[发明专利]一种直接测量弱耦合谐振器的振幅比的装置

权利要求书

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。