專利名稱：電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微機械諧振傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電阻拾振式硅微機械諧振傳感器利用壓阻效應(yīng)檢測傳感器敏感結(jié)構(gòu)諧振器的振動信號，拾振電阻可以由薄膜電阻或擴散電阻等方法實現(xiàn)。
諧振式傳感器的敏感結(jié)構(gòu)需要和閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)合才能工作，通常的閉環(huán)系統(tǒng)包括幅度控制環(huán)節(jié)和移相環(huán)節(jié)，幅度控制器用來調(diào)節(jié)整個閉環(huán)的增益，以滿足諧振式傳感器自激閉環(huán)的幅度條件，移相環(huán)節(jié)用來調(diào)節(jié)整個閉環(huán)的相移，以滿足諧振式傳感器自激閉環(huán)的相位條件。而硅微機械諧振壓力傳感器由于結(jié)構(gòu)尺寸微小，其敏感結(jié)構(gòu)輸出的信號非常微弱，以一種電阻拾振式硅微機械諧振壓力傳感器為例，在其諧振頻率上，以較大的激勵信號激勵傳感器的諧振器，其拾振電阻的變化率不到1/105。所以硅微機械諧振傳感器閉環(huán)系統(tǒng)中首先要解決微弱信號檢測的問題。鎖相環(huán)是一種有效的檢測周期微弱信號的方法，在硅微機械諧振傳感器的微弱信號檢測中應(yīng)用廣泛。鎖相環(huán)通常由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，鑒相器通常采用模擬乘法器來實現(xiàn)。
通?；阪i相環(huán)結(jié)構(gòu)的硅微機械諧振傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)，首先要通過前置濾波器對拾振信號進行放大和濾波，然后由模擬乘法器檢波，經(jīng)過環(huán)路濾波器放大、濾波或積分后，控制壓控振蕩器輸出與拾振信號頻率相同、相位差一定的正弦信號，這個信號反饋到模擬乘法器，作為鑒相器的參考信號，這個信號放大后，通過移相環(huán)節(jié)輸出到硅微機械諧振壓力傳感器的激勵元件激勵諧振器振動。模擬乘法器的輸出直流偏置一般都大于微伏級。當(dāng)傳感器的信號較弱時，鑒相輸出的代表拾振信號和參考信號相位差的直流信號有時會低到微伏級。用模擬乘法器鑒相，模擬乘法器的輸出直流偏置會使拾振信號和參考信號相位差產(chǎn)生較大的誤差，使傳感器的閉環(huán)不能精確的跟蹤傳感器固有頻率的變化，從而引入測量誤差。前置濾波器通常采樣帶通濾波器實現(xiàn)，拾振信號通過前置濾波器，會產(chǎn)生一定的相移，這個相移需要移相環(huán)節(jié)來補償。而前置濾波器和移相環(huán)節(jié)在傳感器的工作頻帶內(nèi)不能保證相移特性一定，而且由于溫度等因素的影響，它們的特性也會會產(chǎn)生漂移。前置濾波器和移相環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相位漂移要由諧振式傳感器的敏感結(jié)構(gòu)的相移來補償，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的諧振頻率產(chǎn)生漂移，不能精確的跟蹤諧振式傳感器敏感結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而產(chǎn)生測量誤差。而且移相環(huán)節(jié)在電路實現(xiàn)上較為復(fù)雜，在電路中補償移相環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相位漂移也比較困難。
基于模擬電路的諧振式傳感器的鎖相閉環(huán)技術(shù)需要用到積分器，在實際應(yīng)用中積分器很容易飽和，使鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，使得壓控振蕩器固定輸出一個不同于諧振器固有頻率的信號，從而使整個傳感器的閉環(huán)不能有效的跟蹤諧振器的固有頻率，造成較大的測量錯誤。
諧振式傳感器的輸出信號是頻率信號，需要測量輸出信號的頻率以計算被測量的值，頻率測量環(huán)節(jié)引入的誤差也是傳感器的誤差源之一，測量頻率需要一定的時間，也是影響諧振式傳感器動態(tài)性能和測量效率的因素之一。
對于電阻拾振式硅微機械諧振傳感器，可以利用其敏感元件的拾振電阻來作為鎖相環(huán)的鑒相器。隨著數(shù)字技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，傳感器的數(shù)字化和智能化是傳感器技術(shù)的一個主要方向。基于模擬電路的諧振式傳感器的鎖相閉環(huán)技術(shù)未采用微處理器，是其實現(xiàn)數(shù)字化和智能化的一個制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，實現(xiàn)了電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字化，避免了由積分器飽和引入的測量錯誤，同時為傳感器的智能化實現(xiàn)提供了一個技術(shù)平臺。由于直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率由微處理器給定，不必測量信號的頻率，提高了傳感器的動態(tài)性能和測試效率，也避免了由頻率測量環(huán)節(jié)引入的測量誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括敏感元件的拾振電阻、低通濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器、直接數(shù)字合成信號源和激勵放大器，敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻輸出的信號經(jīng)過低通濾波器放大和濾波，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器換成數(shù)字信號輸入到微處理器中，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出正弦信號，作為拾振電阻的參考信號，直接數(shù)字合成信號源輸出的正弦信號經(jīng)過激勵放大器放大，作為敏感結(jié)構(gòu)中激勵元件的激勵信號激勵諧振器，由敏感元件的拾振電阻、低通濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和直接數(shù)字合成信號源構(gòu)成一個鎖相環(huán)，其中拾振電阻作為鑒相器，從而實現(xiàn)傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)。
