摘 要：在微小型特別是硅諧振微傳感器中，低信噪比的微弱信號檢測，電路的小型化和抗干擾等問題十分突出。介紹了硅諧振壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)的基本工作原理，在成功研制出模擬閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了克服模擬系統(tǒng)的不足，依據(jù)相關(guān)檢測原理和頻率掃描技術(shù)提出了基于FPGA的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計框架，詳細分析了該系統(tǒng)中的微弱信號檢測技術(shù)和數(shù)字電路部分數(shù)字信號處理及接口技術(shù)，最后結(jié)合實際數(shù)據(jù)和開環(huán)測試曲線，指出可用的掃頻方法。

關(guān)鍵詞：硅諧振微傳感器；頻率掃描；數(shù)字信號處理；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)

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

硅諧振微傳感器采用微機械加工工藝實現(xiàn)，其敏感元件尺寸達到微米甚至亞微米量級^［1］，由此引起的“微尺度效應(yīng)”使得其輸出信號極其微弱，并存在嚴重的同頻耦合干擾，導致其信噪比SNR低于10^{-3，給信號提取帶來相當大的困難。本課題組從20世紀90年代，在中國航空工業(yè)總公司的支持下，開始硅諧振壓力微傳感器閉環(huán)測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)。目前，已先后研制成功了基于“鎖相＋分頻”原理的模擬閉環(huán)系統(tǒng)［2］和以DSP為核心的復合音叉諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)［3］。前者由于不可避免地存在相當多的分立器件，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定性，抗干擾性及微型化等方面還有待改善，而將其數(shù)字化無疑是很好的選擇；后者由于硅諧振微傳感器輸出信號的特殊性(2倍頻有用信號+1倍頻耦合干擾信號)，不能直接移植?？紤]到FPGA器件集成度高，速度快，接口豐富，易于調(diào)試驗證等優(yōu)點，本文嘗試以FPGA為核心，以相關(guān)和掃頻為關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計硅諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)。}

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

硅諧振壓力微傳感器數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)主要實現(xiàn)傳感器在工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生可靠諧振，并且當被測壓力發(fā)生變化時，其諧振頻率能實時可靠地改變從而實現(xiàn)對被測壓力的測量。該閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計主要有3個難點：系統(tǒng)起振；諧振狀態(tài)判斷即微弱信號處理；諧振狀態(tài)的維持。針對這些問題，引入相關(guān)檢測和頻率掃描的方法，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。DDS模塊輸出一個數(shù)字化的正弦信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化和處理后對傳感器進行激勵，同時，拾振模塊對傳感器輸出信號進行提取，經(jīng)過放大濾波到適當程度，作為A/D的一組輸入信號。A/D的另一組輸入信號是D/A輸出經(jīng)倍頻后的參考信號。數(shù)字處理模塊并最終用相關(guān)檢測方法將傳感器信號解調(diào)出來。掃頻模塊通過相應(yīng)的掃頻算法進行頻率搜索，計算下一步DDS應(yīng)該輸出的信號頻率，如此形成閉環(huán)控制，并最終找到諧振傳感器的諧振頻率點。而此時，系統(tǒng)工作在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，直到外界環(huán)境(例如壓力)發(fā)生改變使得傳感器諧振頻率發(fā)生改變而破壞平衡，從而開始新一輪的掃頻。