許高斌，徐枝蕃，胡海霖，陳 興，馬淵明

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230009)

0 引言

MEMS(micro-electro-mechanical system)是一項具有廣泛應(yīng)用前景的新興技術(shù)[1-2]。硅微諧振式壓力傳感器是當(dāng)前MEMS的重要產(chǎn)品之一，它是一種能夠?qū)毫π盘栟D(zhuǎn)變成敏感元件的頻率變化信號，并通過測量頻率變化量來間接地測量待測壓力的傳感器[3-4]。在其眾多的激勵方式和電學(xué)檢測方式中，靜電激勵/壓阻檢測的硅微諧振式壓力傳感器是最具有應(yīng)用價值的傳感器之一[5]。

硅微諧振式壓力傳感器輸出信號中夾雜著大量的噪聲且其幅值非常小[6]。閉環(huán)電路的工作模式有很多優(yōu)點：一是可以提高對待測頻率信號的測量精度、加快測量速度，擴大對待測頻率信號的測量范圍；二是可以對系統(tǒng)的動態(tài)特性在一定程度上作出改善，提高硅微諧振器的表觀品質(zhì)因子[7]。因此，研制能夠高速且精準地跟蹤待測信號頻率變化的閉環(huán)電路是硅微諧振式壓力傳感器研究的一個重點。硅微諧振式壓力傳感器閉環(huán)頻率跟蹤電路主要有2種形式，一種是以自動增益控制電路(VGA)為核心的閉環(huán)電路，另一種是以鎖相環(huán)(PLL)為核心的閉環(huán)電路[8]。前者電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試困難，無法實時跟蹤頻率的相位變化[9]。后者不僅可以通過幅值調(diào)整電路實現(xiàn)調(diào)整幅值的功能，且具有更高的穩(wěn)定性和跟蹤信號相位變化的能力[10]。

本文設(shè)計了一種基于鎖相環(huán)的閉環(huán)頻率跟蹤電路。通過在前級處理電路中加入高速單刀雙擲模擬開關(guān)的方法優(yōu)化輸出方波信號的陡直性。用CD4046B搭建鎖相環(huán)電路，利用CD4046B集成鎖相環(huán)鑒相器Ⅱ輸入信號與輸出信號固定相差為0°的特點實現(xiàn)對信號的無相差頻率跟蹤，保證閉環(huán)自激狀態(tài)需要的相位條件以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 整體方案設(shè)計

圖1為閉環(huán)頻率跟蹤電路的框圖。閉環(huán)頻率跟蹤電路分成3個部分：一個前級信號調(diào)理電路、一個鎖相環(huán)和一個后級信號調(diào)理電路。前級信號調(diào)理電路由放大電路、帶通濾波器、移相電路、波形變換電路和二分頻電路等單元組成，后級信號調(diào)理電路由低通濾波器和幅值調(diào)整電路組成。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，拾振電橋輸出的信號進入前級處理電路，經(jīng)過由AD620搭建的放大電路放大，再通過無限增益多路反饋二階帶通濾波器將信號中的雜波濾去，并用移相電路調(diào)整信號的相位以滿足閉環(huán)自激的相位條件[11]。然后將調(diào)整相位后的信號通過電壓比較器和單刀雙擲模擬開關(guān)組成的波形變換電路整形成方波信號輸入到分頻電路中。由于當(dāng)傳感器的激勵信號是純交流信號時傳感器輸出信號是激勵信號的2倍，所以本電路采用CD4013搭建分頻電路實現(xiàn)信號的二分頻。PLL跟蹤二分頻后信號的頻率變化并鎖定其相位。最后，鎖相環(huán)輸出的方波信號進入后級處理電路，通過低通濾波器整形為正弦波信號，經(jīng)過幅值調(diào)整電路調(diào)整為合適的幅值后，作為傳感器的激勵信號輸入到激勵元件[12]。

2 波形變換電路的設(shè)計

2.1 電路設(shè)計原理

將正弦波轉(zhuǎn)換成方波通常有2種方式：一種是通過施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的正反饋過程來實現(xiàn)正弦波對方波的轉(zhuǎn)換；另一種是通過比較電壓比較器的輸入信號與參考電壓的高低從而改變輸出電壓的過程來實現(xiàn)正弦波對方波的轉(zhuǎn)換[13]。但是對于由LM393搭建的波形變換電路，其輸出方波信號的陡直性不夠好且低電平無法達到0 V，所以本文采用一種經(jīng)過改進的波形變換電路。

圖2為波形變換電路圖。波形變換電路包括2部分：LM393電壓比較器和SN74LVC1G3157高速單刀雙擲模擬開關(guān)。 正弦波信號在通過電壓比較器時會被整形為方波信號并將其作為單刀雙擲開關(guān)的控制信號輸入到邏輯控制管腳S。若輸入方波信號電平為高時，輸出引腳A與引腳B2導(dǎo)通，則輸出電平為高；若方波信號電平為低，輸出引腳A與引腳B1導(dǎo)通，則輸出電平為低電平。控制信號可控制輸出端A在B2與B1兩引腳間不斷地變換，以此輸出與輸入信號頻率相同的方波[14]。

圖2 波形變換電路圖

2.2 仿真結(jié)果與分析

圖3為波形變換電路輸出信號波形圖。輸入頻率為24 kHz的正弦波信號，圖3(a)為通過電壓比較器來實現(xiàn)正弦波轉(zhuǎn)換成方波的波形變換電路輸出信號波形圖，圖中顯示出方波信號的陡直性不夠好，上升時間為2.4 μs，且其低電平無法到達0 V。圖3(b)為本文采取的利用LM393電壓比較器和SN74LVC1G3157模擬開關(guān)搭建的波形變換仿真圖，圖中顯示輸出的方波有很好的陡直性，上升時間僅為0.3 μs，而且解決了LM393搭建的電壓比較器輸出的方波低電平無法達到0 V的問題。

