一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置

摘要

本发明公开了一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，其具体由弱耦合谐振器、两路位移信号处理回路、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换器组成，其中数字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现。弱耦合谐振器由两组相同的谐振器以及耦合结构组成。每路位移信号处理回路包括电容‑电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器。数字锁相环模块包括鉴频鉴相器、环路滤波器、第一PI控制器、数字压控振荡、比较器。幅度控制模块包括低通滤波器、第二PI控制器。本发明可实现对于弱耦合谐振器的振幅比的直接测量，无需进行后续的除法运算过程，实现了测量信号的电路直接输出，减少了信号后处理过程的复杂度。

权利要求

1.一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，其特征在于：包括由弱耦合谐振器（1）、第一、二路位移信号处理回路（2、3）、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换器组成； 其中数字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现；弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿（1‑1‑2、1‑2‑2）分别与对应的第一、二两路位移信号处理电路（2、3）的信号输入端相连接；第一路位移信号处理电路（2）的信号输出端为本装置的整体输出，而第二路位移信号处理电路（3）的比较器输出端与数字锁相环模块的信号输入端相连接，信号输出端与幅度闭环控制模块的信号输出端相连接；数字锁相环模块的信号输出端信号与幅度闭环控制模块的信号输出端信号相乘后经数模转换器转换为模拟信号传输至后弱耦合谐振器的两路第一、二驱动梳齿（1‑1‑1、1‑2‑1）；基于自动增益控制对弱耦合谐振系统的其中一个谐振单元进行幅度闭环控制，使其振动位移幅值稳定在归一化设定值；此时另一个谐振单元的振动位移幅值的即可代表整体系统的振幅比，而无需进行另外的除法运算过程；外界输入信号即可通过测量未作幅度闭环控制的谐振单元的振动位移幅值的变化得到；

所述第一、二路位移信号处理回路（2、3）完全一致，以精确的提取第一、二谐振梁单元（1‑1‑3、1‑2‑3）的振动位移的频率、相位、幅值信息；其中第一、二路位移信号处理回路（2、

3）均分别包括电容‑电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器；所述电容‑电压变换器的输入端与弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿（1‑1‑2、1‑2‑2）相连接，所述电容‑电压变换器的输出端与低噪放大器输入端相连接；低噪放大器的输出端分别与比较器和开关整流器相连接；其中比较器的输出端与开关整流器的信号控制端相连接；开关整流器的输出端与低通滤波器相连接；低通滤波器的输出端和模数转换器相连接；

所述弱耦合谐振器（1）由两组结构相同的第一、二谐振器（1‑1、1‑2）以及耦合结构（1‑

3）组成；其中所述耦合结构（1‑3）两端分别与第一、二谐振器（1‑1、1‑2）的第一、二谐振梁单元（1‑1‑3、1‑2‑3）相连接；具体以第一谐振器（1‑1）为例；第一谐振器（1‑1）由第一驱动梳齿（1‑1‑1）、第一检测梳齿（1‑1‑2）和第一谐振梁单元（1‑1‑3）组成；其中第一驱动梳齿（1‑1‑

1）与连接在第一谐振梁单元（1‑1‑3）上的活动梳齿对插形成驱动电容极板组，以提供静电驱动力施加于第一谐振梁单元（1‑1‑3）之上；其中第一检测梳齿（1‑1‑2）与连接在第一谐振梁单元（1‑1‑3）上的活动梳齿对插形成驱动电容极板组，以精确地提取第一谐振梁单元（1‑

1‑3）的振动位移变化；第一、二驱动梳齿（1‑1‑1、1‑2‑1）分别与第一、二路位移信号处理电路（2、3）的电容‑电压变换器相连接，第一、二检测梳齿（1‑1‑2、1‑2‑2）分别与对应的数模转换器相连接；

所述数字锁相环模块包括鉴频鉴相器、环路滤波器、第一PI控制器、数字压控振荡和比较器；鉴频鉴相器的信号输入端和第二路位移信号处理回路的比较器的输出端相连，以有效判定谐振梁单元振动位移的相位信息，并最终实现静电驱动电压的相位锁定；鉴频鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连接；环路滤波器的输出端与第一PI控制器的输入端相连接；第一PI控制器的输出端与数字压控振荡器的输入端相连接；数字压控振荡器的输出端分别与乘法器输入端和比较器输入端相连接；比较器的输入端和鉴频鉴相器的参考相位输入端相连接；

所述幅度闭环控制模块包括低通滤波器和第二PI控制器；其中低通滤波器的输入端和第二路位移信号处理回路（3）的模数转换器输出端相连，用以提取谐振梁单元振动位移的幅值，并最终实现谐振梁单元振动位移幅值的稳定；低通滤波器的输出端与第二PI控制器的输入端相连接；第二PI控制器的输出端与乘法器输入端相连接。

