硅諧振微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)模擬-數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)研究

StudyonClosedLoopSystemsofSiliconResonantMicro-sensorsbasedon og/DigitalPLLTechnologyADissertationSubmittedfortheDegreeofCandidate：ZhaoQiaozhuanSupervisor：Prof.ZhouHaominSchoolofInstrumentationScience&Opto-electronicEngineeringBeihangUniversity,Beijing,China 分立器件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)。以DSP為，利用DSP高速的信號(hào)處理功能，編程實(shí)現(xiàn)鑒相和低通濾波的功能。此外，由DSP控制A/D轉(zhuǎn)換和的DDS（直接數(shù)字頻率合成），完成數(shù)據(jù)與特定頻率正弦波的輸出。分布式電參數(shù)耦合、同頻干擾嚴(yán)重，高速高精度多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的選擇，小型化Intheapplicationofsiliconresonantmicrosensors,detectionofweaksignalswithlowSNR(SignalNoiseRatio),miniaturizationandanti-jammingproblemsofself-oscillationclosed-loopsystemarequiteoutstanding.Theclosedloopsystemofsiliconresonantmicropressuresensorusedaspecialprinciple,“PhaseLockedLoop(PLL)&FrequencyDivision”.TwosystemsaresetuprespectivelybasedonogPLLanddigitalPLLtechnologies.Someinnovationworkisdoneonprojectchoice,theoryysis,circuitdesign,chipchoice,circuitdebugging,thetestingofmicrosensors’wholeperformance,etc.PLLhastheuniquetraitsoncarrierwavetracking,modulatingtrackingandlowthreshold,whichcanacquireweaksignalswithlowSignalNoiseRatio.Throughexperimentalandacademic ysisindetail,theformercircuitisimprovedontheminiaturizationandperformanceoptimization,whichisbasedontheprincipleofogPLL.The ogPLLiscomposedofseparate ogcomponentsincludingphasedetector(PD),low-passfilter(LPF),Voltage-controlledoscillator(VCO)andThedigitalPLLclosedloopsystemofsiliconresonantpressuremicrosensorbasedontheprincipleofogPLL,isrealizedwithseparatedigitalcomponentsaswell.Usingthehigh-speedDSPascore,phasedetector(PD)andlow-passfilter(LPF)arerealizedbyprogramming.ThedataacquirementandoutputofspecialfrequencysinewavearecomletedbyA/DswitchchipandspecialDirectDigitalSynthesischipundercontrolofInthedevelopmentofclosedloopsystem,severaldifficultiesareencounteredresolvedseriatim,whichareweaksignal,high-frequency,strongcouplinganddisturbanceofthesamefrequency,theselectionofhigh-speed,high-precisionandmulti-centerA/Dchips,theselectionofminiaturizationchips,matchingoftheoganddigitalcircuits,thetime-sequencecontrolandarithmeticoftheDSPetc.Intheproceedingofdevelopmentanddebuggingofthecircuit,experienceandtechnologyareaccumulated,whichissignificantfortheapplicationofsiliconresonantmicro:microsensors,resonant,closedloopsystem,PLL(phaselockedloop),DSP(DigitalSignalProcesser) 第一章緒 課題背景及內(nèi) 國(guó)內(nèi)外微小型傳感器信號(hào)檢測(cè)與處理方法綜 混沌 小波分析 相關(guān)檢測(cè) 基于單片機(jī)的硅微諧振傳感器的測(cè)量方 模擬鎖相環(huán)技 基于DSP的數(shù)字鎖相環(huán)技 第二章傳感器閉環(huán)系統(tǒng)理論分 諧振式傳感器閉環(huán)測(cè)量的基本原理及基本概 硅諧振式壓力微傳感器的結(jié)構(gòu)及特 傳感器的敏感結(jié) 傳感器的激勵(lì)/拾振方 實(shí)際傳感器的開(kāi)環(huán)特性測(cè) 閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難 鎖相環(huán)技術(shù)方 鎖相環(huán)方案的提 鎖相環(huán)的相位模 鎖相環(huán)的工作原 環(huán)路基本方程的物理含 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分 第三章基于模擬PLL的閉環(huán)系統(tǒng)的小型化與性能優(yōu) 各模塊設(shè)計(jì)原 拾振模 放大濾波模 原系統(tǒng)設(shè)計(jì)原 問(wèn)題分 問(wèn)題的解 鎖相環(huán)模 鑒相 低通濾波 壓控振蕩 倍頻 激勵(lì)模 電源模 具體實(shí) 新系統(tǒng)與原系統(tǒng)對(duì)比實(shí)物 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分 實(shí)驗(yàn)儀器和環(huán) 實(shí)驗(yàn)數(shù) 結(jié)果分 靈敏 遲 重復(fù) 本章小 第四章基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的微傳感器閉環(huán)系 概 系統(tǒng)的硬件設(shè) 拾振模 放大濾波模 倍頻模 激勵(lì)模 電源模 DSP模 一些關(guān)鍵寄存器的設(shè) DSP模塊與外設(shè)的硬件連接設(shè) A/D轉(zhuǎn)換模 數(shù)控頻率合成模塊（DDS模塊 系統(tǒng)的軟件設(shè) 軟件流 軟件系統(tǒng)主要模塊的設(shè) 初始化模 A/D轉(zhuǎn)換模 控制波形輸出模 鑒相與低通濾波模 頻率控制字與相位差的關(guān) 結(jié)果及分 參考文 附錄 硅諧振式壓力微傳感器模擬鎖相環(huán)閉環(huán)系 附錄 硅諧振式壓力微傳感器數(shù)字鎖相環(huán)閉環(huán)系 附錄 數(shù)字鎖相環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)DSP控制程 攻讀期間取得的學(xué)術(shù)成 第一章緒論課題背景及微型傳感器及其應(yīng)用的研究大體集中在五個(gè)方面：（1）（4）傳感器后續(xù)調(diào)理電路的微型化技術(shù)；（5）傳感器單片集成技術(shù)[5]條件；但同時(shí)，又與微傳感器的開(kāi)環(huán)測(cè)試一樣，微尺度所造成的三個(gè)主要技術(shù)難題，即微激勵(lì)功率，微伏量級(jí)的微弱信號(hào)流，微米量級(jí)的諧振器[6]。此外，激勵(lì)和諧振回路間的電耦合是的，即存在嚴(yán)重的同頻耦合干擾。另一方面，還要特別國(guó)內(nèi)外微小型經(jīng)實(shí)用化；例如，英國(guó)Druck公司、橫河株式會(huì)社等制造的硅微型諧振橋（梁）式壓力傳感器，精度高達(dá)0.01%FS，已經(jīng)在國(guó)防、石油化工、能源電力、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。但在公開(kāi)的文獻(xiàn)中，對(duì)涉及到諧振式硅微傳感器的一華北工學(xué)院、西安交通大學(xué)、相關(guān)等也相繼開(kāi)展了有關(guān)的研究工作，但非自治的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在從混沌狀態(tài)到大尺度周期轉(zhuǎn)變時(shí)表現(xiàn)出鎖頻特圖 混沌法提取硅諧振微傳感器信力頻率的頻偏小于特定值（0.0015）時(shí)，原處混沌狀態(tài)的相軌跡變?yōu)榍逦拇笾芷谠肼暸c信號(hào)分離，并采頻法識(shí)別系統(tǒng)，研究采樣頻率與系統(tǒng)諧振頻率的關(guān)系，在航空航天大學(xué)自動(dòng)控制系將相關(guān)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于全光纖硅諧振微傳感器信光熱效應(yīng)(ED)、光進(jìn)光出(lightinlightout)”92。圖2全光纖硅諧振微傳感器原理（振動(dòng)位移調(diào)制的反射光的光強(qiáng)信號(hào)。置放大后，信號(hào)仍然微弱，為了進(jìn)一步改善信圖 互相關(guān)運(yùn)算原理FF圖 檢測(cè)電路總體框A顯示809（80C1968098（80C196）HSO的 用HSO在峰值點(diǎn)啟動(dòng)8098（80C196）ADC，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，A顯示圖5用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的三個(gè)環(huán)節(jié)為：①頻率設(shè)置，用一個(gè)三維表格存放（）HSOPF②示處理；③PID控制。采用此閉環(huán)系統(tǒng)的前提是，不僅要求該新型硅微傳感器的振蕩鎖相環(huán)路（Phase-LockedLoop）是一個(gè)能夠輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。1932年，DeBellescize提出同步檢波理論，首次公開(kāi)了對(duì)鎖相環(huán)路的描述。1947年，鎖相環(huán)路第一次應(yīng)用于電視水平和垂直掃描的同步。到70年代，隨多種集成鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路逐漸變成了一個(gè)成本低、使用簡(jiǎn)便的多功能組件，有調(diào)制解調(diào)、頻率合成、電視機(jī)彩色副載波提取、FM立體聲等。隨著數(shù)字技術(shù)由于鎖相環(huán)路具有載波特性，相當(dāng)于一個(gè)中心頻率可變的窄帶濾波器，測(cè)上，Tohoku大學(xué)學(xué)者Y.Matsumoto和M.Esashi用鎖相環(huán)技術(shù)檢測(cè)集成硅電容目前檢索到的資料表明，國(guó)外已有多家機(jī)構(gòu)把DSP用在微機(jī)電系統(tǒng)的閉環(huán)檢測(cè)速度的測(cè)量并成功研制出樣機(jī)[14]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。圖 微機(jī)械陀螺儀樣機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)2個(gè)環(huán)路：環(huán)路一用來(lái)產(chǎn)生陀螺儀的驅(qū)動(dòng)電壓。這部分包含一個(gè)相位和微機(jī)電閉環(huán)系統(tǒng)也可用全數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）DSP成功實(shí)現(xiàn)DPLL（DSP-PLL）的個(gè)例。葡萄牙學(xué)者TeresaM.Almeida過(guò)幾篇來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題Tottori大學(xué)學(xué)者ShigekiOBOTE等人則設(shè)計(jì)了一個(gè)比傳統(tǒng)DSP-PLL性能更佳的雙環(huán)DSP-PLL，以期在更寬的頻帶內(nèi)更快的獲取諧振頻率。構(gòu)的優(yōu)化、測(cè)量電路的穩(wěn)定性、能力、工程化方面都還有待于深入的研究和改對(duì)已有的硅諧振式壓力微傳感器模擬鎖相環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行小型化和性能優(yōu)化，在本文的第三章詳細(xì)講述了該系統(tǒng)的原理、重點(diǎn)做的改進(jìn)和具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及數(shù)據(jù)分析。諧振式傳感器閉環(huán)測(cè)量的基本原理及基kkcxm圖7單自由度阻尼系統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為式（2.1： 當(dāng)作用外力與系統(tǒng)的阻尼力相平衡，即F(t)cx&時(shí)，系統(tǒng)以其固有頻率做等幅振

