多环谐振式微机械陀螺频率跟踪电路研究

由于多环谐振式微机械陀螺的谐振频率较高,传统的数字控制电路对陀螺幅点信号的频率跟踪难以同时兼顾精度和速度的要求。在传统半球陀螺数字控制电路的基础上,提出了一种适用于多环谐振式微机械陀螺仪的频率跟踪电路,并首次运用于多环谐振式微机械陀螺。该电路以高速A/D转换电路为基础,通过对幅点信号高速采样计算频率和相位信息,并通过CORDIC算法产生输出信号。测试结果显示,该电路使多环谐振式微机械陀螺幅点信号的频率跟踪精度达到了0.78Hz,频率跟踪时间小于40μs,使控制电路的性能得到了极大提升。     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

热激励硅谐振梁压力传感器闭环数据采集系统

利用正反馈闭环谐振原理,采用偏置交流激振、一倍频拾振的方法,设计了闭环谐振电路和相应的数据采集电路,并对该电路进行了综合调试.实验结果表明,该系统实现了该传感器频率信号的自动跟踪和信号转换,以及快速、准确采集压力数据的功能,采集频率范围为30～100kHz,频率采集精度为±1Hz,温度采集精度为0.03℃.     

热激励硅谐振梁压力传感器闭环数据采集系统

利用正反馈闭环谐振原理,采用偏置交流激振、一倍频拾振的方法,设计了闭环谐振电路和相应的数据采集电路,并对该电路进行了综合调试.实验结果表明,该系统实现了该传感器频率信号的自动跟踪和信号转换,以及快速、准确采集压力数据的功能,采集频率范围为30～10 0kHz ,频率采集精度为±1Hz,温度采集精度为0 0 3℃.     

压电谐振器双闭环驱动电路研究

压电谐振器是谐振式传感器和执行器的核心部件,通常工作在共振和稳幅状态。采用一种锁相环(PLL)和自动增益(AGC)相结合的双闭环控制驱动电路,分别实现了谐振器共振频率的跟踪激励和压电振子输出信号的稳幅控制。优化设计了双闭环电路中各元器件参数,使得压电振子能稳定工作在谐振频率点。参照压电谐振器开环测试数据和闭环测试数据,双闭环驱动电路能将谐振器相位锁定在59°(误差3°),输出信号峰峰值稳定在12.8V(误差0.2V)。实验结果表明,该电路设计能够达到稳定谐振器输出信号幅值和跟踪谐振器共振频率的目的。     

高精度MEMS硅谐振压力传感器闭环控制系统

硅谐振压力传感器因其数字频率信号输出和高精度的特点,被广泛应用于航空航天、工业控制等领域。硅谐振压力传感器的闭环控制系统决定硅谐振压力传感器的性能指标,系统的稳定性分析和参数优化则是谐振传感器的研究难点。基于系统状态方程从理论上推导了控制策略,提出系统稳定性判定依据。利用Simulink仿真搭建系统模型,并通过电路测试验证。结果表明,在满足稳定性判据的条件下,研制的硅谐振压力传感器基频为42 kHz,品质因数为30 000。在量程范围为3～130 kPa、温度为-55～85℃时,该谐振压力传感器的精度高达0.01%F.S.,实现了恒幅控制与实时频率跟踪。     

基于磁感应频率跟踪的逆变电源研究与设计

针对近距离高频磁感应能量传输系统中距离改变会使谐振频率发生变化,导致效率降低的问题,提出一种基于74HC4046AD锁相环的频率跟踪驱动方案,该方案可以实现谐振频率的自动跟踪,在proteus环境下对中心频率为100 kHz的逆变电源系统和锁相功能进行仿真。设计并制作基于频率跟踪的逆变电源样机,通过样机对输出情况进行跟踪反馈。仿真实验结果表明,该系统输出性能良好,验证了频率跟踪的有效性,实现了功率管的软开关工作模式。     

基于频率搜索和跟踪的压电超声电源设计

针对洁牙机的超声电源在工作时难以快速搜索到压电陶瓷换能器谐振点,长时间工作引起大功率器件发热量过大致使系统产生谐振漂移、不能稳定工作的问题,提出了一种基于频率自动搜索与跟踪的超声洁牙机驱动电源设计。该设计通过STM32单片机控制输出步进PWM,基于最大反馈电流设计变步长法快速搜索谐振频率;再利用相位检测技术将换能器输出的电压电流相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32单片机进行PID控制,改变PWM占空比调节电路的振荡频率使系统始终工作于谐振状态,实现谐振频率的自动跟踪,并基于此设计出超声电源电路与控制软件。实验结果表明,该超声电源能快速搜索到换能器的谐振频率,并对谐振频率自动跟踪,使系统能稳定、长时间地工作。     

基于FPGA的硅谐振压力微传感器数字闭环系统设计

在微小型特别是硅谐振微传感器中,低信噪比的微弱信号检测,电路的小型化和抗干扰等问题十分突出。介绍了硅谐振压力微传感器闭环系统的基本工作原理,在成功研制出模拟闭环系统的基础上,为了克服模拟系统的不足,依据相关检测原理和频率扫描技术提出了基于FPGA的闭环系统设计框架,详细分析了该系统中的微弱信号检测技术和数字电路部分数字信号处理及接口技术,最后结合实际数据和开环测试曲线,指出可用的扫频方法。     

A readout system for passive pressure sensors

This paper presents a readout system for the passive pressure sensors which consist of a pressure- sensitive capacitor and an inductance coil to form an LC circuit. The LC circuit transforms the pressure variation into the LC resonant frequency shift. The proposed system is composed of a reader antenna inductively coupled to the sensor inductor, a measurement circuit, and a PC post-processing unit. The measurement circuit generates a DC output voltage related to the sensor＇s resonant frequency and converts the output voltage into digital form. The PC post-processing unit processes the digital data and calculates the sensor＇s resonant frequency. To test the performance of the readout system, a sensor is designed and fabricated based on low temperature co-fired ceramic （LTCC）, and a series of testing experiments is carried out. The experimental results show good agreement with the impedance analyzer＇s results, their error is less than 2.5%, and the measured values are almost insensitive to the variation of readout distance. It proves that the proposed system is effective practically.     

