CN1866747B - 电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环 - Google Patents
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Abstract
电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环，闭环控制系统包括低通滤波器，模拟数字转换器、微处理器、直接数字合成参考信号源、直接数字合成激励信号源和激励放大器。敏感结构的拾振电阻输出的信号经过低通滤波器放大和滤波后，由模拟数字转换器转换成数字信号输入到微处理器中，微处理器控制直接数字合成参考信号源输出拾振电阻的参考信号，微处理器控制直接数字合成激励信号源输出的正弦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激励谐振器。由敏感元件的拾振电阻、低通滤波器、模拟数字转换器、微处理器和直接数字合成参考信号源构成一个锁相环，其中拾振电阻作为鉴相器，从而实现传感器的数字锁相闭环。
Description
技术领域
本发明涉及硅微机械谐振传感器的闭环系统，特别是一种电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环。
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。电阻拾振式硅微机械谐振传感器的激励元件可以由电阻、电容、电磁和压电等方式实现。当采用电阻和电容器件激励传感器时，当激励信号为纯正弦信号时，作用于谐振器上的激励力是激励信号的倍频信号，拾振元件接测到的谐振器的振动信号是激励信号的倍频信号。通常的谐振式传感器的闭环系统中激励信号和拾振信号的频率相同，当采样倍频激励时，需要新的闭环系统。锁相闭环系统是谐振式传感器常用的闭环系统之一。
通常基于锁相环结构的硅微机械谐振传感器的闭环系统中只有一个信号发生单元，例如压控振荡器、直接数字合成信号源等，这样的闭环系统为了实现拾振信号是激励信号的倍频的谐振式传感器的闭环，需要在闭环电路中加倍频电路或分频电路，倍频电路或分频电路通常利用模拟乘法器来实现。经过模拟乘法器的信号的波形失真和谐波较大，不利于高质量正弦信号的产生。
理论上，谐振式传感器敏感元件固有频率对应的相移为90°，硅微机械谐振传感器的敏感结构由于残余应力，激励、拾振元件发热等因素的影响，其固有频率对应的相移有一定的漂移，其固有频率对应的相移需要通过开环测试测量。通常的硅微机械谐振传感器的锁相闭环系统是依据传感器敏感元件的理论特性设计的，而没有考虑到敏感元件相位漂移对传感器测量造成的影响。
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数字锁相闭环，可以实现拾振信号与激励信号频率相同的闭环，也可以实现拾振信号是激励信号倍频的闭环。由于激励信号和参考信号采用了两个直接数字合成信号源来实现，通过调节这两个信号源输出信号的相位，可以补偿敏感元件的相位漂移。
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数字锁相闭环的闭环控制系统包括低通滤波器、模拟数字转换器、微处理器、直接数字合成参考信号源、直接数字合成激励信号源和激励放大器，敏感结构的拾振电阻输出的信号经过低通滤波器放大和滤波，由模拟数字转换器换成数字信号输入到微处理器中，微处理器控制直接数字合成参考信号源输出正弦信号，作为拾振电阻的参考信号，微处理器控制直接数字合成激励信号源输出的正弦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激励谐振器。由敏感元件的拾振电阻、低通滤波器、模拟数字转换器、微处理器和直接数字合成参考信号源构成一个锁相环，其中拾振电阻作为鉴相器，从而实现传感器的锁相闭环。
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。
谐振器的理论频率特性如图2所示，设ωr为谐振器的固有频率，敏感元件固有频率对应的相移为-90°+θ。
拾振信号与激励信号频率相同时：
直接数字合成参考信号源输出的信号为U1(t)＝cos(ωt+θ)。直接数字合成激励信号源输出的信号为U2(t)＝cos(ωt)，经过激励放大器放大后输出的信号为U3(t)＝Bcos(ωt)，谐振器的振动信号为x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。拾振电阻输出的信号为X(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)cos(ωt+θ)＝A(ω，t)B[cos(2ωt+φ+θ)+cos(φ-θ)]/2。低通滤波器滤掉X(t)的交流分量，放大直流分量Xd(t)＝A(ω，t)Bcos(φ-θ)/2，由数字模拟转换器将其直流分量转换成数字量，送到微处理器中。微处理器控制直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出频率为ω的正弦信号。