本發(fā)明的原理本發(fā)明采用了電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的拾振電阻作為鎖相環(huán)的鑒相器。拾振電阻的阻值可表示為R(1+ε)，拾振電阻阻值的變化量εR反映諧振器的振動信號，由歐姆定理可知，拾振電阻兩端的電壓U、通過拾振電阻的電流I和拾振電阻R(1+ε)的關(guān)系可表示為U＝IR(1+ε)，或I＝U/R(1+ε)≈UR(1-ε)/R2?？梢姰?dāng)參考信號為電流時，拾振電阻等效為一個模擬乘法器，輸出電壓信號；當(dāng)參考信號是電壓時，拾振電阻近似等效為一個模擬乘法器，輸出電流信號，從而實現(xiàn)了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中鑒相器的功能。
直接數(shù)字合成信號源輸出的信號為U1(t)＝cos(ωt)，激勵放大器輸出的信號為U2(t)＝Bcos(ωt)，諧振器的振動信號為x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。直接數(shù)字合成信號源輸出的信號U1(t)＝cos(ωt)同時作為拾振電阻的參考信號，拾振電阻輸出的信號為X(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)cos(ωt)＝A(ω，t)B[cos(2ωt+φ)+cos(φ)]/2。低通濾波器濾掉X(t)的交流分量，放大直流分量Xd(t)＝A(ω，t)Bcos(φ)/2，由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將其直流分量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送到微處理器中。
諧振器的頻率特性如圖2所示，設(shè)ωr為諧振器的固有頻率。
微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出頻率為ω的正弦信號。當(dāng)ω＝ωr時，由諧振器的相頻特性可知，φ＝-90°，Xd(t)＝0，微處理器不改變直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率，傳感器整個閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定在諧振器的固有頻率ωr上。當(dāng)ω＜ωr時，由諧振器的相頻特性可知，φ＞-90°，則Xd(t)＞0，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率增大，直到檢測到Xd(t)＝0，即φ＝-90°，ω＝ωr時，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率穩(wěn)定在ωr上。當(dāng)ω＞ωr時，φ＜-90°，Xd(t)＜0，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率減小，直到檢測到Xd(t)＝0，即φ＝-90°，ω＝ωr時，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率穩(wěn)定在ωr上。
通過以上分析可知，整個傳感器的閉環(huán)回路穩(wěn)定工作在諧振器的固有頻率上，從而實現(xiàn)了傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點由于本發(fā)明采用了數(shù)字鎖相閉環(huán)控制技術(shù)，避免了由積分器飽和所造成的測量錯誤，同時實現(xiàn)了電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字化，為傳感器的智能化實現(xiàn)提供了一個技術(shù)平臺。由于直接數(shù)字合成信號源輸出信號的頻率由微處理器給定，不必測量信號的頻率，提高了傳感器的動態(tài)性能和測試效率，也避免了由頻率測量環(huán)節(jié)引入的測量誤差。


圖1為本發(fā)明的的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的諧振器的頻率特性曲線圖，其中圖2a為幅頻特性曲線圖，圖2b為相頻特性曲線圖；圖3為本發(fā)明所述的直接數(shù)字合成信號源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述的微處理器閉環(huán)控制算法的流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)2包括敏感結(jié)構(gòu)1的拾振電阻8、低通濾波器7、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6、微處理器5、直接數(shù)字合成信號源4和激勵放大器3組成，敏感結(jié)構(gòu)1的拾振電阻8輸出的信號進入低通濾波器7，低通濾波器7用于放大拾振電阻8輸出的直流信號，并濾掉交流信號，然后由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6換成數(shù)字信號輸入到微處理器5中，微處理器5控制直接數(shù)字合成信號源4輸出正弦信號，作為拾振電阻8的參考信號，直接數(shù)字合成信號源4輸出的正弦信號經(jīng)過激勵放大器3放大，作為敏感結(jié)構(gòu)中激勵元件10的激勵信號激勵諧振器9，由敏感元件的拾振電阻8、低通濾波器7、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6、微處理器5和直接數(shù)字合成信號源4構(gòu)成一個鎖相環(huán)，其中拾振電阻8作為鑒相器，從而實現(xiàn)傳感器的鎖相閉環(huán)。