(a)基于電壓比較器的波形變換電路輸出信號波形圖

(b)電壓比較器和模擬開關(guān)組成的波形變換電路輸出信號波形圖圖3 波形變換電路輸出信號波形圖

3 鎖相環(huán)電路的設(shè)計

3.1 電路設(shè)計原理

鎖相環(huán)簡稱PLL，由鑒相器、壓控振蕩器和環(huán)路濾波器3個單元組成[15]。由于CD4046B鑒相器Ⅱ在“鎖相環(huán)的輸入信號”與“壓控振蕩器的輸出信號”間保持嚴格同步并產(chǎn)生0°的相移，所以使用CD4046B的鑒相器Ⅱ、壓控振蕩器以及外接的環(huán)路濾波器來搭建整個鎖相環(huán)電路[16]。

圖4是利用CD4046B搭建的鎖相環(huán)路圖。鎖相環(huán)是整個電路的核心部分，不僅能夠在跟蹤信號頻率的同時有效地減小系統(tǒng)的相位噪聲，而且能夠輸出幅值恒定的信號，方便在后級信號調(diào)理電路中對幅值進行調(diào)整[17]。作為鎖相環(huán)重要組成部分的環(huán)路濾波器，其時間參數(shù)不僅決定了鎖相環(huán)對于輸入信號的跟隨速度，而且限制了鎖相環(huán)對輸入信號的捕捉范圍?？紤]電路結(jié)構(gòu)簡單和調(diào)節(jié)方便，本文中采用無源比例積分濾波器[18]。并且根據(jù)CD4046B的Datasheet合理地設(shè)定C1、R1和R2的取值，設(shè)定鎖相環(huán)路的中心頻率為12 kHz，頻率鎖定范圍為9～15 kHz。

3.2 仿真結(jié)果與分析

圖5為當(dāng)輸入9、12、15 kHz方波信號時鎖相環(huán)電路輸出信號波形圖。由圖5(a)可知在0 s時刻輸入9 kHz方波信號，在0.41 ms時刻鎖相環(huán)開始捕捉信號，在12.7 ms時刻完成信號捕捉并且成功鎖定其相位，鎖相環(huán)此時輸出的方波信號頻率同步輸入信號頻率且相位相同。由圖5(b)可知在0 s時刻輸入12 kHz方波信號，在0.17 ms時刻鎖相環(huán)開始捕捉信號，在16.9 ms時刻完成信號捕捉并且成功鎖定其相位，鎖相環(huán)此時輸出的方波信號頻率同步輸入信號頻率且相位相同。由圖5(c)可知在0 s時刻輸入15 kHz方波信號，在0.19 ms時刻鎖相環(huán)開始捕捉信號，在19.15 ms時刻完成信號捕捉并且成功鎖定其相位，鎖相環(huán)此時輸出的方波信號頻率同步輸入信號頻率且相位相同。

圖4 CD4046B鎖相環(huán)電路圖

(a)輸入為9 kHz時鎖相環(huán)電路輸出信號波形圖

(b)輸入為12 kHz時鎖相環(huán)電路輸出信號波形圖

(c)輸入為15 kHz時鎖相環(huán)電路輸出信號波形圖圖5 鎖相環(huán)電路輸出信號波形圖

4 實驗結(jié)果與分析

圖6為閉環(huán)頻率跟蹤電路實物圖。

圖6 頻率跟蹤電路實物圖

在實驗室環(huán)境對設(shè)計的電路進行了一系列實驗，檢驗本文設(shè)計的電路的準確性和可靠性。實驗中分別設(shè)置幅值為2 mV，頻率為18、24、30 kHz的3種正弦波信號來模擬硅微諧振式壓力傳感器的輸出信號。將這3種正弦波信號輸入到放大電路的輸入端，其輸出的信號如圖7所示。

(a)輸入信號為18 kHz

(b)輸入信號為24 kHz

(c)輸入信號為30 kHz圖7 不同頻率輸入信號下的輸出信號波形

如表1所示，閉環(huán)頻率跟蹤電路在不同頻率的輸入信號下可以在20 ms內(nèi)輸出穩(wěn)定的信號，輸出信號幅值能夠保持在6 mV左右，幅值誤差保持在0.3 mV內(nèi)，輸出信號頻率誤差保持在1 Hz以內(nèi)。實驗結(jié)果表明，該電路實現(xiàn)了對頻率變化的高速高精度的跟蹤測量，并且輸出信號能夠滿足硅微諧振式壓力傳感器激勵信號的要求。

表1 實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文利用CD4046B集成鎖相環(huán)鑒相器Ⅱ固定相差為0°的特點完成了靜電激勵/壓阻檢測的硅微諧振式壓力傳感器閉環(huán)頻率跟蹤電路的設(shè)計。并用實驗對該電路的有效性和準確性進行了驗證，實驗結(jié)果表明該電路實現(xiàn)了在18～30 kHz頻率范圍內(nèi)對傳感器輸出信號的實時高速(<20 ms)的測量，并且能夠通過后級信號調(diào)理電路將鎖相環(huán)輸出的方波信號整形成滿足傳感器激勵信號條件的正弦波信號輸入到傳感器中。