[发明专利]一种硅微谐振式压力传感器闭环检测系统

说明书

本发明公开了一种硅微谐振式压力传感器闭环检测系统，包括模拟电路模块和数字电路模块，所述模拟电路模块由前置放大模块、信号处理模块和激励模块组成，所述数字电路模块由模数转换模块、全数字锁相环模块和数模转换模块组成，所述前置放大模块由检测电路和放大滤波电路组成，所述信号处理模块由移相器组成，所述全数字锁相环模块由分频器、数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器组成。本发明避免了模拟电路存在的电路结构复杂，信号抗干扰性弱，波形失真，零点漂移等缺点，相比于模拟锁相环，分频器可根据输入信号不同进行设置，满足二分频，三分频等，不易受到外界温度和电压的影响，抗干扰性能更强且具有更高的精度。

技术领域

本发明涉及谐振式压力传感器技术领域，尤其涉及一种硅微谐振式压力传感器闭环检测系统。

背景技术

上世纪90年代后，采用单晶体硅材料和微机械加工工艺的硅微谐振式压力传感器逐渐发展起来。硅微谐振式传感器主要优点有：一是测量精度是传感器的主要参数，而频率和周期相比于电阻值、电容值等，具有更高的测量精度，为最佳的测量对象；二是作为一个信号，频率信号相比幅值信号具有更强的抗干扰能力；三是硅微谐振式压力传感器测试精度主要是受谐振微结构机械性能的影响，本身存在的温漂和电路噪声对其测量精度的影响是远小于结构机械性能的影响，从测量总精度便可知，压阻式和电容式测量总精度通常只能达到0.1％，而谐振式硅微传感器一般可达到测量总精度为0.01％。

硅微谐振式压力传感器的激励有开环激励和闭环激励两种。开环激励是对传感器施加一个与传感器中谐振器谐振频率相同的激励使其以固有频率起振。开环激励的优点在于激励电路较为简单，而缺点在于输入激励不能自动跟随谐振器谐振频率的变化而变化，这对硅微谐振式压力传感器的检测带来较大影响。闭环工作模式可以提高谐振频率测量精度和速度、扩大量程，并且能改善系统的动态特性。使用闭环自激谐振频率检测电路，当环境压力变化时，通过闭环系统的反馈作用，谐振器的输出频率会相应地做出响应，自动地使谐振器始终处于谐振状态，输出信号能够自动实时地反映出被测参量的信息，提高了系统的灵敏度和测量精度。

谐振式压力传感器的闭环系统可分为自激振荡、自动增益控制、锁相环三种。自激振荡闭环是通过调节驱动静电力的直流分量来构成反馈闭环，自动增益控制环路是通过控制驱动静电力的交流分量来构成反馈闭环，锁相环路是通过锁定相位实现闭环谐振的。目前基于锁相环的闭环自激系统只能跟踪频率的变化而无法跟踪相位的变化，容易破坏闭环系统维持在自激状态所需的相位条件。如果锁相环锁定以后的相差不固定，那么每次谐振频率的变化都会引起系统的相位发生变化，降低了系统的稳定性和输出信号频率的可靠性。

现有技术不管基于自动增益控制还是基于锁相环技术，大多采用模拟电路的方式或者是部分采用数字电路，都存在的一些缺点，例如电路结构复杂，信号抗干扰性弱，波形失真，零点漂移等。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硅微谐振式压力传感器闭环检测系统，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅微谐振式压力传感器闭环检测系统，包括模拟电路模块和数字电路模块，所述模拟电路模块由前置放大模块、信号处理模块和激励模块组成，所述数字电路模块由模数转换模块、全数字锁相环模块和数模转换模块组成，所述前置放大模块由检测电路和放大滤波电路组成，所述信号处理模块由移相器组成，所述全数字锁相环模块由分频器、数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器组成，所述谐振器输出的微弱信号经过检测电路检测再通过放大滤波电路放大，滤除杂波并修整波形，通过移相器对系统的相位进行调整，信号经过模数转换模块后输入到数字鉴相器，在数字鉴相器中与数控振荡器输出的反馈信号进行对比，检测出两者相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，信号经过数字环路滤波器滤波，然后作用于数控振荡器，数控振荡器的输出信号首先经过分频器将信号二分频再经过数模转换模块转换再进入激励模块，缩小其幅值后作为激励信号激励谐振器，实现传感器的全数字锁相环闭环检测系统。