一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法与流程

本发明涉及微机械谐振器，尤其涉及一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法。

背景技术：

微机械谐振器在时变驱动力或者驱动电压的作用下发生内部结构之间的相对机械运动，产生运动信号，这运动信号经过高频载波调制后由接口电路转换成便于处理的电压信号，接口电路为由运算放大器构成的高通滤波器，从而可以避免接口电路的模拟元器件产生的低频噪声掺杂在谐振器中，保证接口电路可以阻止低频噪声通过，从而通过数字信号处理提取其运动信号的幅度和相位，自动增益控制技术和锁相环技术利用这幅度和相位进行微机械谐振器的闭环控制。

受限于模拟电路的温度效应以及谐振器的实际工作范围具有温差大的特点，接口电路会对运动信号造成一定的相位滞后，受限于谐振器的驱动频率波动的影响，运动信号在接口电路处的幅度增益会随着运动信号的驱动频率而产生时变。这种相位滞后和幅度增益会造成接口电路转换得到的电压信号产生失真，对提取到的运动信号的幅度和相位的精度产生影响。

传统的微机械谐振器的解调方法有两种：一种是先进行载波解调后进行驱动频率的同相和正交解调，得到运动信号的幅度和相位，第二种为直接进行同相和正交的解调，解调频率仅为载波频率与驱动频率之和。但是这两个传统的解调方法提取到的运动幅度和相位均受接口电路的幅度增益和相位滞后的影响，限制了提取的幅度和相位的准确性，导致了自动增益控制技术无法让谐振器的幅度达到被控量，锁相环技术无法让谐振器的相位控制在设定值。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，为微机械谐振器提供一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法。

本发明的具体方案如下：

一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法是接口电路将谐振器的被高频载波调制的运动信号转成电压信号，通过上边带的同相解调和正交解调得到上边带的幅度和相位，通过下边带的同相解调和正交解调得到下边带的幅度和相位，利用上边带和下边带的幅度相对关系和相位相对关系进行数学运算得到谐振幅度值和谐振相位值，从而可以消除温度因素和模拟电路技术等环境因素对接口电路的幅度增益和相位滞后的影响，实现微机械谐振器的接口电路的环境鲁棒性，可以精确获得微机械谐振器的谐振幅度和谐振相位。

进一步地，所述的一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法具体步骤如下：

1)微机械谐振器的接口电路将谐振器的被高频载波调制的运动信号转成电压信号，输入至上边带解调模块和下边带解调模块；

2)上边带解调模块对输入的运动信号进行解调处理，输入至上边带幅度相位提取模块；

3)下边带解调模块对输入的运动信号进行解调处理，输入至下边带幅度相位提取模块；

4)上边带幅度相位提取模块对输入的信号求取上边带幅度和上边带相位；

5)下边带幅度相位提取模块对输入的信号求取下边带幅度和下边带相位；

6)谐振幅度信号提取模块对上边带幅度和下边带幅度进行数学运算，得到谐振幅度值；

7)谐振相位信号提取模块对上边带相位和下边带相位进行数学运算，得到谐振相位值。

进一步地，所述的上边带解调模块的解调处理是对输入的运动信号分成两路，一路进行上边带同相解调得到上边带同相直流分量，另一路进行上边带正交解调得到上边带正交直流分量，上边带同相直流分量和上边带正交直流分量输入至上边带幅度相位提取模块。

进一步地，所述的下边带解调模块的解调处理是对输入的运动信号分成两路，一路进行下边带同相解调得到下边带同相直流分量，另一路进行下边带正交解调得到下边带正交直流分量，下边带同相直流分量和下边带正交直流分量输入至下边带幅度相位提取模块。

进一步地，所述的上边带同相解调和上边带正交解调的信号频率值为高频载波频率与谐振器驱动频率之和，下边带同相解调和下边带正交解调的信号频率值为高频载波频率与谐振器驱动频率之差。

进一步地，所述的谐振幅度值是上边带幅度与下边带幅度之和的二分之一。

进一步地，所述的谐振相位值是下边带相位与上边带相位之差的二分之一。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)本发明的谐振幅度值能消除谐振器接口电路的环境因素造成的相位延迟的影响，具有环境鲁棒性，能提高谐振器的幅度控制技术的效果，如自动增益控制技术；

2)本发明的谐振幅度值可以消除谐振器驱动频率波动对接口电路的幅度增益造成的影响；

3)本发明的谐振相位值能消除接口电路受温度等因素产生的相位滞后量，具有环境鲁棒性，能提高谐振器的相位控制技术的效果，如锁相环技术。

附图说明

图1是鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法的实现框图；

图2是本发明的接口电路的常见形式图；

图3是本发明的接口电路的高通滤波器在载波频率邻域的归一化幅度增益图；

图4是本发明的上边带解调模块的实现框图；

图5是本发明的下边带解调模块的实现框图；

图6是本发明的上边带幅度相位提取模块的实现框图；

图7是本发明的下边带幅度相位提取模块的实现框图。

具体实施方式

一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法，是接口电路将谐振器的被高频载波调制的运动信号转成电压信号，通过上边带的同相解调和正交解调得到上边带的幅度和相位，通过下边带的同相解调和正交解调得到下边带的幅度和相位，利用上边带和下边带的幅度相对关系和相位相对关系进行数学运算得到谐振幅度值和谐振相位值，从而可以消除温度因素和模拟电路技术等环境因素对接口电路的幅度增益和相位滞后的影响，实现微机械谐振器的接口电路的环境鲁棒性，可以精确获得微机械谐振器的谐振幅度和谐振相位。

