專利名稱：諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及諧振式傳感器頻率特性的測試系統(tǒng)，特別是一種諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)。
背景技術：
諧振式傳感器在被測量的作用下，其敏感元件的固有頻率發(fā)生改變，通過測量諧振式傳感器敏感元件的固有頻率即可測得被測量的值。諧振式傳感器的重復性、分辨力和穩(wěn)定性等性能指標優(yōu)秀，適于如壓力、加速度、力、密度等多種參數(shù)的測量。
諧振式傳感器的敏感結構需要和閉環(huán)系統(tǒng)結合才能正常工作，而閉環(huán)系統(tǒng)的設計依賴于諧振式傳感器敏感結構的頻率特性。諧振式傳感器敏感結構的頻率特性可以通過理論計算和仿真分析等方法近似地算出，但由于材料特性、加工工藝等因素的影響，其結果往往與諧振式傳感器敏感結構真實的頻率特性有一定的誤差，所以需要測試諧振式傳感器敏感結構的頻率特性。
由于諸如硅微機械諧振式傳感器輸出的信號非常微弱，需要采用鎖相放大器或鎖相放大算法來測量。鎖相放大方法可以同時測得被測信號的幅度和相對于參考信號的相位，鎖相放大器或鎖相放大算法非常適合于實現(xiàn)諧振式傳感器敏感結構頻率特性的測試系統(tǒng)。
諧振式傳感器敏感結構頻率特性的測試系統(tǒng)可以利用通用儀器搭建，圖2給出了一種硅微機械諧振式傳感器頻率特性的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括計算機、信號發(fā)生器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡和示波器，系統(tǒng)的組成較為復雜，成本也較高。該系統(tǒng)中的鎖相放大器采用了DSP處理器來實現(xiàn)鎖相放大算法，鎖相放大器為了實現(xiàn)較高的測試精度，其內(nèi)部需要對放大后的被測信號進行整周期采樣，為了實現(xiàn)整周期采樣，其內(nèi)部通常要采樣倍頻電路對參考信號進行倍頻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了拾振元件輸出的信號的整周期采樣。同時為諧振式傳感器的閉環(huán)提供了一個技術平臺。
本發(fā)明的技術解決方案諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)包括前置放大濾波器、模擬數(shù)字轉換器、處理器、直接數(shù)字合成時鐘源、數(shù)字模擬轉換器和激勵放大器，敏感結構的拾振元件輸出的信號經(jīng)過前置放大濾波器放大和濾波后，由模擬數(shù)字轉換器轉換成數(shù)字信號輸入到處理器中，處理器控制數(shù)字模擬轉換器輸出正弦信號，經(jīng)過激勵放大器放大，作為敏感結構中激勵元件的激勵信號激勵諧振器，前置放大濾波器的增益由處理器調(diào)節(jié)，直接數(shù)字合成時鐘源在處理器控制下輸出時鐘信號，直接數(shù)字合成時鐘源輸出的時鐘信號作為模擬數(shù)字轉換器和數(shù)字模擬轉換器的轉換時鐘，以實現(xiàn)拾振元件輸出的信號的整周期采樣，處理器中采用鎖相放大算法計算敏感結構拾振元件輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位，從而實現(xiàn)諧振式傳感器敏感結構頻率特性的測試。
本發(fā)明的原理本發(fā)明采用直接數(shù)字合成時鐘源為模擬數(shù)字轉換器和數(shù)字模擬轉換器提供轉換時鐘。處理器中保存有一個正弦數(shù)表，要求正弦數(shù)表中的數(shù)據(jù)為偶數(shù)個。處理器控制直接數(shù)字合成時鐘源輸出頻率可調(diào)的時鐘信號，通過變采樣率的方法使數(shù)字模擬轉換器實現(xiàn)不同頻率激勵信號的發(fā)生，敏感元件在激勵信號的激勵下，拾振元件輸出與激勵信號同頻或倍頻的信號，模擬數(shù)字轉換器在這個可調(diào)的時鐘信號的控制下實現(xiàn)對拾振元件輸出的信號的整周期采樣。處理器采集到拾振元件輸出的信號后，以相同的采樣率從正弦數(shù)表中抽樣得到兩個正交的正弦信號作為鎖相放大算法的參考信號，利用鎖相放大算法測得拾振元件輸出的信號的幅度和相對于激勵信號的相位，從而實現(xiàn)諧振式傳感器敏感結構頻率特性的測試。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點由于本發(fā)明采用了直接數(shù)字合成時鐘源為模擬數(shù)字轉換器和數(shù)字模擬轉換器提供轉換時鐘，從而利用變采樣率的方法實現(xiàn)了不同頻率激勵信號的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)了對拾振元件輸出的信號的整周期采樣。


