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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的原理本专利技术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/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/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。本专利技术与现有技术相比的优点由于本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：闭环控制系统（２）包括敏感元件（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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：樊尚春，蔡晨光，邢维巍，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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