CN1877998B - 电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环 - Google Patents

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信号源输出正弦信号，作为拾振电阻的参考信号，直接数字合成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。

Description

电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字锁相闭环

技术领域

本发明涉及硅微机械谐振传感器的闭环系统。

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。

谐振式传感器的敏感结构需要和闭环系统结合才能工作，通常的闭环系统包括幅度控制环节和移相环节，幅度控制器用来调节整个闭环的增益，以满足谐振式传感器自激闭环的幅度条件，移相环节用来调节整个闭环的相移，以满足谐振式传感器自激闭环的相位条件。而硅微机械谐振压力传感器由于结构尺寸微小，其敏感结构输出的信号非常微弱，以一种电阻拾振式硅微机械谐振压力传感器为例，在其谐振频率上，以较大的激励信号激励传感器的谐振器，其拾振电阻的变化率不到1/10⁵。所以硅微机械谐振传感器闭环系统中首先要解决微弱信号检测的问题。锁相环是一种有效的检测周期微弱信号的方法，在硅微机械谐振传感器的微弱信号检测中应用广泛。锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，鉴相器通常采用模拟乘法器来实现。

通常基于锁相环结构的硅微机械谐振传感器的闭环系统，首先要通过前置滤波器对拾振信号进行放大和滤波，然后由模拟乘法器检波，经过环路滤波器放大、滤波或积分后，控制压控振荡器输出与拾振信号频率相同、相位差一定的正弦信号，这个信号反馈到模拟乘法器，作为鉴相器的参考信号，这个信号放大后，通过移相环节输出到硅微机械谐振压力传感器的激励元件激励谐振器振动。模拟乘法器的输出直流偏置一般都大于微伏级。当传感器的信号较弱时，鉴相输出的代表拾振信号和参考信号相位差的直流信号有时会低到微伏级。用模拟乘法器鉴相，模拟乘法器的输出直流偏置会使拾振信号和参考信号相位差产生较大的误差，使传感器的闭环不能精确的跟踪传感器固有频率的变化，从而引入测量误差。前置滤波器通常采样带通滤波器实现，拾振信号通过前置滤波器，会产生一定的相移，这个相移需要移相环节来补偿。而前置滤波器和移相环节在传感器的工作频带内不能保证相移特性一定，而且由于温度等因素的影响，它们的特性也会会产生漂移。前置滤波器和移相环节产生的相位漂移要由谐振式传感器的敏感结构的相移来补偿，使整个闭环系统的谐振频率产生漂移，不能精确的跟踪谐振式传感器敏感结构的固有频率，从而产生测量误差。而且移相环节在电路实现上较为复杂，在电路中补偿移相环节产生的相位漂移也比较困难。

基于模拟电路的谐振式传感器的锁相闭环技术需要用到积分器，在实际应用中积分器很容易饱和，使锁相环处于失锁状态，使得压控振荡器固定输出一个不同于谐振器固有频率的信号，从而使整个传感器的闭环不能有效的跟踪谐振器的固有频率，造成较大的测量错误。

谐振式传感器的输出信号是频率信号，需要测量输出信号的频率以计算被测量的值，频率测量环节引入的误差也是传感器的误差源之一，测量频率需要一定的时间，也是影响谐振式传感器动态性能和测量效率的因素之一.

对于电阻拾振式硅微机械谐振传感器，可以利用其敏感元件的拾振电阻来作为锁相环的鉴相器。随着数字技术和智能技术的发展，传感器的数字化和智能化是传感器技术的一个主要方向。基于模拟电路的谐振式传感器的锁相闭环技术未采用微处理器，是其实现数字化和智能化的一个制约。

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，实现了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字化，避免了由积分器饱和引入的测量错误，同时为传感器的智能化实现提供了一个技术平台。由于直接数字合成信号源输出信号的频率由微处理器给定，不必测量信号的频率，提高了传感器的动态性能和测试效率，也避免了由频率测量环节引入的测量误差。

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、直接数字合成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信号源输出正弦信号，作为拾振电阻的参考信号，直接数字合成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。

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。

直接数字合成信号源输出的信号为U₁(t)＝cos(ωt)，激励放大器输出的信号为U₂(t)＝Bcos(ωt)，谐振器的振动信号为x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。直接数字合成信号源输出的信号U₁(t)＝cos(ωt)同时作为拾振电阻的参考信号，拾振电阻输出的信号为X(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)cos(ωt)＝A(ω，t)B[cos(2ωt+φ)+cos(φ)]/2。低通滤波器滤掉X(t)的交流分量，放大直流分量X_d(t)＝A(ω，t)Bcos(φ)/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。

