基于FPGA的硅谐振压力微传感器数字闭环系统设计

摘 要：在微小型特别是硅谐振微传感器中,低信噪比的微弱信号检测,电路的小型化和抗干扰等问题十分突出。介绍了硅谐振压力微传感器闭环系统的基本工作原理,在成功研制出模拟闭环系统的基础上,为了克服模拟系统的不足,依据相关检测原理和频率扫描技术提出了基于FPGA的闭环系统设计框架,详细分析了该系统中的微弱信号检测技术和数字电路部分数字信号处理及接口技术,最后结合实际数据和开环测试曲线,指出可用的扫频方法。

关键词：硅谐振微传感器；频率扫描；数字信号处理；FPGA

Design and Implement of Digital Closed-loop System on Silicon

Resonant Micro-sensor Based on FPGA

HE Mengke,ZHOU Haomin,HAO Xin

(School of Instrument Science & Opto-electronics Engineering,Beihang University,Beijing,100083,China)オ

Abstract：In the application of small sensor and micro-sensor,especially the silicon resonant micro-sensor,the weak signal detection with low Signal Noise Ratio (SNR),the miniaturization and the anti-jamming problems of the closed loop system are quite outstanding.This paper simply introduces the basic working principle of this system.The closed loop system design frame based on FPGA is also proposed.Digital signal processing and interface circuit in digital circuitry part are analyzed in detail as well as weak signal detection in analogy circuitry part.At last,different frequency searching methods in air or vacuum are presented according to the experiment data and open loop curves.

Keywords：silicon resonant micro-sensor;frequency scanning;digital signal processing;FPGAオ

硅谐振微传感器采用微机械加工工艺实现,其敏感元件尺寸达到微米甚至亚微米量级［1］,由此引起的“微尺度效应”使得其输出信号极其微弱,并存在严重的同频耦合干扰,导致其信噪比SNR低于10-3,给信号提取带来相当大的困难。本课题组从20世纪90年代,在中国航空工业总公司的支持下,开始硅谐振压力微传感器闭环测试系统的研究与开发。目前,已先后研制成功了基于“锁相＋分频”原理的模拟闭环系统［2］和以DSP为核心的复合音叉谐振式压力微传感器闭环系统［3］。前者由于不可避免地存在相当多的分立器件,使得系统在稳定性,抗干扰性及微型化等方面还有待改善,而将其数字化无疑是很好的选择；后者由于硅谐振微传感器输出信号的特殊性(2倍频有用信号+1倍频耦合干扰信号),不能直接移植。考虑到FPGA器件集成度高,速度快,接口丰富,易于调试验证等优点,本文尝试以FPGA为核心,以相关和扫频为关键技术设计硅谐振式压力微传感器闭环系统。

1 系统整体设计

硅谐振压力微传感器数字闭环系统主要实现传感器在工作频率范围内产生可靠谐振,并且当被测压力发生变化时,其谐振频率能实时可靠地改变从而实现对被测压力的测量。该闭环系统的设计主要有3个难点：系统起振；谐振状态判断即微弱信号处理；谐振状态的维持。针对这些问题,引入相关检测和频率扫描的方法,其系统框图如图1所示。DDS模块输出一个数字化的正弦信号,经D/A转化和处理后对传感器进行激励,同时,拾振模块对传感器输出信号进行提取,经过放大滤波到适当程度,作为A/D的一组输入信号。A/D的另一组输入信号是D/A输出经倍频后的参考信号。数字处理模块并最终用相关检测方法将传感器信号解调出来。扫频模块通过相应的扫频算法进行频率搜索,计算下一步DDS应该输出的信号频率,如此形成闭环控制,并最终找到谐振传感器的谐振频率点。而此时,系统工作在一个稳定的状态,直到外界环境(例如压力)发生改变使得传感器谐振频率发生改变而破坏平衡,从而开始新一轮的扫频。