kmn km 2 G(s) ms2cs

s22sn2G(j) n2m(j)2cj (j)22njn1(1P2)1(1P2)2(22() (P

1 ()180

2

(P1 P 式（2.5） A(ω)——系統(tǒng)的幅頻特性 P

圖 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)幅相特性曲1-21-22k1112k111

arctan1 由式（2.6）和（2.7）可以看出，最大振Amax對(duì)應(yīng)的頻率總是略微偏離固有頻率定義它為系統(tǒng)的諧振頻率fr(r)，表示為式f

122 12r1222f1frffQ1

ff2

2式（2.9）f1、f2Amax/2 圖9求解Q值示意在設(shè)計(jì)諧振式傳感器時(shí)，要盡量降低傳感器系統(tǒng)的阻尼，提高其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)QQ值有很多優(yōu)點(diǎn)，它可以降低維持系統(tǒng)振動(dòng)的能量，從而可以降低熱損耗的對(duì)應(yīng)誤差[4]。說(shuō)到底，Q值是衡量和影響所有諧振式傳感器性能高低最重要的技術(shù)指標(biāo)作狀態(tài)，必須基于閉環(huán)自激系統(tǒng)。其基本原理如圖10所示圖 閉環(huán)自激系統(tǒng)原理框是反饋系數(shù)。實(shí)際上，為了可靠自激，應(yīng)取A1。（n＝0，1，2，…硅諧振式壓力微傳感器的結(jié)構(gòu)及力[5。應(yīng)力的變化改變了諧振梁的固有頻率，于是問(wèn)題歸結(jié)為如何測(cè)量。雖然無(wú)法直接測(cè)量

振頻率rQ1高（如達(dá)到104量級(jí)，即阻尼比12Q足夠小，就有r 1用r近似代替n圖 硅諧振式壓力微傳感器的敏感組件結(jié)該傳感器采用電熱激勵(lì)/壓阻拾振方式，當(dāng)交流驅(qū)動(dòng)電壓v(t)VaccostVdc加在激振電阻上時(shí)，產(chǎn)生電－熱轉(zhuǎn)換，溫度變化導(dǎo)致硅梁發(fā)生形變，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)載荷（驅(qū)動(dòng)力矩Mt。當(dāng)M(t)的頻率與硅梁固有頻率相同時(shí)，硅梁發(fā)生諧vstrst為拾振電阻阻值。圖 電阻熱激勵(lì)/壓阻拾振等效電若在激勵(lì)電阻Rx上加載交變電壓Vaccostvx(tVdcVaccost)Px(t)

