基于ＦＰＧＡ的硅諧振壓力微傳感器數字閉環系統設計

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系統的基本工作原理，在成功研制出模擬閉環系統的基礎上，為了克服模擬系統的不足，依據相關檢測原理和頻率掃描技術提出了基于FPGA的閉環系統設計框架，詳細分析了該系統中的微弱信號檢測技術和數字電路部分數字信號處理及接口技術，最后結合實際數據和開環測試曲線，指出可用的掃頻方法。

關鍵詞：硅諧振微傳感器；頻率掃描；數字信號處理；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，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”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，在中國航空工業總公司的支持下，開始硅諧振壓力微傳感器閉環測試系統的研究與開發。目前，已先后研制成功了基于“鎖相＋分頻”原理的模擬閉環系統［2］和以DSP為核心的復合音叉諧振式壓力微傳感器閉環系統［3］。前者由于不可避免地存在相當多的分立器件，使得系統在穩定性，抗干擾性及微型化等方面還有待改善，而將其數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。考慮到FPGA器件集成度高，速度快，接口豐富，易于調試驗證等優點，本文嘗試以FPGA為核心，以相關和掃頻為關鍵技術設計硅諧振式壓力微傳感器閉環系統。}

1 系統整體設計

硅諧振壓力微傳感器數字閉環系統主要實現傳感器在工作頻率范圍內產生可靠諧振，并且當被測壓力發生變化時，其諧振頻率能實時可靠地改變從而實現對被測壓力的測量。該閉環系統的設計主要有3個難點：系統起振；諧振狀態判斷即微弱信號處理；諧振狀態的維持。針對這些問題，引入相關檢測和頻率掃描的方法，其系統框圖如圖1所示。DDS模塊輸出一個數字化的正弦信號，經D/A轉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輸出經倍頻后的參考信號。數字處理模塊并最終用相關檢測方法將傳感器信號解調出來。掃頻模塊通過相應的掃頻算法進行頻率搜索，計算下一步DDS應該輸出的信號頻率，如此形成閉環控制，并最終找到諧振傳感器的諧振頻率點。而此時，系統工作在一個穩定的狀態，直到外界環境(例如壓力)發生改變使得傳感器諧振頻率發生改變而破壞平衡，從而開始新一輪的掃頻。