谐振器的频率特性如图2所示，设ω_r为谐振器的固有频率。

微处理器控制直接数字合成信号源输出频率为ω的正弦信号。当ω＝ω_r时，由谐振器的相频特性可知，φ＝-90°，X_d(t)＝0，微处理器不改变直接数字合成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ω_r上。当ω＜ω_r时，由谐振器的相频特性可知，φ＞-90°，则X_d(t)＞0，微处理器控制直接数字合成信号源输出信号的频率增大，直到检测到X_d(t)＝0，即φ＝-90°，ω＝ω_r时，微处理器控制直接数字合成信号源输出信号的频率稳定在ω_r上。当ω＞ω_r时，φ＜-90°，X_d(t)＜0，微处理器控制直接数字合成信号源输出信号的频率减小，直到检测到X_d(t)＝0，即φ＝-90°，ω＝ω_r时，微处理器控制直接数字合成信号源输出信号的频率稳定在ω_r上。

通过以上分析可知，整个传感器的闭环回路稳定工作在谐振器的固有频率上，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：由于本发明采用了数字锁相闭环控制技术，避免了由积分器饱和所造成的测量错误，同时实现了电阻拾振式硅微机械谐振传感器的数字化，为传感器的智能化实现提供了一个技术平台。由于直接数字合成信号源输出信号的频率由微处理器给定，不必测量信号的频率，提高了传感器的动态性能和测试效率，也避免了由频率测量环节引入的测量误差。

附图说明

图1为本发明的的结构示意图；

图2为本发明所述的谐振器的频率特性曲线图，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信号源的结构示意图；

图4为本发明所述的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8、低通滤波器7、模拟数字转换器6、微处理器5、直接数字合成信号源4和激励放大器3组成，敏感结构1的拾振电阻8输出的信号进入低通滤波器7，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，然后由模拟数字转换器6换成数字信号输入到微处理器5中，微处理器5控制直接数字合成信号源4输出正弦信号，作为拾振电阻8的参考信号，直接数字合成信号源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10的激励信号激励谐振器9，由敏感元件的拾振电阻8、低通滤波器7、模拟数字转换器6、微处理器5和直接数字合成信号源4构成一个锁相环，其中拾振电阻8作为鉴相器，从而实现传感器的锁相闭环。

如图3所示，本发明所述的直接数字合成信号源4由DDS芯片11、低通滤波器12、微处理器接口13和晶体振荡器14组成，DDS芯片11可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本实施例采用AD9852，AD9852是直接数字合成信号源4的核心，晶体振荡器14为AD9852提供参考时钟，微处理器5通过微处理器接口13控制AD9852产生频率可调的正弦信号，低通滤波器12用来滤掉AD9852输出信号的高次谐波。

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，闭环控制算法的流程图如图4所示。微处理器控制5控制直接数字合成信号源4输出频率为ω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X_d(t)＝0时，保持直接数字合成信号源4输出信号的频率不变，当X_d(t)＞0时，控制直接数字合成信号源4输出信号的频率增大，当X_d(t)＜0时，控制直接数字合成信号源4输出信号的频率减小，直到检测到X_d(t)＝0。当X_d(t)＝0时，输出信号的频率，即谐振器的固有频率。

低通滤波器7和激励放大器3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。

本发明的微处理器接口13是DDS芯片内部集成的接口，用于与处理器通讯，晶体振荡器14是通用的用于产生参考时钟的器件。

Claims (6)

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：所述数字锁相闭环包括闭环控制系统(2)和敏感结构(1)；闭环控制系统(2)包括敏感结构(1)的拾振电阻(8)、第一低通滤波器(7)、模拟数字转换器(6)、微处理器(5)、直接数字合成信号源(4)和激励放大器(3)，敏感结构(1)的拾振电阻(8)输出的信号经过第一低通滤波器(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)控制直接数字合成信号源(4)输出所需要的正弦信号，作为拾振电阻(8)的参考信号，直接数字合成信号源(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(10)的激励信号激励谐振器(9)，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：所述的第一低通滤波器(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信号源(4)由DDS芯片(11)、第二低通滤波器(12)、微处理器接口(13)和晶体振荡器(14)组成，DDS芯片(11)是直接数字合成信号源(4)的核心，晶体振荡器(14)为DDS芯片(11)提供参考时钟，微处理器(5)通过微处理器接口(13)控制DDS芯片(11)产生频率可调的正弦信号，第二低通滤波器(12)用来滤掉DDS芯片(11)输出信号的高次谐波。

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：所述的微处理器(5)：控制直接数字合成信号源(4)输出频率为ω的正弦信号，通过模拟数字转换器(6)采集第一低通滤波器(7)输出的直流信号X_d(t)，当X_d(t)＝0时，保持直接数字合成信号源(4)输出信号的频率不变，当X_d(t)＞0时，控制直接数字合成信号源(4)输出信号的频率增大，当X_d(t)＜0时，控制直接数字合成信号源(4)输出信号的频率减小，直到检测到X_d(t)＝0；当X_d(t)＝0时，输出测量结果，即谐振器的固有频率。

5.根据权利要求3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DDS芯片(11)采用ADI公司的系列DDS芯片。

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：所述的第一低通滤波器(7)和激励放大器(3)由运算放大器实现。

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