯体的位移幅值的平均值的一阶微分量，
表示第一信号幅值调制器的输出信号的平均值，
表示第二信号幅值调制器输出信号的平均值，
表示硅谐振芯体输出的位移相位的平均值，
表示硅谐振芯体的位移幅值的平均值，
表示第一信号幅值调制器输出信号的平均值的一阶微分量，K p 表示第二信号幅值调制器的比例因子，
表示第二幅值信号调制器的输入信号的平均值的一阶微分量，K i 表示第二信号幅值调制器的积分因子，
表示第二幅值信号调制器的输入信号的平均值，
表示低频信号P的平均值的一阶微分，
表示低频信号P的平均值。
可求得上述常微分方程组的平衡点为：
由
可知，闭环系统进入稳态后，驱动与位移之间相位相差为固定90度，满足相位差的条件。
本实施例中，本发明提出的自适应闭环反馈控制系统，能够为硅谐振压力传感器提供恒幅且相位固定的谐振频率信号，保证硅谐振压力传感器始终工作在谐振状态，减小了因外界环境影响造成频率漂移或幅值波动带来的影响，同时整个系统架构简单，有效地解决了目前硅谐振压力传感器闭环控制电路所存在的问题。
实施例2
如图4所示，本发明提供了一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制方法，其实现方法如下：
S1、将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
S2、由硅谐振压力芯体受静电力Fe驱动，产生位移变化量x；
S3、将位移变化量x转换成电压信号V；
S4、分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
S5、对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
S6、根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将所述电压信号V和反馈的高频载波信号H同时输入至相位调理电路中；
S402、通过相位调理电路将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，其中，H=ycos (ϴ(t))），y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
S403、将含有相位差ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P输入至第一信号幅值调制器，并利用比例-积分运算，使所述低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
S404、利用信号频率调制器产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位。
将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
所述步骤S6包括以下步骤：
S601、根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
S602、根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
S603、利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
如图4所示实施例提供的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制方法可以执行上述系统实施例用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不再赘述。
本领域的技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，包括V/F转换电路、与所述V/F转换电路连接的硅谐振压力芯体、与所述硅谐振压力芯体连接的C/V电路、分别与所述C/V电路连接的自适应反馈控制模块和微分器以及与所述微分器连接的AGC电路，所述AGC电路与所述自适应反馈控制模块连接；
所述V/F转换电路，用于将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
所述硅谐振压力芯体，用于受静电力Fe驱动形成谐波振动，产生位移变化量x；
所述C/V电路，用于将位移变化量x转换成电压信号V；
所述自适应反馈控制模块，用于分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
所述自适应反馈控制模块包括依次连接的相位调理电路、第一信号幅值调制器以及信号频率调制器，所述相位调理电路分别与所述信号频率调制器以及C/V电路连接；
所述相位调理电路，用于接收电压信号V和反馈的高频载波信号H，将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，并将低频信号P输入至第一信号幅值调制器中，其中，H=ycos (ϴ(t))，y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
所述第一信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算，使低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
所述信号频率调制器，用于产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位差；
所述微分器，用于对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
所述AGC电路，用于根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
2.根据权利要求1所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，所述受静电力Fe的表达式如下：
F e =K vf ·V dc ·G·H
其中，K vf 表示电信号向静电力转换的比例因子，V dc 表示直流参考电压，G表示AGC电路输出的直流信号，H表示高频载波信号；
所述位移变化量x的表达式如下：
x=ucos(ωt+φ)
其中，u表示硅谐振压力芯体的位移幅值，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位。
3.根据权利要求1所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，所述相位调理电路的输入输出状态方程如下：
其中，
表示低频信号P的微分，
表示相位调理电路的比例因子，K dc 表示位移变化量x引起硅谐振芯体检测电容Csense变化的比例因子，K vc 表示硅谐振芯体检测电容Csense对应电压信号V的比例因子，θ表示高频载波信号H的初始相位，P表示相位调理电路输出的低频信号；
所述第一信号幅值调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示Z的微分，
表示第一信号幅值调制器的比例因子，
表示第一信号幅值调制器的积分因子，Z表示第一信号幅值调制器的输出信号；
所述信号频率调制器的输入输出状态方程如下：
其中，
表示高频载波信号H的初始相位的微分，ω 0 表示信号频率调制器的初始频率，K v 表示信号频率调制器的比例因子。
4.根据权利要求1所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
5.根据权利要求1所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统，其特征在于，所述AGC电路包括依次连接的整流器、滤波器以及第二信号幅值调制器；所述整流器与所述微分器连接，所述第二信号幅值调制器与所述第一信号幅值调制器连接；
所述整流器，用于根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
所述滤波器，用于根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
所述第二信号幅值调制器，用于利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
6.一种如权利要求1-5中任一所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将电信号转换成静电力Fe，以驱动硅谐振压力芯体产生谐波振动；
S2、由硅谐振压力芯体受静电力Fe驱动，产生位移变化量x；
S3、将位移变化量x转换成电压信号V；
S4、分别利用比例-积分运算和自适应循环反馈控制，控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将所述电压信号V和反馈的高频载波信号H同时输入至相位调理电路中；
S402、通过相位调理电路将电压信号V调制至高频载波信号H上，形成含有ωt+φ+ϴ(t)与ωt+φ-ϴ(t)两个相位分量的信号，并滤除含有相位为ωt+φ+ϴ(t)的高频信号，保留含有相位ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P，其中，H=ycos (ϴ(t))，y表示高频载波信号H的幅值，ϴ(t)表示高频载波信号H的相位，ω表示硅谐振压力芯体的振荡频率，t表示时间，φ表示位移变化量的相位；
S403、将含有相位差ωt+φ-ϴ(t)的低频信号P输入至第一信号幅值调制器，并利用比例-积分运算，使所述低频信号P的相位ωt+φ-ϴ(t)为一恒定常数，确定相位无静差；
S404、利用信号频率调制器产生高频载波信号H，并通过自适应循环反馈控制，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，使电压信号V的频率与高频载波信号H的频率保持一致，以控制电压信号V与高频载波信号H形成恒定的-90°相位差;
S5、对所述电压信号V作微分运算，以及调节自适应闭环反馈控制系统的动态特性；
S6、根据微分运算结果，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
7.根据权利要求6所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统的控制方法，其特征在于，将C/V电路输出的电压信号V的相位与负反馈高频载波信号H的相位进行循环反馈对比，其具体为：
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率不一致时，利用第一信号幅值调制器通过比例-积分运算将相位ϴ(t)向相位值ωt+φ靠近，以控制电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差；
针对负反馈高频载波信号H的频率与C/V电路输出的电压信号V的频率一致时，则电压信号V与高频载波信号H形成-90°相位差。
8.根据权利要求6所述的用于硅谐振压力传感器的自适应闭环反馈控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、根据微分运算结果，提取电压信号V的幅值信号；
S602、根据提取的幅值信号滤除高频分量，保留直流分量；
S603、利用比例-积分运算将直流分量锁定在直流参考电压Vref处，控制电压信号V与直流参考电压Vref的幅值保持一致，并将高频载波信号H带有-90°的相位差信号与AGC电路输出的直流信号G调制为电信号，使反馈的静电力Fe为-90°的相位差信号。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114726363A (zh) | 2022-07-08 |
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