和直流偏壓 (P(t)1(VVcost)21(V22VVcostVcos2 dc 2VV 0.5V2cosPx(t) ac dc 間距相當(dāng)小，則激勵(lì)和拾振回路間的電耦合。理論和實(shí)驗(yàn)分析[6]表明，極間10pF左右。由于這一分布電容的存在，相對(duì)較強(qiáng)的激勵(lì)信號(hào)，們把這種激勵(lì)信號(hào)直接耦合到拾振回的現(xiàn)象稱之為“同頻耦合干擾”或簡(jiǎn)稱為其激振電阻為960，拾振電阻為520，實(shí)際傳感器如圖13所示。圖1342.66kHz。另外，由測(cè)試可知：Q值<300，激勵(lì)電壓<1V。Q值不高的主要原因圖 硅諧振式壓力傳感器的開(kāi)環(huán)特硅諧振壓力微傳感器輸出的信號(hào)極其微弱，約為 號(hào)仍然非常明顯。傳感器輸出的混合信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的濾波放大之后仍無(wú)法用示波器號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，給后續(xù)電路信號(hào)檢測(cè)，從原理、設(shè)計(jì)到調(diào)試都提出了充滿的[5]環(huán)系統(tǒng)的輸出自動(dòng)輸入被測(cè)量的變化，要求整個(gè)系統(tǒng)必須始終處于諧振狀態(tài)——鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)于純交流電壓激勵(lì)，有用信號(hào)的頻率為2frfr，要求fkf (0.15k無(wú)論輸入鎖相環(huán)路的信號(hào)是已調(diào)制或未調(diào)制的，只要信號(hào)中包含有載波頻率成分，就可將環(huán)路設(shè)計(jì)成一個(gè)窄帶濾波器，輸入信號(hào)載波成分的頻率與相位化，環(huán)路輸信號(hào)就是要提取（）載波信號(hào)。本課題中的鎖相環(huán)路（Phase-lockedLoop）是用于輸入信號(hào)相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)對(duì)輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)窄帶濾波器，能有效地提取淹沒(méi)在噪捉到該信號(hào)并啟動(dòng)其頻率的功能保證諧振狀態(tài)的穩(wěn)定性。鎖相環(huán)路之所以能夠進(jìn)入相位，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號(hào)的同步，是因?yàn)樗且粋€(gè)相位的負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由鑒相器（PD、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器圖 鎖相環(huán)的基本結(jié) 圖17鎖相環(huán)路相位的數(shù)學(xué)模型鑒相器（PD）又稱相位比較器，vi(t)的相θ1(t)VCO輸出信號(hào)vo(t)的相位θo(t)進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差θe(t)的誤差電壓vd(t)，起和瞬變雜散干擾，以便得到更純正的控制電vc(t)去控VCO的輸出頻率。鎖相環(huán)正是利用PD和LPF來(lái)壓縮等效噪聲帶寬，以達(dá)到抑制輸入噪聲的目的。壓控振蕩器（VCO）是一個(gè)電壓/頻率（或相位）變換電路，其輸出電壓vo(t)ωo(t)受控制電vc(t)的控制ωo(t)ωi(t)靠攏，即vo(t)vi(t)的相位差減小。由圖17的相位模型可得e(t)1(t)o o(t)K0

sin[

(t)]F(p

pe(t)p1(t)K0KdF(p)sin[e 環(huán)路輸入瞬時(shí)相位1(t)與輸出瞬時(shí)相位o(t)之間的關(guān)而不是輸入電壓vi(t)與輸出vo(tPLL是一個(gè)傳遞相位的閉環(huán)系統(tǒng)，其內(nèi)流動(dòng)的信息是相位，環(huán)路基本方程的物理含義設(shè)環(huán)路輸入一個(gè)頻率i和相位i均不變vi(t)Visin[iti]Visin[ot(io)ti式中，o是控制電壓vc(t)為零時(shí)壓控振蕩器的固有振

令1(t)(io)t 則p1(t)io pe(t)oKoKdF(psin[e(t)] 右邊第一項(xiàng)o稱為固有頻差，它反映鎖相環(huán)需要調(diào)整的頻率量。右邊第二項(xiàng)是閉環(huán)VCO受控制電壓vc(t作用引起振蕩頻率v相對(duì)于固有頻率o的頻差（vo，o 即(iv)(io)(vo 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分析當(dāng)在環(huán)路的作用下，調(diào)整控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)相差e(t)趨向于一

pe(t)e()t

即指VCO輸出信號(hào)與環(huán)路輸入信號(hào)）之間無(wú)頻差而只有一固定的穩(wěn)態(tài)相差e()作用之后得到的控制電壓KdFj0sine()也為直流。因此，鎖定時(shí)的環(huán)路方程為KoKdF(j0)sine()

e() eKo

F(振蕩角頻率v相對(duì)于o偏移了o，而與輸入信號(hào)角頻率i相等的結(jié)果。即voKoKdFj0)sine()ooi 變化時(shí)，輸出信號(hào)的頻率和相位以同樣的規(guī)律隨之變化，這一過(guò)程稱為環(huán)路的過(guò)例如當(dāng)ii

也增大，使得穩(wěn)態(tài)相差e()e()增大又使直流控制電壓增大，這必使VCO產(chǎn)生的控制頻差v也增大，當(dāng)大到足以補(bǔ)償固有頻差 時(shí)，環(huán)路維持鎖定，因而ovKoKdF(j0)sine

KoKdF( 如果繼續(xù)增大ooKoKdFj0)，則環(huán)路失鎖（vr把環(huán)路能夠維持鎖定的最大固有頻差定義為環(huán)路的同步帶HHo KoKdFj0) 同步帶H的物理意義：當(dāng)輸入信號(hào)的頻率i在同步范圍（2H）為一上下不對(duì)稱的穩(wěn)定差拍波，其平均分量vd為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過(guò)環(huán)路濾波器的作用使VCO的平均頻率v偏離o向i方向靠攏這就是環(huán)路的頻VCO的瞬時(shí)角頻率v(t)始終不能等于輸入信號(hào)的頻率i，即環(huán)路不能鎖定。但v(t)的平均頻率v已向i方向牽引，這種牽引作用的大小顯然與vd的大小有關(guān)。vd的大小又取決于差拍波vd(t的前面的討論是在假定環(huán)路已經(jīng)鎖定的前提下，來(lái)討論環(huán)路過(guò)程的。但在實(shí)際上電時(shí)，鑒相器輸入端兩信號(hào)之間存在著起始頻差（即固有頻差）o，其相ot，因此，鑒相器輸出是一個(gè)角頻率等于頻差ovd(t)Kd 若ovd(tVCO)當(dāng)o減小到某一范圍時(shí)，鑒相器輸出的誤差電壓vd(t)是上下不對(duì)稱的差拍波其平均分量（即直流分量）不為零，通過(guò)環(huán)路濾波器的作用，使控制電壓vc(t中的直流分量增加，從而牽引著VCO的頻率v平均的向i靠攏。這使得vd(t)的拍頻（iv）減小，增大vd(tVCO的加，VCO的平均頻率v不斷地向輸入信號(hào)頻率i靠近。在一定條件下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)pe(tiv減小到某一頻率范圍時(shí)，以上頻率捕獲過(guò)程即告結(jié)束。此后進(jìn)入相位捕獲過(guò)程，e(t)的變化不再2π，最終趨于穩(wěn)定值e()。同時(shí)，vd(t、vc(tKdsine(和vc(，壓控振蕩器的頻率被鎖定在輸入信號(hào)頻率i上，使pe(t)0(vi)，捕獲的全過(guò)程即告結(jié)束，環(huán)路鎖定[26]需