说明书

一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及微机械弱耦合谐振器系统，特别是涉及一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置。

背景技术

[0002] 弱耦合谐振器是一种采用振幅比作为输出评价指标的多自由度谐振系统。理论和实验表明，与传统单自由度谐振器的频率调制机制相比，弱耦合谐振器的振幅比调制机制
的相对机械灵敏度要高出2到3个数量级。另外，由于弱耦合谐振系统结构都为差分测量形
式，系统整体对于外界共模干扰如温度波动等具有良好的抑制作用。因此，弱耦合谐振器在
信号测量领域具有有着重要的军民用价值和广阔的应用前景。

[0003] 近年来，国内的研究机构逐渐展开了关于弱耦合谐振器的研究。2018年，研究者们提出了一种模拟自激振荡闭环控制方案，通过调节反馈电路的增益并布置移相器，满足
Barkhausen准则，从而实现弱耦合谐振器的自激振荡。但是，目前大部分机构对于弱耦合谐
振器的振幅比的测量都是通过数据的后处理得到，仍然无法从测控电路输出端直接得到系
统输出，限制了弱耦合谐振器的一体化应用前景。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明公开了为了解决上述存在的问题，本发明提供一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，通过对弱耦合谐振器的其中一个谐振单元的振幅实现
闭环稳定控制，另一谐振单元的振幅即可以作为弱耦合谐振系统的整体输出。本装置可以
实现弱耦合谐振系统的振幅比的测控电路直接输出，无需进行后续的振幅信号除法过程，
简化了弱耦合传感器的信号后处理流程。

[0005] 技术方案：一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置，包括由弱耦合谐振器、第一、二路位移信号处理回路、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换器组成；其中数
字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现；弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿
分别与对应的第一、二两路位移信号处理电路的信号输入端相连接；第一路位移信号处理
电路的信号输出端为本装置的整体输出，而第二路位移信号处理电路的比较器输出端与数
字锁相环模块的信号输入端相连接，信号输出端与幅度闭环控制模块的信号输出端相连
接；数字锁相环模块的信号输出端信号与幅度闭环控制模块的信号输出端信号相乘后经数
模转换器转换为模拟信号传输至后弱耦合谐振器的两路第一、二驱动梳齿；基于自动增益
控制对弱耦合谐振系统的其中一个谐振单元进行幅度闭环控制，使其振动位移幅值稳定在
归一化设定值；此时另一个谐振单元的振动位移幅值的即可代表整体系统的振幅比，而无
需进行另外的除法运算过程；外界输入信号即可通过测量未作幅度闭环控制的谐振单元的
振动位移幅值的变化得到。

[0006] 其中所述第一、二路位移信号处理回路完全一致，以精确的提取第一、二谐振梁单元的振动位移的频率、相位、幅值信息；其中第一、二路位移信号处理回路均分别包括电容‑
电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器；所述电容‑电压变
换器的输入端与弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿相连接，所述电容‑电压变换器的输出端
与低噪放大器输入端相连接；低噪放大器的输出端分别与比较器和开关整流器相连接；其
中比较器的输出端与开关整流器的信号控制端相连接；开关整流器的输出端与低通滤波器
相连接；低通滤波器的输出端和模数转换器相连接。

[0007] 进一步的，所述弱耦合谐振器由两组结构相同的第一、二谐振器以及耦合结构组成；其中所述耦合结构两端分别与第一、二谐振器的第一、二谐振梁单元相连接；具体以第
一谐振器为例；第一谐振器由第一驱动梳齿、第一检测梳齿和第一谐振梁单元组成；其中第
一驱动梳齿与连接在第一谐振梁单元上的活动梳齿对插形成驱动电容极板组，以提供静电
驱动力施加于第一谐振梁单元之上；其中第一检测梳齿与连接在第一谐振梁单元上的活动
梳齿对插形成驱动电容极板组，以精确地提取第一谐振梁单元的振动位移变化；第一、二驱
动梳齿分别与第一、二路位移信号处理电路的电容‑电压变换器相连接，第一、二检测梳齿
分别与对应的数模转换器相连接。

[0008] 进一步的，所述数字锁相环模块包括鉴频鉴相器、环路滤波器、第一PI控制器、数字压控振荡和比较器；鉴频鉴相器的信号输入端和第二路位移信号处理回路的比较器的输
出端相相连，以有效判定谐振梁单元振动位移的相位信息，并最终实现静电驱动电压的相
位锁定；鉴频鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连接；环路滤波器的输出端与第一
PI控制器的输入端相连接；第一PI控制器的输出端与数字压控振荡器的输入端相连接；数
字压控振荡器的输出端分别与乘法器输入端和比较器输入端相连接；比较器的输入端和鉴
频鉴相器的参考相位输入端相连接。