基于74HC4046AD的感应加热电源设计

针对感应加热过程中,铁质负载的电阻率和磁导率会发生变化,使谐振频率发生变化的情况,文中介绍了一种锁相驱动方案。该方案可以实现负载频率自动跟踪,它的电路包括锁相环电路、同步信号提取电路和隔离驱动电路三部分。其中锁相电路实现负载频率的跟踪,同步信号提取电路和隔离驱动电路实现IGBT驱动。设计并制作一台2.5 kW/20 kHz感应加热电源样机,通过给注塑机炮筒加热,实验数据表明锁相驱动方案锁相稳定。     

基于振弦式传感器测频系统的设计

设计了一种基于振弦式传感器的测频系统,介绍了振弦式传感器的工作原理,详细介绍了测频系统的设计思想、硬件电路组成及工作原理和软件设计流程。本测频系统具有硬件电路简单、激振可靠、激振频率可控、信号灵敏度高等特点,大大缩短了现场测量与计算时间,减轻了劳动强度,提高了测量计算准确度。     

压电式微固体模态陀螺谐振频率自动跟踪电路

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时,感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路,使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压,驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差,作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明,当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时,振子感应电极输出信号最大,振子处于谐振状态,实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。     

基于固定频率激光器的低成本闭环谐振陀螺系统仿真

提出了一种使用固定频率窄线宽激光器作为干涉光源的闭环谐振式光纤陀螺系统.该系统利用相位调制器对干涉光进行移频控制,完成对谐振腔逆时针方向谐振频率的跟踪和锁定.建立了陀螺系统Simulink模型并仿真研究了不同速率点下的陀螺输出特性,结果表明,±200(°)/s速率范围内逆时针谐振频率锁定时间小于15 ms,陀螺标度因数非线性为2.41×10-4.与采用传统频率可调谐窄线宽激光器的闭环谐振式光纤陀螺系统相比,两者锁频时间和标度因数非线性基本一致.该研究为低成本闭环谐振式光纤陀螺系统的实现提供了理论和数据支撑.     

36kV/10kW CO2激光器充电电源的研制

为了改善现有CO2激光器工频LC谐振充电时充电电压随激光器工作频率升高而降低、影响激光输出的稳定性和光束质量,不利于装置的小型化和轻量化的问题。采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路,研究了36kV/10kW高频高压充电电源。该电源系统采用三相380V交流电作为供电系统,大功率智能功率模块作为全桥逆变电路。逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电,电源应用电压电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大后,反馈到电源控制芯片SG3525,芯片SG3525通过判断反馈信号的大小,控制输出脉冲宽度调制驱动信号的占空比。激光器放电频率为25Hz时,电源输出电压为37kV,峰值输出功率为13.05kW,充电效率为0.826。结果表明,该高频高压充电电源适合用作CO2激光器的高压充电电源。     

一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器

该文提出了一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。利用自动增益控制的原理实现闭环自激驱动,使得微传感器能够始终工作在谐振状态,且振动幅度保持稳定。用matlab-simulink工具对系统进行了仿真,结果表明,当传感器的谐振频率发生0.5%的漂移时,系统可以重新捕捉并锁定到新的谐振频率,和开环驱动方案相比,传感器振幅的衰减度从30%降低到0.1%之内,灵敏度从缩减50%改进到缩减0.1%之内。     

谐振式陀螺微球腔谐振频率跟踪锁定技术研究

理论上分析了谐振式陀螺系统中的传输特性和正弦波调制特性。为了实现谐振频率的跟踪锁定,设计并搭建了谐振频率跟踪锁定试验系统。通过正弦波调制、解调得到了谐振频率跟踪锁定需要的鉴频曲线。利用PID反馈控制电路和得到的鉴频曲线实现了谐振频率的跟踪锁定,并进一步评估得到了谐振频率跟踪锁定的精度和稳定度。为光学微谐振腔的谐振频率跟踪锁定技术的深入研究提供了参考。     

一种上变频自供电无线传感器电源管理电路

电线周围的电磁场能量密度低,电磁换能器采集到的能量通常无法直接驱动无线传感器正常工作.论文采用上变频技术,设计了一种自供电电源管理电路来提高能量采集效率.由于电路的输出功率与品质因数成正比,且品质因数的大小与电路谐振电容的根号值成反比,因此通过提高电路的工作频率来减小谐振电容值,可以使高品质因数的电路产生更高的输出功率,进而增加能量采集效率.实验结果表明,该电路的最大能量采集效率是传统桥式整流电路的2.1倍.当电线中通过1A、50Hz的交流电时,电源管理电路最大采集功率为780μW,能量采集效率达到48.75%.当管理电路中超级电容能量积累达到一定程度,电容放电驱动无线传感器工作.