pp

蹤輸入信號(hào)的相位和頻率，當(dāng)VCO輸出頻率鎖定在輸入信號(hào)頻率上時(shí)，位于信號(hào)頻LPF低通特性的抑制，從而減小了對(duì)VCO的干擾作用。所以，鎖相環(huán)對(duì)輸入信號(hào)來(lái)PLL在第二章中介紹了諧振式傳感器閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的原理與本系統(tǒng)的技術(shù)——鎖經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，本已初步實(shí)現(xiàn)基于模擬鎖相環(huán)技術(shù)的硅諧振式壓的諧振信號(hào)vs(t)的頻率是激勵(lì)電壓vx(t)頻率的2倍，因此壓控振蕩器輸出的信圖 硅諧振式壓力微傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)原理 原電路板電路面積較大，約為282×90mm2。微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)要工為原來(lái)的1/8，系統(tǒng)成本降低為2/3，系統(tǒng)更易調(diào)試、性能更穩(wěn)定，成功實(shí)現(xiàn)了傳感器閉各模塊設(shè)計(jì)在此，為了便于描述和區(qū)分，將原有的硅諧振式微傳感器的模擬鎖相圖 恒壓源拾振電OP27構(gòu)成電壓跟隨器，接在其輸出端，以便于后端負(fù)載隔離。電位器R4用于直流電橋的初始平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)滿足rs(R3R4R1R2uo輸出微傳感器拾振電阻輸出的有用信號(hào)極其微弱（V甚至nV數(shù)量級(jí)器本身的噪聲，防止在放大信號(hào)的過(guò)程中使信噪比進(jìn)一步。這對(duì)離傳感器最近的原系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理原系統(tǒng)中，該部分采用了三級(jí)濾波放大電路，以高精度、低噪聲集成運(yùn)放圖 原系統(tǒng)的前級(jí)放大濾波電路原理G(s)R5R1 10 1RCs110410105除高頻交流噪聲。放大倍數(shù)A1＝R5/R1=10/0.22，約為50。

2πR

2π104

5G(s) C6R7 3.31082.7104 6 7 (1RCs)(1RC (13.310833s)(12.71041.110106 72()是一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)微分環(huán)節(jié)與二個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串連，所以這是一個(gè)帶通

fc

54kHz 2π2.7104f'

2π3.310892kHz（54kHz146kHz），帶寬中心頻率為100kHz。放大倍數(shù)A2=R7/R6=27/0.033，約為818G(s)R9R8 200 1RCs12105510129 159kHzc 2πR 2π210559 問(wèn)題分析問(wèn)題主要出在第二級(jí)的帶通濾波環(huán)節(jié)，由于之前的設(shè)計(jì)者在選用時(shí)，只考慮到OP27的低噪聲、低漂移和高速性能，沒(méi)有考慮到對(duì)于負(fù)載的要求，以致在實(shí)（3.532kHz，有用信號(hào)頻率為64kHz，勉強(qiáng)可以滿足需要。但是新的傳感器輸出的有用信此外，由OP27的資料知，當(dāng)信號(hào)頻率大于100Hz時(shí)，該的電壓增益隨圖 OP27的電壓增益--頻率特問(wèn)題的解決心的帶通濾波電路。MAX275是公司推出的一款連續(xù)時(shí)間模擬集成有源濾波需外接電容。通過(guò)外接電阻的不同組合形式可以實(shí)現(xiàn)巴、切比、型R、C組成的二階節(jié)相比，MAX275組成的濾波器具有外接元件低通輸 --輸- 低通輸 --輸- +帶通輸圖 MAX275濾波器單元結(jié)R2=2109/F0 R4R25K(Q)(2109 R3 其中，R3的取值范圍為5K,4M；RX/RY因子RXRY是濾波器內(nèi)部的R1R3

其中， 是用于帶通濾波時(shí)，頻率為F時(shí)引腳BOP處的增益[10] 8429842967 - 35圖 MAX275外接電路及參器。原系統(tǒng)中，鑒相器和倍頻器環(huán)節(jié)均由模擬乘法器AD534實(shí)現(xiàn)[5]。R11 C11－x(t)2R10-+FADJ圖 原硅微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)原理框鑒相AD534DIP14（直插式，14個(gè)管腳AD633AD534。相對(duì)而言，AD633SO-8，AD534的1/3AD534的1/4二者性能相近，AD633精度稍低于AD534，但后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，并沒(méi)有因更換影響到系統(tǒng)性能。AD63310M?的輸入阻抗，總誤差典型值為圖 模擬乘法器AD633管腳示意其中，X1、X2、Y1、Y2為差分輸入管腳 為輸出管腳，其傳遞函數(shù)W(X1X2)(Y1Y2)

輸入到X1管腳的混合信號(hào)x(t)x(t)cos(2t1)cos(t2其中，有用信號(hào)是cos(2t1)，同頻干擾是cos(t2)。輸入到X2管腳的信號(hào)是對(duì)x(t)取反后的-x(t)。假定輸入到Y(jié)1管腳的信號(hào)

y2(t)cos(2t3 2[cos(2t)cos(t)][cos(2t) 1[cos()cos(4t)cos(3t)cos(t 在鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，x(t)與y2(t)之間相位差恒定。所以（3.14）式中的交流分量后，由這項(xiàng)直流分量的大小控制振蕩器VCO的輸出波形的頻率。低通濾波器噪聲和瞬變雜散干擾，以便得到更純的控制電壓vc(tVCO的輸出頻率。新系OP27和電容電阻搭建而成。壓控振蕩器等。選擇的時(shí)候還應(yīng)注意控制特性k0是正值還是負(fù)值。新系統(tǒng)沿用公司的MAX038（k0是負(fù)值，其主要性能參數(shù)為：0.1Hz20MHz；輸出正弦信號(hào)幅值：±1Vp-p0.75%；線性控制區(qū)域?yàn)楣逃姓袷庮l率的±70%MAX038LPFMAX038FADJ管腳接地，調(diào)節(jié)電位器R12使MAX038輸出波形達(dá)到某一頻率fr（本系統(tǒng)中fr等于微傳感器諧振頻率的一半。然后將FADJ管腳的接地導(dǎo)線斷開(kāi)，合上開(kāi)關(guān)，設(shè)這時(shí)LPFVFADJMAX038fx可通過(guò)式（3.15）計(jì)算得fxfr(10.2915VFADJ 倍頻由于微傳感器采用純交流激勵(lì)，其輸出的有用信號(hào)頻率是VCO輸出信號(hào)頻率的2倍。而PD要求輸入信號(hào)頻率相等，所以在VCO與PD的反饋回路中需要增加一個(gè)倍頻器。原系統(tǒng)中，倍頻模塊由運(yùn)算放大電路（調(diào)節(jié)回路電壓幅值、模擬乘法器AD53426所示。同樣是出于系統(tǒng)小型化的考慮，本系統(tǒng)用AD633代替AD534。圖26所示為倍頻器原理圖。圖 倍頻環(huán)節(jié)原理y'(t)y2(t)1[cos(2t) 本系統(tǒng)采用純交流激勵(lì)，MAX038輸出先經(jīng)過(guò)一個(gè)有源低通濾波電路，濾除高頻AD844P8可用于圖 激勵(lì)模塊電路原理電源模塊為整個(gè)提供合適的直流工作電壓，系統(tǒng)外接±12V直流電源，由于部分供電電源為±5V，因此電源部分需要用到電壓轉(zhuǎn)換。作者曾嘗試用小體積的電壓轉(zhuǎn)換，但是考慮到穩(wěn)壓的功率輸出必須能夠滿足整個(gè)電路的需要（體積越小，最大供電電流越小。經(jīng)過(guò)計(jì)算，電路中需要±5V電壓供電的功率損耗大約為600mA以上。所以仍然采用了體積較大78057905，其輸出電流1A。值具體PLLAD633AD534，不僅大大縮小了該部統(tǒng)成本的約1/2。而AD633的成本只有其不到1/4。雖然精度降低，但靈敏度的適除激勵(lì)環(huán)節(jié)沒(méi)有貼片式封裝，也沒(méi)有及時(shí)找到合適的替代所以未作阻和無(wú)極性電容封裝由1206改為0805。為減小系統(tǒng)的總面積，PCB設(shè)計(jì)時(shí)將電路板分為大小相等的兩塊板，其上的元器新系統(tǒng)與原系統(tǒng)對(duì)比實(shí)物圖34cm21/8。下圖為兩個(gè)系統(tǒng)電路板的對(duì)28本上只需將MAX038的FADJ管腳接地再斷開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)再次鎖定與。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果 調(diào)節(jié)分辨率：0.01精度：0.25調(diào)節(jié)分辨率：從－0.1MPa0.4MPa，分別為數(shù)字示波器：TDS1012，100MHz，1GS/s本上可以實(shí)現(xiàn)上電即起振。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，已正常工作歷時(shí)7個(gè)月。我們使用的硅諧振壓力微傳感器樣機(jī)，激振電阻為960，拾振電阻為520，其開(kāi)率與壓力源提供的壓力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。1硅諧振式壓力微傳感器的壓力－頻率特性（新系統(tǒng)(kgf/cm21234表 （續(xù)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出新的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的頻率/29所示。程，“*”代表反行程，由圖29可以看出傳感器的遲滯誤差并不明顯。圖 頻率/壓力特性曲環(huán)測(cè)試的四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。表 硅諧振式壓力微傳感器的壓力－頻率特性（原系統(tǒng)(kgf/cm2123412中的數(shù)據(jù)，可以看出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下新系統(tǒng)測(cè)得的傳感器諧靈敏SYmaxXmaxX

