專利名稱：電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，特別是一種電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電阻拾振式硅微機(jī)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(kuò)散電阻等方法實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)。
通常基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的硅微機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜，在電路中補(bǔ)償移相環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相位漂移也比較困難。

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(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，簡化了傳感器的閉環(huán)控制電路，同時避免了由鑒相器、前置濾波器和移相環(huán)節(jié)所引入誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于包括環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和激勵放大器，由敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成一個鎖相環(huán)，拾振電阻作為鎖相環(huán)的鑒相器，拾振電阻輸出的信號經(jīng)過環(huán)路濾波器放大、濾波并積分，作用于壓控振蕩器；壓控振蕩器輸出的信號分為兩路，一路作為拾振電阻的參考信號，另一路經(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。本發(fā)明由拾振電阻取代了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中鑒相器，簡化了電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的閉環(huán)電路。
本發(fā)明的原理本發(fā)明采用了電阻拾振式硅微機(jī)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(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中鑒相器的功能。
環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，諧振器的頻率特性如圖4所示，壓控振蕩器的壓控特性，如圖5所示。
設(shè)壓控振蕩器輸出的信號為U1(t)＝cos(ωt)，經(jīng)過放大器放大后輸出的信號為U2(t)＝Bcos(ωt)，激勵諧振器，諧振器的振動信號為x(t)＝A(ω，t)Bcos(ωt+φ)。壓控振蕩器輸出的信號為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。環(huán)路濾波器濾掉X(t)的交流分量，對其直流分量Xd(t)＝A(ω，t)Bcos(φ)/2積分。
設(shè)ωr為諧振器的固有頻率，由諧振器的相頻特性可知，當(dāng)ω＝ωr時，φ＝-90°，Xd(t)＝0，環(huán)路濾波器輸出為恒定值，壓控振蕩器輸出信號的頻率穩(wěn)定在ωr上。當(dāng)ω＜ωr，由諧振器的相頻特性可知，φ＞-90°，則Xd(t)＞0，使得環(huán)路濾波器的輸出信號增大，由壓控振蕩器的壓控特性可知，壓控振蕩器輸出信號的頻率將增大，直到當(dāng)ω＝ωr時，整個傳感器的閉環(huán)回路穩(wěn)定于諧振器的固有頻率ωr上。當(dāng)ω＞ωr時，φ＜-90°，Xd(t)＜0，使得環(huán)路濾波器的輸出信號減小，而壓控振蕩器輸出信號的頻率也將減小直到當(dāng)ω＝ωr時，整個傳感器的閉環(huán)回路穩(wěn)定于諧振器的固有頻率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(shí)現(xiàn)了傳感器的閉環(huán)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)由于本發(fā)明采用了電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的拾振電阻作為鎖相環(huán)的鑒相器，在傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)中，沒有了前置濾波器和移相環(huán)節(jié)，簡化了傳感器的閉環(huán)控制電路，同時避免了由鑒相器、前置濾波器和移相環(huán)節(jié)所引入誤差。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為傳統(tǒng)諧振式傳感器閉環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中的環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中諧振器的頻率特性曲線圖，其中圖4a幅頻特性曲線圖，圖4b為相頻特性曲線圖；圖5為本發(fā)明中的壓控振蕩器的壓控特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)2由環(huán)路濾波器5、壓控振蕩器4和激勵放大器3組成，敏感結(jié)構(gòu)1的拾振電阻6輸出的信號經(jīng)過環(huán)路濾波器5放大、低通濾波并積分，作用于壓控振蕩器4；壓控振蕩器4輸出的一路信號作為拾振電阻6的參考信號，壓控振蕩器4輸出的另一路信號經(jīng)過激勵放大器3放大，作為敏感結(jié)構(gòu)1中激勵元件8的激勵信號激勵諧振器7。
敏感結(jié)構(gòu)1的拾振電阻6、環(huán)路濾波器5和壓控振蕩器4構(gòu)成了一個鎖相環(huán)。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中鑒相器由敏感結(jié)構(gòu)1的拾振電阻6實(shí)現(xiàn)。
如圖3所示，本發(fā)明的環(huán)路濾波器5由低通濾波器和積分器組成，低通濾波器用于放大拾振電阻6輸出的直流信號，并濾掉交流信號，積分器用于對拾振電阻6輸出的直流信號積分。低通濾波器和積分器可以利用普遍的運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，如OP27或OP07等，根據(jù)帶寬、噪聲等指標(biāo)進(jìn)行選定，也可以采用集成電路或ASIC來實(shí)現(xiàn)。
壓控振蕩器4可以采用集成電路實(shí)現(xiàn)，如Maxim Integrated Products，Inc.的MAX038。
激勵放大器3由普遍運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)即可，要保證其不能產(chǎn)生較大的相位漂移。
權(quán)利要求
1.電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于鎖相閉環(huán)控制系統(tǒng)(2)由環(huán)路濾波器(5)、壓控振蕩器(4)和激勵放大器(3)組成，由敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻(6)、環(huán)路濾波器(5)和壓控振蕩器(4)構(gòu)成一個鎖相環(huán)，其中敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻(6)作為鎖相環(huán)的鑒相器，敏感結(jié)構(gòu)(1)的拾振電阻(6)輸出的信號經(jīng)過環(huán)路濾波器(5)放大、濾波并積分，作用于壓控振蕩器(4)；壓控振蕩器(4)輸出的信號分為兩路，一路作為拾振電阻(6)的參考信號，另一路經(jīng)過激勵放大器(3)放大，作為敏感結(jié)構(gòu)(1)中激勵元件(8)的激勵信號激勵諧振器(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述的環(huán)路濾波器(5)由低通濾波器和積分器組成，低通濾波器用于放大拾振電阻(6)輸出的直流信號，并濾掉交流信號，積分器用于對拾振電阻(6)輸出的直流信號積分。
全文摘要
電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)包括環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和激勵放大器。由敏感結(jié)構(gòu)的拾振電阻、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成一個鎖相環(huán)，拾振電阻作為鎖相環(huán)的鑒相器，拾振電阻輸出的信號經(jīng)過環(huán)路濾波器放大、濾波并積分，作用于壓控振蕩器；壓控振蕩器輸出的信號作為拾振電阻的參考信號，壓控振蕩器輸出的信號經(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。系統(tǒng)中由拾振電阻取代了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中的鑒相器，簡化了電阻拾振式硅微機(jī)械諧振傳感器的閉環(huán)電路。
文檔編號H03L7/08GK1858564SQ200610012108
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6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)