当ω＝ωr时，φ＝-90°+θ，Xd(t)＝0，微处理器不改变直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率，传感器整个闭环系统稳定在谐振器的固有频率ωr上。当ω<ωr时，φ>-90°+θ，Xd(t)>0，微处理器控制直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率同步、等量增大，直到检测到Xd(t)＝0，即φ＝-90°+θ，ω＝ωr时，微处理器控制直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率稳定在ωr上。当ω>ωr时，φ<-90°+θ，Xd(t)<0，微处理器控制直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率同步、等量减小，直到检测到Xd(t)＝0，即φ＝-90°+θ，ω＝ωr时，微处理器控制直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率稳定在ωr上。
拾振信号是激励信号频率倍频时：
直接数字合成参考信号源输出的信号为U1(t)＝cos(ωt+θ)，直接数字合成激励信号源输出的信号为U2(t)＝cos(ωt/2)，经过激励放大器放大后输出的信号为U3(t)＝Bcos(ωt/2)，谐振器的振动信号为x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。拾振电阻的输出为X(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)cos(ωt+θ)＝A(ω，t)B[cos(2ωt+φ+θ)+cos(φ-θ)]/2。低通滤波器滤掉X(t)的交流分量，放大直流分量Xd(t)＝A(ω，t)Bcos(φ-θ)/2，由数字模拟转换器将其直流分量转换成数字量，送到微处理器中。微处理器控制直接数字合成激励信号源输出频率为ω/2的正弦信号，直接数字合成参考信号源输出频率为ω的正弦信号。当ω＝ωr时，φ＝-90°+θ，Xd(t)＝0，微处理器不改变直接数字合成激励信号源和直接数字合成参考信号源输出信号的频率，传感器整个闭环系统稳定在谐振器的固有频率ωr上。当ω<ωr时，φ>-90°+θ，Xd(t)>0，微处理器控制直接数字合成参考信号源输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源输出信号的频率2倍，同步增大，直到检测到Xd(t)＝0，即φ＝-90°+θ，ω＝ωr时，微处理器控制直接数字合成激励信号源输出信号的频率稳定在ωr/2上，直接数字合成参考信号源输出信号的频率稳定在ωr上。当ω>ωr时，φ<-90°+θ，Xd(t)<0，微处理器控制直接数字合成参考信号源输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源输出信号的频率2倍，同步减小，直到检测到Xd(t)＝0，即φ＝-90°+θ，ω＝ωr时，微处理器控制直接数字合成激励信号源输出信号的频率稳定在ωr/2上，直接数字合成参考信号源输出信号的频率稳定在ωr上。
通过以上分析可知，整个传感器的闭环回路将稳定工作在谐振器的固有频率ωr上，从而实现了传感器的数字锁相闭环。
本发明与现有技术相比的优点：由于本发明采用了两路直接数字合成信号源来产生激励信号和参考信号，通过调节这两个信号源输出信号的相位，可以补偿敏感元件的相位漂移。本发明所述的电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环，可以实现拾振信号与激励信号频率相同的闭环，也可以实现拾振信号是激励信号倍频的闭环。
附图说明
图1为本发明所述的电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环的结构示意图；
图2为本发明所述的谐振器的理论频率特性曲线图，其中图2a为幅频特性曲线图，图2b为相频特性曲线图；
图3为本发明所述的直接数字合成参考信号源和直接数字合成激励信号源实现方法一的结构示意图；
图4为本发明所述的直接数字合成参考信号源和直接数字合成激励信号源实现方法二的结构示意图；
图5为本发明所述的激励信号和拾振信号频率相同的情况下微处理器闭环控制算法的流程图；
图6为本发明所述的拾振信号频率为激励信号频率2倍的情况下微处理器闭环控制算法的流程图；
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环的闭环控制系统2包括敏感结构1的拾振电阻9、低通滤波器7、模拟数字转换器6、微处理器5、直接数字合成参考信号源8、直接数字合成激励信号源4和激励放大器3，敏感结构1的拾振电阻9输出的信号进入低通滤波器7，由低通滤波器7放大拾振电阻8输出的直流信号，并滤掉交流信号，再由模拟数字转换器6换成数字信号输入到微处理器5中，微处理器5控制直接数字合成参考信号源8输出正弦信号，作为拾振电阻9的参考信号，微处理器5控制直接数字合成激励信号源4输出的正弦信号经过激励放大器3放大，作为敏感结构中激励元件11的激励信号激励谐振器10，由敏感元件的拾振电阻9、低通滤波器7、模拟数字转换器6、微处理器5和直接数字合成参考信号源8构成一个锁相环，其中拾振电阻9作为鉴相器，从而实现传感器的锁相闭环。