3.17Ymax和Ymin分別取圖29中傳感器輸出頻率的上限和下限XmaxXmin分別取圖29中傳感器的測(cè)量上限和測(cè)量下限S(44.64642.652)kHz(2.50.0)kgf/

8.133Hz/ S(44.69042.697)kHz(2.50.0)kgf/

8.129Hz/ 遲 (yH 100% 式（3.20）中，(yH)max是傳感器正行程和反行程平均校準(zhǔn)特性之間的最大差值。kgfcm2處對(duì)應(yīng)的正行程和反行程頻率值相差最大，因此取(yH)max43.14643.137kHz0.009kHzH 2(44.646

100% kgfcm2處對(duì)應(yīng)的正行程頻率值和反行程頻率值相差最大，因此取(yH)max43.19343.1840.009kHz，這樣H 2(44.690

100% 重復(fù)將yuij看成第i個(gè)測(cè)點(diǎn)正行程的字樣，采用極差法計(jì)算第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)

m式中，Wui—極差，即第i個(gè)測(cè)點(diǎn)正行程的m個(gè)標(biāo)定值中的最大值與最小值之差dm—極差系數(shù)，取決于測(cè)量循環(huán)次數(shù)，即樣本容量m。循環(huán)次數(shù)m4時(shí)，極差系數(shù)dm2.24。測(cè)點(diǎn)1234測(cè)點(diǎn)1234WSW/環(huán)環(huán)環(huán)環(huán) i123正45行67程89 SdiWdi/反行程987表 （續(xù)6543211nn1nns2i1n 22s

*2 *2

100%

100% 11n 1nns2i *21nns2i *2R

100%

100% 0.5個(gè)百分點(diǎn)。分析此問(wèn)題的原因主要是因?yàn)殒i本章1/8性誤差增大，導(dǎo)致系統(tǒng)整體精度降低。這主要是由于鎖相環(huán)的模擬乘法器更換了概圖30基于鎖相環(huán)技術(shù)的傳感器閉環(huán)系統(tǒng)原理圖DSP的閉環(huán)系統(tǒng)”[5]的方案，課題進(jìn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該閉環(huán)系統(tǒng)相關(guān)的原理描述與實(shí)際相關(guān)運(yùn)算中采用的是自相關(guān)運(yùn)算方式 模塊發(fā)出的信號(hào)沒(méi)有反饋到復(fù)合音叉?zhèn)鞲衅鲾?shù)字閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音叉?zhèn)鞲衅鞯拈]環(huán)測(cè)DSPPLLDSP為中心，加A/D的一組輸入信號(hào)。A/DDDS發(fā)出的參考信號(hào)。DSP的作用是完成鑒相、低通濾波和頻率相位控制字的生成，同時(shí)控制A/D及數(shù)控波形發(fā)生器合理、工作。DDS圖 硅諧振式微傳感器數(shù)字鎖相環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)原理系統(tǒng)的軟件流程包括系統(tǒng)初始化——起振——A/D轉(zhuǎn)換（采樣）——鑒相（序列相乘）——低通濾波——控制DDS模塊產(chǎn)生所需頻率與相位的正弦波。DSP的處理速度（以MotoloraDSP56311為例150MIPS（InstructionsPer[25]MAC，所以它能很好的滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件圖32本模塊沿用了恒壓源直流電橋。REF01提供基準(zhǔn)電壓源，OP27的電壓跟隨電路用于提高直流電路的帶負(fù)載能力。微傳感器的拾振電阻作為電橋的一個(gè)橋臂。不同的傳感器，拾振電阻阻值也不相同，R1的阻值應(yīng)盡量接近拾振電阻的阻值。流噪聲，高頻交流噪聲以及由傳感器激勵(lì)端耦合過(guò)來(lái)的一倍頻正弦信號(hào)。要使得PLL正確識(shí)別有用信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行鎖定和，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，放大有用信號(hào)，直流噪聲。由于所選A/D的輸入范圍為±10V，這就要求前級(jí)電路輸出的信號(hào)峰-是，放大倍數(shù)太大，將引起信號(hào)的失真，所以信號(hào)不能的放大。圖 放大濾波模塊原理第二級(jí)，以MAX275為構(gòu)成帶通濾波器，中心頻率為85kHz，通帶寬度為10kHz，放大倍數(shù)約為10倍；第三級(jí)以O(shè)P37為構(gòu)成高通濾波器，截止頻率為7kHz，以濾除上一級(jí)直流干擾，放大倍數(shù)可調(diào)，最大為100倍（也可根據(jù)需要再加大。級(jí)運(yùn)放采用OP37OP27，二者均為低噪聲、高精度運(yùn)算放大器，但是精度、增益一頻率點(diǎn)的電壓增益是OP27的10倍[21]。DDS頻率合成器發(fā)出的正弦波進(jìn)行倍頻以圖 倍頻模塊原理2。圖 激勵(lì)模塊原理圖36 DSPDSP模塊的硬件實(shí)現(xiàn)以及關(guān)鍵的寄 開(kāi)發(fā)板及其外部擴(kuò)展接口信號(hào)處理器。DSP56311使用高性能、單指令單時(shí)鐘周期指令引擎、桶形移位器、24位尋址、指令緩存和DMA控制器。DSP56311工作在1.8V內(nèi)核電壓、輸入輸出3.3V150MIPS[25]。強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，0,1,2,)Register