圖1為本發(fā)明所述的諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為一種基于通用儀器搭建的硅微機械諧振式傳感器頻率特性的測試系統(tǒng)的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的直接數(shù)字合成時鐘源的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的鎖相放大算法的實現(xiàn)示意圖；圖5為本發(fā)明的處理器測試控制算法的流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，由前置放大濾波器8、模擬數(shù)字轉換器7、處理器6、直接數(shù)字合成時鐘源5、數(shù)字模擬轉換器4和激勵放大器3組成，敏感結構1的拾振元件9輸出的信號經(jīng)過前置放大濾波器8放大和濾波后，由模擬數(shù)字轉換器7轉換成數(shù)字信號輸入到處理器6中，處理器6控制數(shù)字模擬轉換器4輸出正弦信號，經(jīng)過激勵放大器3放大，作為敏感結構1中激勵元件11的激勵信號激勵諧振器10，前置放大濾波器8的增益由處理器6調(diào)節(jié)，即處理器6通過控制前置放大濾波器8中模擬開關的通斷，實現(xiàn)前置放大濾波器8的增益調(diào)節(jié)；直接數(shù)字合成時鐘源5在處理器6控制下輸出時鐘信號，直接數(shù)字合成時鐘源5輸出的時鐘信號作為模擬數(shù)字轉換器7和數(shù)字模擬轉換器4的轉換時鐘，以實現(xiàn)拾振元件9輸出的信號的整周期采樣。處理器6中采用鎖相放大算法計算敏感結構1拾振元件9輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位。
如圖3所示，直接數(shù)字合成時鐘源5由DDS芯片12、晶體振蕩器13、控制器接口14、低通濾波器15和低通濾波器16組成，DDS芯片12可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本實施例采用AD9852，AD9852是合成頻率可調(diào)時鐘源的核心，晶體振蕩器13為AD9852提供參考時鐘，處理器6通過控制器接口14調(diào)節(jié)AD9852產(chǎn)生的時鐘頻率，低通濾波器15和低通濾波器16用來濾掉AD9852輸出信號的高次諧波，并將輸出信號連接到AD9852中集成的比較器的輸入端，比較器的輸出端產(chǎn)生本發(fā)明所需要的頻率可調(diào)的時鐘信號。為了保證時鐘信號的質(zhì)量，要求低通濾波器15和低通濾波器16的參數(shù)一致。
處理器6用于控制直接數(shù)字合成時鐘源5產(chǎn)生頻率可調(diào)的時鐘信號；控制數(shù)字模擬轉換器4以直接數(shù)字合成時鐘源5輸出的時鐘信號為轉換時鐘，輸出所需的激勵信號；控制模擬數(shù)字轉換器7以直接數(shù)字合成時鐘源5輸出的時鐘信號為轉換時鐘，整周期采集由前置放大濾波器8放大并濾波后的拾振元件9輸出的信號。處理器6還要用于實現(xiàn)鎖相放大算法，鎖相放大算法的實現(xiàn)如圖4所示，輸入信號分別與一組與其頻率相同的正交的正弦信號相乘，得到的兩個信號U2和U2′分別通過低通濾波，得到兩個直流信號X和Y， 即為輸入信號的幅度R， 即為輸入信號的相位Φ。