直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8的实现有两种方法。
实现方法一如图3所示，直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源(8)由DDS芯片14、DDS芯片17、低通滤波器15、低通滤波器16、微处理器接口12和晶体振荡器(13)组成，DDS芯片(14)和DDS芯片17可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本实施例采用AD9852，晶体振荡器13为DDS芯片14和DDS芯片17提供相同的参考时钟，低通滤波器15和低通滤波器16用来滤掉AD9852输出信号的高次谐波，微处理器5通过微处理器接口12控制DDS芯片14和DDS芯片17产生频率和相位可调的正弦信号。
实现方法二如图4所示，直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8由DDS芯片14、DDS芯片17、低通滤波器15、低通滤波器16、微处理器接口12、晶体振荡器13和分频器18组成，DDS芯片14和DDS芯片17可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本实施例采用AD9852，低通滤波器15和低通滤波器16用来滤掉AD9852输出信号的高次谐波，晶体振荡器13为DDS芯片14提供参考时钟，晶体振荡器13输出的时钟经过分频器18分频为晶体振荡器13输出的时钟频率的1/2，提供给DDS芯片17作为参考时钟，微处理器5通过微处理器接口(12)控制DDS芯片14和DDS芯片17产生频率和相位可调的正弦信号，其中微处理器5输出给DDS芯片14和DDS芯片17的频率控制字相同，由于DDS芯片17的参考时钟是DDS芯片14的参考时钟的1/2，从而使直接数字合成激励信号源4输出信号的频率为直接数字合成参考信号源8输出信号频率的1/2。
微处理器5用于实现电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环的闭环控制算法。
激励信号和拾振信号频率相同的情况下，闭环控制算法的控制流程如图5所示。微处理器控制5控制直接数字合成参考信号源8和直接数字合成激励信号源4输出频率为ω、相位差为θ的正弦信号，通过模拟数字转换器6采集低通滤波器7输出的直流信号，当Xd(t)＝0时，保持直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8输出信号的频率不变，当Xd(t)>0时，控制直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8输出信号的频率同步、等量增大，当Xd(t)<0时，控制直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8输出信号的频率同步、等量减小，直到检测到Xd(t)＝0。当Xd(t)＝0时，输出测量结果，谐振器的固有频率。
拾振信号频率为激励信号频率2倍的情况下，闭环控制算法的控制流程如图6所示。微处理器5控制直接数字合成参考信号源8输出的信号为cos(ωt+θ)，直接数字合成激励信号源4输出的信号为cos(ωt/2)，通过模拟数字转换器6采集低通滤波器7输出的直流信号，当Xd(t)＝0时，保持直接数字合成激励信号源4和直接数字合成参考信号源8输出信号的频率不变，当Xd(t)>0时，控制直接数字合成参考信号源8输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源4输出信号的频率2倍，同步增大，当Xd(t)<0时，控制直接数字合成参考信号源8输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源4输出信号的频率2倍，同步减小，直到检测到Xd(t)＝0。当Xd(t)＝0时，输出测量结果，谐振器的固有频率。
低通滤波器7、激励放大器3和低通滤波器16可以由运算放大器实现，要保证它们不能产生较大的相位漂移。运算放大器的选择要考虑到传感器振动信号的带宽、运算放大器本身噪声和直流偏置，保证可以良好的实现传感器输出的微弱信号和传感器需要的激励信号的放大，具体可以选用OPA627、OPA228、LT1028等运算放大器。
本发明中的微处理器接口12是DDS芯片内部集成的接口，用于与处理器通讯，晶体振荡器统率13是通用的用于产生参考时钟的器件，分频器18采样通用的集成电路实现，用来对晶体振荡器13输出的信号进行分频。
Claims (7)
1.电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环，其特征在于：所述的数字锁相闭环包括闭环控制系统(2)和敏感结构(1)，所述的闭环控制系统(2)由敏感结构(1)的拾振电阻(9)、低通滤波器(7)、模拟数字转换器(6)、微处理器(5)、直接数字合成参考信号源(8)、直接数字合成激励信号源(4)和激励放大器(3)组成，敏感结构(1)的拾振电阻(9)输出的信号经过低通滤波器(7)放大和滤波，由模拟数字转换器(6)换成数字信号输入到微处理器(5)中，微处理器(5)控制直接数字合成参考信号源(8)输出正弦信号作为拾振电阻(9)的参考信号，微处理器(5)控制直接数字合成激励信号源(4)输出的正弦信号经过激励放大器(3)放大，作为敏感结构(1)中激励元件(11)的激励信号激励谐振器(10)，从而实现传感器的锁相闭环。