AddressAttribute數(shù)據(jù)器空間、Y數(shù)據(jù)器空間。DSP56311的空間由片內(nèi)和片外器組DSP56311外部器接口（端口A）用于器擴(kuò)展或I/O的器映射，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的地址屬性寄存器AARX和地址控制寄存器BCR編程可以擴(kuò)展外部空間。通過(guò)使用DMA或者簡(jiǎn)單的MOVE指令，可以容易快速地任何外部器件如A/D、D/A，把對(duì)外部器件的映射為對(duì)空間的。擴(kuò)展端口主要由控一些關(guān)鍵寄存器的設(shè)置鎖相環(huán)控制寄存器（ DSP的外部晶振輸入引腳EXTALXTAL相連。DSP56311PLLPCTLPCTL是一個(gè)XI/O所映24位讀/PLL37所示。 圖37鎖相環(huán)控制寄存器PCTLPCTL[23-20]：PD[3-0]為預(yù)分頻除數(shù)因子位PDF，PD[3-不允許；COD清0，CLKOUT提供占空比為50%的與內(nèi)核時(shí)鐘同步的時(shí)鐘；PCTL[17]：PSTPPENPLLPCTL[16]：XTLD0，激XTAL輸出，允許晶振正PCTL[14-12]：DF[2-0]定義低功耗分頻器的除數(shù)因子DF，指定這些位在20~272的冪次。DF[2-0]=000時(shí)，DF201。PCTL[11-0]：MF[11-0]PLL倍頻因子MFPDF=1D FEXTALMF12.2888 PDF 除少數(shù)指令外，DSP地址屬性寄存器DSP56311AA[0-3]引腳的操作。在本系統(tǒng)中AA信號(hào)用來(lái)控制A/D和DDS，主要有以給A/D開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令給DDSAD9850復(fù)位命令圖38地址屬性寄存器AARX]AARX[5]是Y器使能位BYEN，如果為1則該空間為Y數(shù)據(jù)空間；AARX[4]是X器使能位BXEN，如果為1則該空間為X數(shù)據(jù)空間；AARX[3]是程序器使能位BPEN，如果為1則該空間為P程序空間；AARX[2]是地址屬性四AA0、AA1、AA2、AA3的極BAAP，作為片選信號(hào)有效時(shí)的電平極性。該位為0則片選信號(hào)低電平有效，為1則高電平有效；BAT[0]＝1；DRAM則：BAT[1]＝1，BAT[0]＝0址位的數(shù)目為7位。1定義了在外部X數(shù)據(jù)空間的中，AA引腳及邏輯起作用。5總線控制寄存器BCR控制著外部總線動(dòng)作及總線接口單元的操作，在擴(kuò)展外部1；[15-13]AAR3定義的區(qū)域存取的等7[12-[930[4要靈活設(shè)置。本系統(tǒng)中，BCR寄存器的值為$01FFEC。圖 總線控制寄存器位定義隨總線控制寄BCR所設(shè)各端口等待狀態(tài)AA0~AA3、WRRD輸出的有效脈沖寬度也不同，DSP56311的資料提供了專門的計(jì)算公式[27]。有效脈MAX1325AD9850對(duì)DSP模塊與外設(shè)的硬件連接設(shè)計(jì)器FSRAM的片選管腳相連，AA1與閃存FLASH的片選管腳相連，由于DSP56311內(nèi)部器已經(jīng)能夠滿足需要，本系統(tǒng)不啟用外部器。但是AA0、AA1已經(jīng)在硬件上與外部器相連，無(wú)法斷開(kāi)，所以不能用作外設(shè)的讀控制，只能用作 AA0AD9850AA1AD9850的RESET（復(fù)位）AA2MAX1325AA3A/D轉(zhuǎn)換MAX1325的CONVST（開(kāi)始轉(zhuǎn)換）管腳。具體請(qǐng)見(jiàn)后面的.8小節(jié)。DDS電路反饋的參考信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便在DSP中進(jìn)行鑒相、低通濾波等工作。輸入信號(hào)2：DDS電路發(fā)出后經(jīng)倍頻的模擬參考信號(hào)；轉(zhuǎn)換為正的信號(hào)，所以要求A/D為雙極性輸入。30kHz50kHz2倍頻信號(hào)，即頻率為60kHz到100kHz不等，根據(jù)奈采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率換速率為混合信號(hào)中最高信號(hào)頻率的5~10這就要求AD的轉(zhuǎn)換速率達(dá)到300~500ksps（采樣點(diǎn)/秒，samplespersecond）以上。具有較高的共模抑制比SNR，并且系統(tǒng)的分辨率要足夠高，我們要求是A/D轉(zhuǎn)換1414折中選用了美信公司生產(chǎn)的MAX1322系列A/D轉(zhuǎn)換。sps?；究梢詽M足信號(hào)采樣的要求。該的數(shù)據(jù)輸出端可以選用3.3V供電，從而可直接與DSP的電平匹配[28]。由于該只能批量且價(jià)格較高，故在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了與其同一系列的MAX1325。MAX1325MAX1322的原理、管腳定義、參數(shù)基本相同，不同點(diǎn)主要為MAX1325有4個(gè)轉(zhuǎn)換通道，輸入電壓范圍為±10V，由此帶來(lái)的問(wèn)題是：資料中沒(méi)有給出輸入緩沖放大器的推薦，本文選用AD8021構(gòu)成電壓跟隨電路，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入緩沖放大器，輸出電路遠(yuǎn)小于100?。AD8021具備16位精度，±5V供電時(shí)0.01%建立時(shí)間為23ns，完全能夠滿足上述要求[29]。A/D轉(zhuǎn)換模塊的四個(gè)控制端口片選（CS、寫（WR、讀（RD信號(hào)時(shí)，其并行數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)；當(dāng)且僅當(dāng)CS和WR同時(shí)輸入低電平信號(hào)時(shí)，的控制字寄存器通過(guò)D0-D7管腳接受控制字輸入。MAX1325DSP56311AA2AAR2，設(shè)定它的值為$060711，因MAX1325的映射地址空間為X空間的$060000-$07FFFF。實(shí)際上當(dāng)外部X空間$060000-$07FFFF上的任意一單元時(shí)，DSP56311的AA2引腳便會(huì)出現(xiàn)低電平選通信號(hào)，選通MAX1325。圖40DSP56311與MAX1325AAR3的值為$080711A/DX:$080000-$08FFFF空間上圖 內(nèi)部時(shí)鐘雙通道工作方式在轉(zhuǎn)換過(guò)程中讀數(shù)據(jù)的時(shí)序CONVSTEOC41(tconv)typ1.6s,(tconv)max1.8s,tnext0.3s,稍大于1.8s，隨后第二次讀數(shù)等待時(shí)間應(yīng)稍大于(1.80.362.16)s。由于A/D轉(zhuǎn)換MAX1325的CONVST需要的觸發(fā)脈沖為至少200ns，而續(xù)3次輸出觸發(fā)脈沖。圖42A/D數(shù)控頻率合成模塊（DDS模塊片AD9850為，由DSP控制產(chǎn)生所需頻率與相位的模擬正弦信號(hào)。74LS02或非門，用于對(duì)控制波形發(fā)生器AD9850（WRRD）進(jìn)行邏輯運(yùn)算并將低電平轉(zhuǎn)換為高電平（DSP相關(guān)AD9850頻率和相位控制字輸入端為高電平LJ245電平轉(zhuǎn)換，DSP56311輸出為3.3V的CMOS電平，而5V的COMSLJ245方面輸給傳感器的激勵(lì)模塊，另一方面經(jīng)過(guò)倍頻后作為參考信號(hào)到ADC。圖43為DDS模塊的原理圖。圖43直接頻率合成DDS下面著重介紹這部分的AD9850。AD9850是AD公司推出的一款高集AD985040位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電字可通過(guò)并行方式或串行方式輸入。AD985032