如圖5所示，處理器6中測試控制算法流程處理器6調(diào)節(jié)直接數(shù)字合成時鐘源5產(chǎn)生時鐘信號；處理器6以直接數(shù)字合成時鐘源5產(chǎn)生時鐘信號為轉換時鐘，從存儲在其中的正弦數(shù)表中取數(shù)據(jù)由數(shù)字模擬轉換器4轉換成模擬信號，從而產(chǎn)生激勵信號；處理器6根據(jù)拾振元件9輸出信號的強度調(diào)節(jié)前置放大濾波器8的增益；處理器6以直接數(shù)字合成時鐘源5產(chǎn)生時鐘信號為轉換時鐘，控制模擬數(shù)字轉換器7整周期采集由前置放大濾波器8放大并濾波后的拾振元件9輸出的信號；處理器6從存儲在其中的正弦數(shù)表中提取數(shù)據(jù)形成鎖相放大算法所需的參考信號；利用鎖相放大算法計算敏感結構1拾振元件9輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位。反復以上過程，測得所需頻帶內(nèi)各個頻率點所對應的拾振元件9輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位，即可得到對應頻帶內(nèi)敏感結構1的頻率特性。
前置放大濾波器8根據(jù)敏感結構1拾振元件9輸出信號的特性設計，可以由模擬開關和運算放大器來實現(xiàn)，運算放大器的選擇要考慮到傳感器振動信號的帶寬和運算放大器本身噪聲，保證可以良好的實現(xiàn)傳感器輸出的微弱信號的放大，具體可以選用OPA627、OPA228、LT1028等運算放大器。
權利要求
1.諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，其特征在于包括前置放大濾波器(8)、模擬數(shù)字轉換器(7)、處理器(6)、直接數(shù)字合成時鐘源(5)、數(shù)字模擬轉換器(4)和激勵放大器(3)，敏感結構(1)的拾振元件(9)輸出的信號經(jīng)過前置放大濾波器(8)放大和濾波后，由模擬數(shù)字轉換器(7)轉換成數(shù)字信號輸入到處理器(6)中，處理器(6)控制數(shù)字模擬轉換器(4)輸出正弦信號，經(jīng)過激勵放大器(3)放大，作為敏感結構(1)中激勵元件(11)的激勵信號激勵諧振器(10)，直接數(shù)字合成時鐘源(5)在處理器(6)控制下輸出時鐘信號，直接數(shù)字合成時鐘源(5)輸出的時鐘信號作為模擬數(shù)字轉換器(7)和數(shù)字模擬轉換器(4)的轉換時鐘，該轉換時鐘是拾振元件(9)輸出的信號頻率的整數(shù)倍，從而實現(xiàn)拾振元件(9)輸出的信號的整周期采樣。
2.根據(jù)權利要求1所述的諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，其特征在于所述的處理器(6)采用鎖相放大算法計算敏感結構(1)拾振元件(9)輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位。
3.根據(jù)權利要求2所述的諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖相放大算法為輸入信號分別與一組與其頻率相同的正交的正弦信號相乘，得到的兩個信號U2和U2′，該兩信號分別通過低通濾波，得到兩個直流信號X和Y， 即為輸入信號的幅度R， 即為輸入信號的相位Φ。
4.根據(jù)權利要求1所述的諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，其特征在于所述的前置放大器的增益由處理器(6)調(diào)節(jié)。
全文摘要
諧振式傳感器敏感結構頻率特性的數(shù)字測試系統(tǒng)，包括前置放大濾波器、模擬數(shù)字轉換器、處理器、直接數(shù)字合成時鐘源、數(shù)字模擬轉換器和激勵放大器，敏感結構的拾振元件輸出的信號經(jīng)過前置放大濾波器放大和濾波后，由模擬數(shù)字轉換器轉換成數(shù)字信號輸入到處理器中，處理器控制數(shù)字模擬轉換器輸出正弦信號，經(jīng)過激勵放大器放大，作為敏感結構中激勵元件的激勵信號激勵諧振器，直接數(shù)字合成時鐘源在處理器控制下輸出時鐘信號，直接數(shù)字合成時鐘源輸出的時鐘信號作為模擬數(shù)字轉換器和數(shù)字模擬轉換器的轉換時鐘，以實現(xiàn)拾振元件輸出的信號的整周期采樣，處理器中采用鎖相放大算法計算敏感結構拾振元件輸出信號的幅度和相對于激勵信號的相位，從而實現(xiàn)了拾振元件輸出的信號的整周期采樣。
文檔編號G01R23/02GK101038310SQ20071006363
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權日2007年2月7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