如圖3所示，本發(fā)明所述的直接數(shù)字合成信號源4由DDS芯片11、低通濾波器12、微處理器接口13和晶體振蕩器14組成，DDS芯片11可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本實施例采用AD9852，AD9852是直接數(shù)字合成信號源4的核心，晶體振蕩器14為AD9852提供參考時鐘，微處理器5通過微處理器接口13控制AD9852產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號，低通濾波器12用來濾掉AD9852輸出信號的高次諧波。
微處理器5用于實現(xiàn)電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)的閉環(huán)控制算法，閉環(huán)控制算法的流程圖如圖4所示。微處理器控制5控制直接數(shù)字合成信號源4輸出頻率為ω的正弦信號，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6采集低通濾波器7輸出的直流信號，當(dāng)Xd(t)＝0時，保持直接數(shù)字合成信號源4輸出信號的頻率不變，當(dāng)Xd(t)＞0時，控制直接數(shù)字合成信號源4輸出信號的頻率增大，當(dāng)Xd(t)＜0時，控制直接數(shù)字合成信號源4輸出信號的頻率減小，直到檢測到Xd(t)＝0。當(dāng)Xd(t)＝0時，輸出測量結(jié)果，諧振器的固有頻率。
低通濾波器7、激勵放大器3和低通濾波器12可以由運算放大器實現(xiàn)，要保證它們不能產(chǎn)生較大的相位漂移。運算放大器的選擇要考慮到傳感器振動信號的帶寬、運算放大器本身噪聲和直流偏置，保證可以良好的實現(xiàn)傳感器輸出的微弱信號和傳感器需要的激勵信號的放大，具體可以選用OPA627、OPA228、LT1028等運算放大器。
本發(fā)明的微處理器接口13是DDS芯片內(nèi)部集成的接口，用于與處理器通訊，晶體振蕩器14是通用的用于產(chǎn)生參考時鐘的器件。
權(quán)利要求
1.電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于閉環(huán)控制系統(tǒng)(2)包括敏感結(jié)構(gòu)(1)的拾振電阻(8)、低通濾波器(7)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(6)、微處理器(5)、直接數(shù)字合成信號源(4)和激勵放大器(3)，敏感結(jié)構(gòu)(1)的拾振電阻(8)輸出的信號經(jīng)過低通濾波器(7)放大和濾波，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(6)換成數(shù)字信號輸入到微處理器(5)中，微處理器(5)控制直接數(shù)字合成信號源(4)輸出所需要的正弦信號，作為拾振電阻(8)的參考信號，直接數(shù)字合成信號源(4)輸出的正弦信號經(jīng)過激勵放大器(3)放大，作為敏感結(jié)構(gòu)中激勵元件(10)的激勵信號激勵諧振器(9)，從而實現(xiàn)傳感器的鎖相閉環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于所述的低通濾波器(7)用于放大拾振電阻(8)輸出的直流信號，并濾掉交流信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于所述的直接數(shù)字合成信號源(4)由DDS芯片(11)、低通濾波器(12)、微處理器接口(13)和晶體振蕩器(14)組成，DDS芯片(11)是直接數(shù)字合成信號源(4)的核心，晶體振蕩器(14)為DDS芯片(11)提供參考時鐘，微處理器(5)通過微處理器接口(13)控制DDS芯片(11)產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號，低通濾波器(12)用來濾掉DDS芯片(11)輸出信號的高次諧波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于所述的微處理器(5)的為控制直接數(shù)字合成信號源(4)輸出頻率為ω的正弦信號，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(6)采集低通濾波器(7)輸出的直流信號，當(dāng)Xd(t)＝0時，保持直接數(shù)字合成信號源(4)輸出信號的頻率不變，當(dāng)Xd(t)＞0時，控制直接數(shù)字合成信號源(4)輸出信號的頻率增大，當(dāng)Xd(t)＜0時，控制直接數(shù)字合成信號源(4)輸出信號的頻率減小，直到檢測到Xd(t)＝0。當(dāng)Xd(t)＝0時，輸出測量結(jié)果，諧振器的固有頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于所述的DDS芯片(11)采用ADI公司的系列DDS芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，其特征在于所述的低通濾波器(7)和激勵放大器(3)由運算放大器實現(xiàn)。
全文摘要
電阻拾振式硅微機械諧振傳感器的數(shù)字鎖相閉環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)包括低通濾波器，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器、直接數(shù)字合成信號源和激勵放大器。敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻輸出的信號經(jīng)過低通濾波器放大和濾波后，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到微處理器中，微處理器控制直接數(shù)字合成信號源輸出正弦信號，作為拾振電阻的參考信號，直接數(shù)字合成信號源輸出的正弦信號經(jīng)過激勵放大器放大，作為敏感結(jié)構(gòu)中激勵元件的激勵信號激勵諧振器。由敏感元件的拾振電阻、低通濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器和直接數(shù)字合成信號源構(gòu)成一個鎖相環(huán)，其中拾振電阻作為鑒相器，從而實現(xiàn)傳感器的鎖相閉環(huán)。
文檔編號G01H11/00GK1877998SQ200610089390
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者樊尚春, 蔡晨光, 邢維巍 申請人:北京航空航天大學(xué)