(ΔPhaseCLKIN) （MHz，，fout42.8kHz125MHz的參考時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD98500.0291Hz。AD98505位相位控制字，允許相位按增量o、o、o、.5o、11.25o或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整[31]。采用并行工作方首先通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線D0-D7將8位控制字裝入到數(shù)據(jù)輸入寄存5FQUP40位控制字從輸入寄存器裝入到頻WCLK85個(gè)WCLK上升沿后，WCLKFQUD的第二個(gè)上升DATA

W2 W4 圖44控制字并行輸入的控制時(shí)序圖圖45DSP56311與DDS由于DSPWR和RD管腳低電平有效，AA0設(shè)置的也是低電平有效，而AD9850WCLK和FQUD是高電平有效，所以讓W(xué)R和RD的觸發(fā)電平先通過(guò)或非門。74HC573是緩沖器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線。AD9850RESET復(fù)位管腳輸出高電平觸發(fā)信號(hào)，令其復(fù)位。AD9850RESET516M的參考時(shí)鐘時(shí)，至少需要保持312ns。系統(tǒng)的軟件設(shè) 相位控制字，同時(shí)控制A/D轉(zhuǎn)換模塊和DDS模塊合理、有序的工作。CC便的是采用內(nèi)聯(lián)(in-line)的方式通過(guò)關(guān)鍵字asm()（asm，ANSIC的擴(kuò)展語(yǔ)DSP56311的開(kāi)發(fā)工具分為代碼生成工具和代碼調(diào)試工具兩大類。代碼生成工具的作用是將用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫的DSP程序編譯匯編并成為可執(zhí)行的DSP（*.c，Motorola文件進(jìn)行編譯，生成一個(gè)后綴名為cld的可執(zhí)行文件，輸出文件名為fft。DSP程序及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的平臺(tái)，使之能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。Motorola公司提供了調(diào)試工具DSP56300HardwareDebugger(GUI)來(lái)完運(yùn)行，才能保證頻率。用DSP的代碼調(diào)試工具GUI調(diào)試程序時(shí)，點(diǎn)擊界面上方

圖46入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，DSP對(duì)兩個(gè)數(shù)字信號(hào)序列進(jìn)行乘法運(yùn)算和低通濾波，其功能相當(dāng)于模擬乘法器和低通濾波器的功能。DDS的作用是在DSP控制下產(chǎn)生一個(gè)初始化模塊初始化和DSP系統(tǒng)的初始化。 采樣點(diǎn)數(shù)、A/D的通道選擇控制字、DDS的40位控制字等 包括總線控制寄存器、PLL控制寄存器、地址屬性寄存器、A/D和DDS等器件的言編程。DSP初始化函數(shù)為{ equ$020711"); /*控制AD9850片選的寄存器*/asm("\nCONVSTequ$020000"); /*映射AD9850片選的地址空間*/ equ$040715"); /*控制AD9850復(fù)位信號(hào)的寄存器*/ equ$040000"); /*映射AD9850復(fù)位信號(hào)的地址空間*/ equ$060711"); /*控制A/D片選的寄存器*/asm("\nMAX1325equ$060000"); /*映射A/D讀寫的地址空間*/ equ$080711"); /*控制A/DCONVST的寄存器*/ equ$080000"); /*映射A/D轉(zhuǎn)換命令的地址空間*/ equ /*總線控制寄存器設(shè) 分配等待狀A(yù)AR3:7AAR2:7,AAR1:30,asm("movep$060007,x:$FFFFFD");/*PLL控制寄存器設(shè)置*/asm("movep#AAR0V,x:$FFFFF9");asm("movep#BCRV,x:$FFFFFB");}A/D轉(zhuǎn)換模A/D采樣過(guò)程采用定時(shí)的方式作均勻取樣，便于實(shí)現(xiàn)和分析處理。采樣x(n)表示。在內(nèi)部時(shí)鐘、雙通道同時(shí)采樣方式下，A/D的采樣頻率約為455kHz，約為有用信號(hào)頻率的5倍。一次采樣250個(gè)點(diǎn)，約有用信號(hào)的50個(gè)周期。A/D采樣函數(shù)，A/D進(jìn)行一定次數(shù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換（count次，并將count個(gè)采樣點(diǎn)在指定的空間內(nèi)。A/D工作在雙通道轉(zhuǎn)換方式，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)讀數(shù)。一次采樣過(guò)程的步驟：①觸發(fā)A/D開(kāi)始采樣②延時(shí)等待T1③并通道0采樣結(jié)果④延時(shí)等待并通道1采樣結(jié)果。為了減小采樣間隔，讀完之后統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)修正編指令asm("movex:$060000,%e0":"=D"(*(pData+i)))A/DDSP中的采樣數(shù)據(jù)直接到C語(yǔ)言定義的數(shù)組pData[count]中去。該指令為MotorolaDSP56300圍下，0V輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出是$0000，+9.994V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是$1FFF，-9.994V對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是$200024DSP56311中需要進(jìn)行符號(hào)位擴(kuò)展，將14位補(bǔ)碼擴(kuò)展為24位。{inti;{asm("move#0,x0"); /*多次觸發(fā)保證輸出脈寬>200ns*/asm("movex0,x:$080000");asm("move /*1.8us，由A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間決定*/asm("movex:$060000,%e0":"=D"(*(pData+i)));asm("moveb1,x:(r0)+"); asm("move 指向的單元asm("move}}控制波形輸出模塊此模塊的功能是由DSP將頻率、相位控制字輸送到DDS，使之輸出相應(yīng)的正弦波。這一過(guò)程分5個(gè)步驟完成，它們分別是復(fù)位DDS、實(shí)參頻率值FQ、實(shí)參相位值PH、控制字分批傳輸和傳輸結(jié)束標(biāo)志。需要說(shuō)明的是DSP具有24位數(shù)據(jù)總線，在硬件連接時(shí)，低14位與A/D的數(shù)據(jù)總線相8位與DDS的數(shù)據(jù)總線相連，所以在控制字分批傳輸時(shí)，增加了一條asl#16,b,b指令（令原先的24位數(shù)左移16位8位數(shù)從DSP8位傳輸出去。這個(gè)模塊定義的函數(shù)為DAout(intPH,int{/*DDSasm("move#1000,x0");asm("move#0,y0");asm("move（24CK=16MHzfasmvolatile("move move asm("move#0,y0");asm("movey0,x:$001001"); asm("asl#8,a,a");asm("movea2,x:$001002"); asm("asl#8,a,a");asm("movea2,x:$001002"); asm("asl#8,a,a");asm("move asmvolatile("move%0,a1"::"S"(PH));asm("asl#3,a,a");asm("and#$F8,a");/*設(shè)定電源休眠工作方式/*將5位頻率控制字，3位工作方式控制字存放到1個(gè)24位地址中，形式為$0000XX*/asm("movea1,x:$001000"); 輸出5次觸發(fā)電平*/asm("moveasm("moveb1,x:$020000");asm("moveasm("moveb1,x:$020000");asm("moveasm("moveb1,x:$020000");asm("moveasm("moveb1,x:$020000");asm("moveasm("moveb1,x:$020000");asm("move /*表示40位控制字輸送完畢，DDS的地址}鑒相與低通濾波模塊數(shù)轉(zhuǎn)換后，同樣對(duì)這數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相乘和低通濾波。兩個(gè)序列相乘所構(gòu)成的新序longmulti(int*pData,int{longaverage;longsum=0;inti;longpData_mpy=0;{pData_mpy=(*(pData+i))*(*(pData+i+1));sum+=pData_mpy;}average=sum/count*2;returnaverage;}頻率控制字與相位差的關(guān)系fxfr(10.2915VFADJ 為2kHz左右。參照上述環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)的PhasexPhaser(1kVFADJn)) 其中，Phaser為初始設(shè)定的頻率控制字，Phasex為受直流量控制而更新的頻VFADJx*yx(n)(x/10)*y(n)(y/10)*

