专利名称：谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及谐振式传感器频率特性的测试系统，特别是一种谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统。
背景技术：
谐振式传感器在被测量的作用下，其敏感元件的固有频率发生改变，通过测量谐振式传感器敏感元件的固有频率即可测得被测量的值。谐振式传感器的重复性、分辨力和稳定性等性能指标优秀，适于如压力、加速度、力、密度等多种参数的测量。
谐振式传感器的敏感结构需要和闭环系统结合才能正常工作，而闭环系统的设计依赖于谐振式传感器敏感结构的频率特性。谐振式传感器敏感结构的频率特性可以通过理论计算和仿真分析等方法近似地算出，但由于材料特性、加工工艺等因素的影响，其结果往往与谐振式传感器敏感结构真实的频率特性有一定的误差，所以需要测试谐振式传感器敏感结构的频率特性。
由于诸如硅微机械谐振式传感器输出的信号非常微弱，需要采用锁相放大器或锁相放大算法来测量。锁相放大方法可以同时测得被测信号的幅度和相对于参考信号的相位，锁相放大器或锁相放大算法非常适合于实现谐振式传感器敏感结构频率特性的测试系统。
谐振式传感器敏感结构频率特性的测试系统可以利用通用仪器搭建，图2给出了一种硅微机械谐振式传感器频率特性的测试系统，该系统包括计算机、信号发生器、锁相放大器、数据采集卡和示波器，系统的组成较为复杂，成本也较高。该系统中的锁相放大器采用了DSP处理器来实现锁相放大算法，锁相放大器为了实现较高的测试精度，其内部需要对放大后的被测信号进行整周期采样，为了实现整周期采样，其内部通常要采样倍频电路对参考信号进行倍频。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，实现了拾振元件输出的信号的整周期采样。同时为谐振式传感器的闭环提供了一个技术平台。
本发明的技术解决方案谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，测试系统包括前置放大滤波器、模拟数字转换器、处理器、直接数字合成时钟源、数字模拟转换器和激励放大器，敏感结构的拾振元件输出的信号经过前置放大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处理器中，处理器控制数字模拟转换器输出正弦信号，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，前置放大滤波器的增益由处理器调节，直接数字合成时钟源在处理器控制下输出时钟信号，直接数字合成时钟源输出的时钟信号作为模拟数字转换器和数字模拟转换器的转换时钟，以实现拾振元件输出的信号的整周期采样，处理器中采用锁相放大算法计算敏感结构拾振元件输出信号的幅度和相对于激励信号的相位，从而实现谐振式传感器敏感结构频率特性的测试。
本发明的原理本发明采用直接数字合成时钟源为模拟数字转换器和数字模拟转换器提供转换时钟。处理器中保存有一个正弦数表，要求正弦数表中的数据为偶数个。处理器控制直接数字合成时钟源输出频率可调的时钟信号，通过变采样率的方法使数字模拟转换器实现不同频率激励信号的发生，敏感元件在激励信号的激励下，拾振元件输出与激励信号同频或倍频的信号，模拟数字转换器在这个可调的时钟信号的控制下实现对拾振元件输出的信号的整周期采样。处理器采集到拾振元件输出的信号后，以相同的采样率从正弦数表中抽样得到两个正交的正弦信号作为锁相放大算法的参考信号，利用锁相放大算法测得拾振元件输出的信号的幅度和相对于激励信号的相位，从而实现谐振式传感器敏感结构频率特性的测试。
本发明与现有技术相比的优点由于本发明采用了直接数字合成时钟源为模拟数字转换器和数字模拟转换器提供转换时钟，从而利用变采样率的方法实现了不同频率激励信号的产生，从而实现了对拾振元件输出的信号的整周期采样。
图1为本发明所述的谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统的结构示意图；图2为一种基于通用仪器搭建的硅微机械谐振式传感器频率特性的测试系统的结构示意图；图3为本发明的直接数字合成时钟源的结构示意图；图4为本发明的锁相放大算法的实现示意图；图5为本发明的处理器测试控制算法的流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明所述的谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，由前置放大滤波器8、模拟数字转换器7、处理器6、直接数字合成时钟源5、数字模拟转换器4和激励放大器3组成，敏感结构1的拾振元件9输出的信号经过前置放大滤波器8放大和滤波后，由模拟数字转换器7转换成数字信号输入到处理器6中，处理器6控制数字模拟转换器4输出正弦信号，经过激励放大器3放大，作为敏感结构1中激励元件11的激励信号激励谐振器10，前置放大滤波器8的增益由处理器6调节，即处理器6通过控制前置放大滤波器8中模拟开关的通断，实现前置放大滤波器8的增益调节；直接数字合成时钟源5在处理器6控制下输出时钟信号，直接数字合成时钟源5输出的时钟信号作为模拟数字转换器7和数字模拟转换器4的转换时钟，以实现拾振元件9输出的信号的整周期采样。处理器6中采用锁相放大算法计算敏感结构1拾振元件9输出信号的幅度和相对于激励信号的相位。