如图1所示，一种鲁棒的微机械谐振器的运动信号提取方法具体步骤如下：

1)微机械谐振器的接口电路将谐振器的被高频载波调制的运动信号转成电压信号，输入至上边带解调模块和下边带解调模块；

2)上边带解调模块对输入的运动信号进行解调处理，输入至上边带幅度相位提取模块；

3)下边带解调模块对输入的运动信号进行解调处理，输入至下边带幅度相位提取模块；

4)上边带幅度相位提取模块对输入的信号求取上边带幅度和上边带相位；

5)下边带幅度相位提取模块对输入的信号求取下边带幅度和下边带相位；

6)谐振幅度信号提取模块对上边带幅度和下边带幅度进行数学运算，得到谐振幅度值；

7)谐振相位信号提取模块对上边带相位和下边带相位进行数学运算，得到谐振相位值。

所述的谐振器的运动信号由高频载波调制后经过接口电路转换成电压信号。图2给出了接口电路的常见形式，由运算放大器组成的高通滤波器可以允许高频载波调制的运动信号通过，而不让电路的低频噪声通过。但是受限于温度因素和模拟电路本身造成的接口电路相位滞后，以及谐振器的驱动频率造成的接口电路幅度增益，经接口电路转换得到的运动信号存在幅度和相位的失真。一般地谐振器的运动信号x(t)表示为其中x0为振动幅度，为振动相位，ωd为谐振器的驱动频率。这里，根据图2，简单说明下接口电路转换得到的运动信号x的推导过程：

其中，cos(ωct)表示频率为ωc的高频载波信号，θ为接口电路造成的相位滞后，k1和k2分别为接口电路在频率(ωc+ωd)和(ωc-ωd)处的幅度增益。图3给出了接口电路的高通滤波器在载波频率ωc邻域的归一化幅度增益的频率特性，可以表明归一化幅度增益在载波频率ωc邻域中可以近似成线性。其中，一般载波频率至少大于100倍的谐振器驱动频率，这里以ωc＝156.25khz，ωd＝3.474hz为例。因此，在谐振器的驱动频率变化的情况下，接口电路的k1与k2的平均值不受影响而恒为定值，等于k0。

所述的上边带的频率值为高频载波频率与谐振器驱动频率之和，也就是(ωc+ωd)，下边带的频率值为高频载波频率与谐振器驱动频率之差，也就是(ωc-ωd)。

如图4所示，所述的上边带解调模块的解调处理是对输入的运动信号分成两路，一路信号与cos(ωct+ωdt)相乘进行上边带同相解调得到上边带同相直流分量，另一路信号与sin(ωct+ωdt)相乘进行上边带正交解调得到上边带正交直流分量，上边带同相直流分量和上边带正交直流分量输入至上边带幅度相位提取模块。这里，简单给出上边带解调模块的输出信号：

如图5所示，所述的下边带解调模块的解调处理是对输入的运动信号分成两路，一路信号与cos(ωct-ωdt)相乘进行下边带同相解调得到下边带同相直流分量，另一路信号与sin(ωct-ωdt)相乘进行下边带正交解调得到下边带正交直流分量，下边带同相直流分量和下边带正交直流分量输入至下边带幅度相位提取模块。这里，简单给出下边带解调模块的输出信号：

如图6所示，所述的上边带幅度相位提取模块可以通过坐标旋转数字计算方法实现对上边带同相直流分量与上边带正交直流分量的平方和进行开根号操作，以及对上边带正交直流分量与上边带同相直流分量的商求反正切值。这里给出上边带幅度相位提取模块得到的上边带幅度和上边带相位：

如图7所示，所述的下边带幅度相位提取模块可以通过坐标旋转数字计算方法实现对下边带同相直流分量与下边带正交直流分量的平方和进行开根号操作，以及对下边带正交直流分量与下边带同相直流分量的商求反正切值。这里给出下边带幅度相位提取模块得到的下边带幅度和下边带相位：

所述的谐振幅度值是上边带幅度与下边带幅度之和的二分之一，也就是：

所述的谐振相位值是下边带相位与上边带相位之差的二分之一，也就是：

因此，本发明所述的谐振幅度值能消除谐振器接口电路的环境因素造成的相位延迟的影响，并且接口电路的幅度增益与谐振器驱动频率无关；谐振相位值能消除接口电路受温度等因素产生的相位滞后量，具有环境鲁棒性，可以精确获得微机械谐振器的谐振幅度x0和谐振相位