[0009] 进一步的，所述幅度控制模块包括低通滤波器和第二PI控制器；其中低通滤波器的输入端和第二路位移信号处理回路的模数转换器输出端相连，用以提取谐振梁单元振动
位移的幅值，并最终实现谐振梁单元振动位移幅值的稳定；低通滤波器的输出端与第二PI
控制器的输入端相连接；第二PI控制器的输出端与乘法器输入端相连接。

[0010] 进一步的，弱耦合谐振器的电容振动位移信号通过电容‑电压变换器转电压信号以进行后续信号处理流程。电容‑电压变换器采用环形二极管，其独特的结构与差分输出特
性导致其对共模干扰、驱动信号的耦合、以及杂散电容有很好的抑制能力。环形二极管电
容‑电压变换器的电容转换增益系数大，噪声低、相位特性要好于其他形式的电容检测电
路，具有结构简单、测量精度高的优点。

[0011] 进一步的，由谐振器基本理论可知，当给谐振器施加与其固有频率相同的驱动力时，谐振器的振动位移的幅度达到最大，同时振动位移的相位滞后驱动力90度。因此，可以
基于数字锁相环模块的闭环驱动电路，利用相位差来实现对频率的跟踪。数字锁相环可以
看作是能自动跟踪信号频率的窄带滤波器，可以剔除大量噪声，把有用信号从噪声中恢复
出来。因此，使用基于数字锁相环的闭环驱动电路有利于提高弱耦合谐振器的测量精度。

[0012] 进一步的，基于自动增益控制对弱耦合谐振系统的其中一个谐振单元进行幅度闭环控制，使其振动位移幅值稳定在归一化设定值。由弱耦合谐振系统的基本理论可知，此时
另一个谐振单元的振动位移幅值的即可代表整体系统的振幅比，而无需进行另外的除法运
算过程。因此，通过测量未作幅度闭环控制的谐振单元的振动位移幅值的变化即可得到外
界输入信号的相对变化。

[0013] 本发明的有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：

[0014] 1、采用环路二极管作为电容‑电压信号变换器，具有结构简单、测量精度高等优点；

[0015] 2、采用数字锁相环模块来跟踪锁定弱耦合谐振系统的谐振频率，具有跟踪速度快、锁定精度高等优点；

[0016] 3、基于幅度闭环控制实现了弱耦合谐振系统的振幅比的直接测量，无需进行后续的除法运算过程，实现了测量信号的电路直接输出，减少了信号后处理过程的复杂度。

附图说明

[0017] 图1为本发明的总体框图；

[0018] 图2为本发明的弱耦合谐振器的结构示意图；

[0019] 图3为本发明的数字锁相环模块框图；

[0020] 图4为本发明的幅度控制模块框图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、
“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远
离特定部件几何中心的方向。

[0022] 如图1所示，本发明提供的直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置具体由弱耦合谐振器1、第一、二位移信号处理回路2和3、数字锁相环模块、幅度闭环控制模块、数模转换
器组成。其中数字锁相环模块和幅度闭环控制模块均由FPGA编程实现。弱耦合谐振器的第
一、二检测梳齿1‑1‑2、1‑2‑2分别与第一、二路位移信号处理电路2、3的信号输入端相连接；
第一路位移信号处理电路2的信号输出端为本装置的整体输出，而第二路位移信号处理电
路3的比较器输出端与数字锁相环模块的信号输入端相连接，信号输出端与幅度闭环控制
模块的信号输出端相连接；数字锁相环模块的信号输出端信号与幅度闭环控制模块的信号
输出端信号相乘后经数模转换器转换为模拟信号传输至后弱耦合谐振器的第一、二驱动梳
齿1‑1‑1、1‑2‑1。

[0023] 所述第一、二路位移信号处理回路2、3完全一致，以精确的提取第一、二谐振梁单元1‑1‑3、1‑2‑3的振动位移的频率、相位、幅值信息。第一、二路位移信号处理回路2、3均分
别包括电容‑电压变换器、低噪放大器、开关整流器、比较器、低通滤波器、模数转换器。电
容‑电压变换器的输入端与弱耦合谐振器的检测梳齿1‑1‑2、1‑2‑2相连接，输出端与低噪放
大器输入端相连接；低噪放大器的输出端与比较器和开关整流器相连接；比较器的输出端
与开关整流器的信号控制端相连接；开关整流器的输出端与低通滤波器相连接；低通滤波
器的输出端和模数转换器相连接。