如图3所示，直接数字合成时钟源5由DDS芯片12、晶体振荡器13、控制器接口14、低通滤波器15和低通滤波器16组成，DDS芯片12可以采用ADI公司的系列DDS芯片，如AD9852等，本实施例采用AD9852，AD9852是合成频率可调时钟源的核心，晶体振荡器13为AD9852提供参考时钟，处理器6通过控制器接口14调节AD9852产生的时钟频率，低通滤波器15和低通滤波器16用来滤掉AD9852输出信号的高次谐波，并将输出信号连接到AD9852中集成的比较器的输入端，比较器的输出端产生本发明所需要的频率可调的时钟信号。为了保证时钟信号的质量，要求低通滤波器15和低通滤波器16的参数一致。
处理器6用于控制直接数字合成时钟源5产生频率可调的时钟信号；控制数字模拟转换器4以直接数字合成时钟源5输出的时钟信号为转换时钟，输出所需的激励信号；控制模拟数字转换器7以直接数字合成时钟源5输出的时钟信号为转换时钟，整周期采集由前置放大滤波器8放大并滤波后的拾振元件9输出的信号。处理器6还要用于实现锁相放大算法，锁相放大算法的实现如图4所示，输入信号分别与一组与其频率相同的正交的正弦信号相乘，得到的两个信号U2和U2′分别通过低通滤波，得到两个直流信号X和Y， 即为输入信号的幅度R， 即为输入信号的相位Φ。
如图5所示，处理器6中测试控制算法流程处理器6调节直接数字合成时钟源5产生时钟信号；处理器6以直接数字合成时钟源5产生时钟信号为转换时钟，从存储在其中的正弦数表中取数据由数字模拟转换器4转换成模拟信号，从而产生激励信号；处理器6根据拾振元件9输出信号的强度调节前置放大滤波器8的增益；处理器6以直接数字合成时钟源5产生时钟信号为转换时钟，控制模拟数字转换器7整周期采集由前置放大滤波器8放大并滤波后的拾振元件9输出的信号；处理器6从存储在其中的正弦数表中提取数据形成锁相放大算法所需的参考信号；利用锁相放大算法计算敏感结构1拾振元件9输出信号的幅度和相对于激励信号的相位。反复以上过程，测得所需频带内各个频率点所对应的拾振元件9输出信号的幅度和相对于激励信号的相位，即可得到对应频带内敏感结构1的频率特性。
前置放大滤波器8根据敏感结构1拾振元件9输出信号的特性设计，可以由模拟开关和运算放大器来实现，运算放大器的选择要考虑到传感器振动信号的带宽和运算放大器本身噪声，保证可以良好的实现传感器输出的微弱信号的放大，具体可以选用OPA627、OPA228、LT1028等运算放大器。
权利要求
1.谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，其特征在于包括前置放大滤波器(8)、模拟数字转换器(7)、处理器(6)、直接数字合成时钟源(5)、数字模拟转换器(4)和激励放大器(3)，敏感结构(1)的拾振元件(9)输出的信号经过前置放大滤波器(8)放大和滤波后，由模拟数字转换器(7)转换成数字信号输入到处理器(6)中，处理器(6)控制数字模拟转换器(4)输出正弦信号，经过激励放大器(3)放大，作为敏感结构(1)中激励元件(11)的激励信号激励谐振器(10)，直接数字合成时钟源(5)在处理器(6)控制下输出时钟信号，直接数字合成时钟源(5)输出的时钟信号作为模拟数字转换器(7)和数字模拟转换器(4)的转换时钟，该转换时钟是拾振元件(9)输出的信号频率的整数倍，从而实现拾振元件(9)输出的信号的整周期采样。
2.根据权利要求1所述的谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，其特征在于所述的处理器(6)采用锁相放大算法计算敏感结构(1)拾振元件(9)输出信号的幅度和相对于激励信号的相位。
3.根据权利要求2所述的谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，其特征在于所述的锁相放大算法为输入信号分别与一组与其频率相同的正交的正弦信号相乘，得到的两个信号U2和U2′，该两信号分别通过低通滤波，得到两个直流信号X和Y， 即为输入信号的幅度R， 即为输入信号的相位Φ。
4.根据权利要求1所述的谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，其特征在于所述的前置放大器的增益由处理器(6)调节。
全文摘要
谐振式传感器敏感结构频率特性的数字测试系统，包括前置放大滤波器、模拟数字转换器、处理器、直接数字合成时钟源、数字模拟转换器和激励放大器，敏感结构的拾振元件输出的信号经过前置放大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处理器中，处理器控制数字模拟转换器输出正弦信号，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，直接数字合成时钟源在处理器控制下输出时钟信号，直接数字合成时钟源输出的时钟信号作为模拟数字转换器和数字模拟转换器的转换时钟，以实现拾振元件输出的信号的整周期采样，处理器中采用锁相放大算法计算敏感结构拾振元件输出信号的幅度和相对于激励信号的相位，从而实现了拾振元件输出的信号的整周期采样。
文档编号G01R23/02GK101038310SQ20071006363
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者樊尚春, 蔡晨光, 邢维巍 申请人:北京航空航天大学