（注213對(duì)應(yīng)A/D滿量程1FFF而在鑒相與低通濾VFADJ(n)x(n)*

（4.3（4.4（4.5） (n) *10)*(213 (n)*10/ （4.8PhasexPhaser(10.2915VFADJ Phaser(10.2915VFADJ(n)10/226結(jié)果及REF019.78V直流電壓（之所以不為理想的10V是因?yàn)檩敵鲭妷菏茇?fù)載的影響，只要輸出電壓值穩(wěn)定即可；6二塊為A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊，第三塊為DDS數(shù)控波形發(fā)生模塊（包括DSP56311開(kāi)發(fā)板，電路板之間電源線、地線和信號(hào)連接較為復(fù)雜，增加了調(diào)試的過(guò)g563c.exe編譯器的編譯，生成可執(zhí)行文件。在Motorola公司提供的調(diào)試工具DSP56300HardwareDebugger(GUI)環(huán)境下，對(duì)于軟件程序進(jìn)行了步進(jìn)調(diào)試，沒(méi)有發(fā)開(kāi)始調(diào)試DDS模塊時(shí)，發(fā)現(xiàn)AD9850可以輸出正弦波形，但是輸出信號(hào)的頻率用數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，D2和D6位不正確，不論D2和D6電平高低，輸出的頻率值均是按低電平（即取0）計(jì)算所得的結(jié)果。在確認(rèn)DSP的數(shù)據(jù)管腳輸出無(wú)誤，電平轉(zhuǎn)換和 圖47DDSA/D部分的調(diào)試方法：可以給程序設(shè)置斷點(diǎn)，把斷點(diǎn)設(shè)在一次讀數(shù)完成之后，將數(shù)據(jù)到寄存器中，可以觀察寄存器中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換結(jié)果，F(xiàn)FFF3.3V設(shè)置斷點(diǎn)的方法是，程序中加入一條空操作語(yǔ)句nop，加載完成之后，在匯編欄內(nèi)雙擊“nop”，字體變?yōu)樗{(lán)色，就設(shè)置了一個(gè)斷點(diǎn)。A/D模塊的讀數(shù)采用的是延時(shí)等待方式，發(fā)出轉(zhuǎn)換命令之后，等待一定的時(shí)間，待轉(zhuǎn)換完成之后轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D模塊由于某種原因，性能不夠穩(wěn)定，采數(shù)時(shí)完成，只要解決A/D環(huán)節(jié)采數(shù)的問(wèn)題，保證的正確性，就可以實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)頻率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)的閉環(huán)系統(tǒng)。 測(cè)、閉環(huán)自激電路的小型化和等問(wèn)題十分突出。本文重點(diǎn)研究了硅諧振式壓力微傳感器的閉環(huán)測(cè)試方法，以鎖相環(huán)技術(shù)為，本課題中的鎖相環(huán)路是用于輸入信號(hào)相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)對(duì)輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)窄帶濾波器，能有效地提取淹沒(méi)在噪聲和干擾中的微弱有用針對(duì)原模擬鎖相環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)存在的干擾嚴(yán)重、不易鎖定的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研節(jié)。此外，通過(guò)更換、元器件封裝，細(xì)節(jié)改進(jìn)，重新布局布線和制作四層板，成了系統(tǒng)的性能優(yōu)化與小型化。測(cè)試電路板面積減小為原來(lái)的1/8，系統(tǒng)成本降低為2/3。管腳接地再斷開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)再次鎖定與。系統(tǒng)整體精度降低。這主要是由于鎖相環(huán)的模擬乘法器更換了體積更小、精度較 配、DSP的時(shí)序控制與處理算法等難點(diǎn)。并在電路的制作與調(diào)試過(guò)程中，積累了一些（AD633（MAX038DPLL。將數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù) .基于DSP的硅諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)研究[D].:航空航天大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院測(cè)控系,2002 .熱激勵(lì)諧振式硅微結(jié)構(gòu)壓力傳感器[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2004, ,.熱激勵(lì)諧振式硅微結(jié)構(gòu)壓力傳感器[J].航空學(xué)報(bào),21(5):34- .傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].:航空航天大學(xué),2004: .硅諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)的研究[D].:航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電測(cè)控系,2004 ,,.硅諧振微傳感器中微現(xiàn)象測(cè)量技術(shù)[J].強(qiáng)度與環(huán)2002,29(1):59- 趙向陽(yáng)百舟君華微諧振傳感器微弱頻率變化的提取新方法[J]儀器儀表學(xué)報(bào),2001,22(3):57-58 ,劉君華,.小波分析在光激光拾硅微諧振傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)中 ,,.硅微傳感器中微弱信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)[J].航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1999,25(1):19-21 ,金心宇,陳抗生,等.基于單片機(jī)硅微機(jī)械諧振傳感器真空測(cè)量研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2001,22(4):381-383Y.Matsumoto,M.Esashi.IntegratedsiliconcapacitiveaccelerometerwithPLLservotechnique[J].SensorsandActuatorsA,1993,39:209217ChristineBarthod,YvesTeisseyre,ClaudineGehin,etal.ResonantforcesensorusingaPLLelectronic[J].SensorsandActuatorsA,2003,104:143150王權(quán).硅諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)的研究[D].:航空航天大RebwarMA.NewDigitalReadoutElectronicsforCapacitiveSensorsbytheExampleofMicro-MachinedGyroscopes[J].SensorsandActuatorsA,2001:邢維巍.硅諧振微傳感器頻率特性測(cè)試系統(tǒng)的研制[D].:航空航天大張厥盛,,萬(wàn)心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)2001:張冠百.鎖相與頻率合成[M].:電子工業(yè),1995:圭法川.鎖相與頻率合成[M].:國(guó)防工業(yè),1988:平.鎖相環(huán)在硅諧振壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].:北京航空航天大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院測(cè)控系,2000.鎖相環(huán)技術(shù)在硅諧振微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].:北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電測(cè)控系,2000MAX公司[美]OP27/OP37DataMAX公司[美]MAX275DataogDevice公司[美]AD633Data,姚鵬翼,胡榮. 電路設(shè)計(jì)[M].:Motorola公司[美]DSP56311User’s.Motorola24位DSP原理與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].:航空航天大學(xué)出版社,2004:98-120Motorola公司[美]DSP56311DataMAX公司[美]MAX1316-1