发布于:2006/9/6 9:59:11 | 1490 次阅读
摘要:一种用于微机械惯性传感器研制与开发的检测平台,介绍电容式惯性传感器微电容信号的检测原理、该系统的总体结构、各个组成部分的工作原理及自动检测方法。 2 微电容检测技术 在MMG检测技术中,利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移,获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小,为了得到10°/h的中等,要求电容测量分辨率达到(0.01×10-15)~(1×10-18)法拉。因此,对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说,检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种:开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种:开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。 2.1 开关电容电路 其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序,如图2所示。 在测量过程中,先将未知电容(C1、C2)充电至已知电压Vref,然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制,不断重复,使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电,电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器,得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入,可得电容检测电路的传递函数为: Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0] 2.2 单位增益放大器电路 AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50(5g的微机械加速度计)采用了单位增益放大电路。 图3是单位增益放大器的等效电路。 图3中,Cp为分布电容,Cgs为前置级输入电容,Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时,前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午,前置级有用信号输出为: (Vs-Vout)jω(C0+ΔC)+(-Vs-Vout)jω(C0-ΔC) =Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs ∵ Rgs→∞ ∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs 分布电容Cp约为10pF,输入电容Cgs约为1~10pF,一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出,它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度,就必须消除Cp、Cgs的影响,通常采用的措施等电位屏蔽。 2.3 电荷放大器电路 电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容,Cf为标准反馈电容,Rf用来为放大器提供直流通道,保持电路正常工作。应选取Rf,使时间常数RfCf远大于载波周期,以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络,替代大阻值电阻。 若运算放大器具有足够的开环增益,反相输入端为很好的虚地,那么,两输入端点之间的电位差为零。因此,反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说,结构要简单,不需考虑等电位屏蔽问题;只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容,即进行合理的对地屏蔽,就能获得较好的效果。 尽管在电荷放大电路中,可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容,但是在检测微小电容变化时,输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/(2πRfCf)和小于放大器的截止频率时,输出电压Vout应该表示为: Vout=-[(C1-C2)/(Cio+Cf)]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]Vs 3 检测平台的系统构成及工作原理 该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后,传感器的动片即处于振动状态,上下极板间的电容发生周期变化,采用电荷放大器电路将该信号提取出来,经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中,观察传感器的输出响应,为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。 3.1 激励信号发生器 根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理,最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波,每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性,需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间,激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外,陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积,所以还要施加正或负的直流偏置,使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。 表1 交流相位和直流偏置组合
数字信号发生器具有控制灵活的优点,但是输出信号不够平滑,其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合,还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大:几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量,采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器,其原理如图7。 通带的截止频率是由电压Ec控制的,输出是OUTPUTA,截止频率: fc=Ec/[(20V) πRC] OUTPUTB处是乘法器的直接输出端,截止频率与RC滤波器相同: f1=1/(2πRC) 这种滤波器结构简单,没有开关电容,噪声小,一般采用数模转换器控制Ec,控制通带频率也比较容易。 3.3 交流放大器 微机械惯性传感器在施加激励信号后,即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC,此电压信号仍然很弹,需要进一步放大处理,于是采用图8所示的交流放大器。 交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成,进一步放大被测信号,同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关,通过控制模拟开关的开合,可以任意选择某级或某几级放大器参加工作,实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如,将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合,其他开关全部打开,交流放大器的总放大器数即为:(-1)×(-2)×(-10)=-20。 3.4 数据采集系统 使用计算机总线,与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中,然后成组地向主机传送,从而有效地发挥了主、从、资源的效率,且设计也相对简单。 3.4.1 系统工作原理 系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后,CPU资源向其他请求开放,逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样,并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时,逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序,向逻辑控制模块发出命令,决定是否继续采样,并将RAM内的数据读入内存。 3.4.2 硬件设计 本设计使用Cypress公司的CY7C136(2k×8bit)双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时,有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个:一种是监测busy信号输出,当检测到busy信号有效,就使访问周期拉长,这是从硬件上解决;另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元,即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者,将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。 在系统中,逻辑控制模块的作用非同小可,是控制采样、存储、与计算机接口的。本系统为方便对采样速率等参数进行设置,在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。 与主机的信息交换包括: (1)接收主机控制信号,以决定是否开始采样; (2)在存储区满后,向主机发中断请求。 本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元,对其进行写操作,将采样结果存入相应的单元。 3.4.3 软件设计 系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分,软件流程见图10。 至于系统的采样速率,一般通过调用定时中断来实现。 微机械惯性通用检测系统针对性强(专用于微机械陀螺仪和加速度计),可实现敏感元件的自动测试,自动扫频测出传感器的谐振频率、Q值等,并且还可以在一定程度上实现硬件功能再调整,在实际检测中取得了较好的效果。 |
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