[0024] 如图2所示，所述弱耦合谐振器1由两组相同的第一、二谐振器1‑1、1‑2以及耦合结构1‑3组成。耦合结构1‑3两端分别与第一、二谐振器1‑1、1‑2上的第一、二谐振梁单元1‑1‑
3、1‑2‑3相连接。所述第一、二谐振器1‑1、1‑2结构相同，具体以第一谐振器1‑1为例。第一谐
振器1‑1由第一驱动梳齿1‑1‑1、第一检测梳齿1‑1‑2和第一谐振梁单元1‑1‑3组成。第一驱
动梳齿组1‑1‑1与连接在第一谐振梁单元1‑1‑3上的活动梳齿对插形成驱动电容极板组，以
提供静电驱动力施加于第一谐振梁单元1‑1‑3之上；第一检测梳齿1‑1‑2与连接在第一谐振
梁单元1‑1‑3上的活动梳齿对插形成驱动电容极板组，以精确地提取第一谐振梁单元1‑1‑3
的振动位移变化。弱耦合谐振器的第一、二驱动梳齿1‑1‑1、1‑2‑1分别与第一、二路位移信
号处理电路2、3的电容‑电压变换器相连接，弱耦合谐振器的第一、二检测梳齿1‑1‑2、1‑2‑2
分别与数模转换器相连接。

[0025] 如图3所示，所述数字锁相环模块包括鉴频鉴相器、环路滤波器、第一PI控制器、数字压控振荡、比较器。鉴频鉴相器的信号输入端和第二路位移信号处理回路的比较器的输
出端相相连，以有效判定谐振梁单元振动位移的相位信息，并最终实现静电驱动电压的相
位锁定。鉴频鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连接；环路滤波器的输出端与第一
PI控制器的输入端相连接；第一PI控制器的输出端与数字压控振荡器的输入端相连接；数
字压控振荡器的输出端分别与乘法器输入端和比较器输入端相连接；比较器的输入端和鉴
频鉴相器的参考相位输入端相连接。

[0026] 如图4所示，所述幅度控制模块包括低通滤波器、第二PI控制器。低通滤波器的输入端和第二路位移信号处理回路的模数转换器输出端相连，用以提取谐振梁单元振动位移
的幅值，并最终实现谐振梁单元振动位移幅值的稳定。低通滤波器的输出端与第二PI控制
器的输入端相连接；第二PI控制器的输出端与乘法器输入端相连接。

[0027] 由谐振器基本理论可知，当给谐振器施加与其固有频率相同的驱动力时，谐振器的振动位移的幅度达到最大，同时振动位移的相位滞后驱动力90度。因此，可以基于数字锁
相环模块的闭环驱动电路，利用相位差来实现对频率的跟踪。数字锁相环可以看作是能自
动跟踪信号频率的窄带滤波器，可以剔除大量噪声，把有用信号从噪声中恢复出来。因此，
使用基于数字锁相环的闭环驱动电路有利于提高弱耦合谐振器的测量精度。

[0028] 基于自动增益控制对弱耦合谐振系统的其中一个谐振单元进行幅度闭环控制，使其振动位移幅值稳定在归一化设定值。典型的单侧扰动输入的二自由度弱耦合谐振系统的
运动方程如下所示：

[0029]

[0030] 其中m，c，k分别为谐振单元的等效质量、等效阻尼和等效刚度，kc为耦合刚度，Δk为刚度扰动，ωd为驱动力频率。

[0031] 在对其中一个谐振单元进行幅度闭环控制时，施加在离散运动质量块上的静电驱动力可以表示为：

[0032] f(u)＝KV/FK1K2u(t)Vsdcos(ωdt)                               (2)

[0033] 其中，KV/F，K1，K2分别为闭环控制系统中各环节的增益系数，u(t)为幅度闭环控制系统中PI控制器的输出，即：

[0034]

[0035] 理论上来说，方程(1)的解可以表示为：

[0036] x1＝a1cos(ωdt+φ1)

[0037] x2＝a2cos(ωdt+φ2)                                       (4)

[0038] 将公式(2)、(3)、(4)代入(1)中，并运用平均法进行求解，可知系统稳定时，具有如下解：

[0039]

[0040] 从公式(5)中可以看出，此时第一谐振单元的运动位移振幅a1的表达式和二自由度弱耦合谐振系统的振幅比表达式只相差一个固定系数，此时第一谐振单元的振动位移幅
值的即可代表整体系统的振幅比，而无需进行另外的除法运算过程。因此，通过测量未作幅
度闭环控制的谐振单元的振动位移幅值的变化即可得到外界输入信号的相对变化。

[0041] 以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基
础上的改动都是本发明的保护范围。