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数字锁相闭环，其特征在于：所述的低通滤波器(7)用于放大拾振电阻(8)输出的直流信号，并滤掉交流信号。
3.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数字锁相闭环，其特征在于：所述的直接数字合成激励信号源(4)包括第一DDS芯片(17)、第一低通滤波器(16)、微处理器接口(12)和晶体振荡器(13)，直接数字合成参考信号源(8)包括第二DDS芯片(14)、第二低通滤波器(15)、微处理器接口(12)和晶体振荡器(13)，第二低通滤波器(15)用来滤掉第二DDS芯片(14)输出信号的高次谐波，第一低通滤波器(16)用来滤掉第一DDS芯片(17)输出信号的高次谐波，微处理器(5)通过微处理器接口(12)控制第二DDS芯片(14)和第一DDS芯片(17)产生频率和相位可调的正弦信号。
4.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数字锁相闭环，其特征在于：所述的直接数字合成激励信号源(4)包括第一DDS芯片(17)、第一低通滤波器(16)、微处理器接口(12)、晶体振荡器(13)和分频器(18)，直接数字合成参考信号源(8)包括第二DDS芯片(14)、第二低通滤波器(15)、微处理器接口(12)、晶体振荡器(13)和分频器，第二低通滤波器(15)用来滤掉第二DDS芯片(14)输出信号的高次谐波，第一低通滤波器(16)用来滤掉第一DDS芯片(17)输出信号的高次谐波，晶体振荡器(13)为第二DDS芯片(14)提供参考时钟，晶体振荡器(13)输出的时钟经过分频器(18)分频为晶体振荡器(13)输出的时钟频率的1/2，提供给第一DDS芯片(17)作为参考时钟，微处理器(5)通过微处理器接口(12)控制第二DDS芯片(14)和第一DDS芯片(17)产生频率和相位可调的正弦信号，其中微处理器(5)输出给第二DDS芯片(14)和第一DDS芯片(17)的频率控制字相同，第一DDS芯片(17)的参考时钟为第二DDS芯片(14)的参考时钟的1/2，使直接数字合成激励信号源(4)输出信号的频率为直接数字合成参考信号源(8)输出信号频率的1/2。
5.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数字锁相闭环，其特征在于：所述的微处理器(5)控制直接数字合成参考信号源(8)和直接数字合成激励信号源(4)输出频率为ω、相位差为θ的正弦信号，通过模拟数字转换器(6)采集低通滤波器(7)输出的直流信号Xd(t)，当Xd(t)＝0时，保持直接数字合成激励信号源(4)和直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率不变，当Xd(t)＞0时，控制直接数字合成激励信号源(4)和直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率同步、等量增大；当Xd(t)＜0时，控制直接数字合成激励信号源(4)和直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率同步、等量减小，直到检测到Xd(t)＝0；当Xd(t)＝0时，输出测量结果，即谐振器的固有频率。
6.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数字锁相闭环，其特征在于：当拾振信号频率为激励信号频率2倍的情况下，微处理器(5)控制直接数字合成参考信号源(8)输出的信号为cos(ωt+θ)，直接数字合成激励信号源(4)输出的信号为cos(ωt/2)，通过模拟数字转换器(6)采集低通滤波器(7)输出的直流信号Xd(t)，当Xd(t)＝0时，保持直接数字合成激励信号源(4)和直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率不变；当Xd(t)＞0时，控制直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源(4)输出信号的频率2倍，同步增大；当Xd(t)＜0时，控制直接数字合成参考信号源(8)输出信号的频率恒为直接数字合成激励信号源(4)输出信号的频率2倍，同步减小，直到检测到Xd(t)＝0；当Xd(t)＝0时，输出测量结果，谐振器的固有频率。
7.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数字锁相闭环，其特征在于：所述的低通滤波器(7)和激励放大器(3)由运算放大器实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100901 Termination date: 20120623 |