《1 引言》

1 引言

硅微型静电梳状驱动谐振器是各种微惯性仪表中的核心部件 [1], 其工艺与微机械加工技术兼容。谐振器的频带宽度窄, 横向驱动阻力小, 而品质因素高, 是一种常见的微机电系统的理想组成部件。用它实现的惯性仪表正愈来愈广泛地应用于航天测控和车载导航系统中。由于它的工作机理是静电驱动, 且谐振器的工作稳定性直接关系到惯性仪表的精度, 所以在检测极微小电容的情况下, 对谐振器的驱动源提出了非常高的要求。设计了多种驱动源并对其性能进行比较之后, 发现经典的文氏桥振荡器和模拟集成芯片XR2206等产生的正弦信号频率和幅度稳定性较差, 使用自动增益控制 (AGC) 技术也不能保证两者都能满足指标要求。后来采用了数字技术的脉宽调制 (PWM) 技术和晶振分频滤波法。PWM技术采用TI公司的2X系列的DSP专用接口进行编程实现, 再通过高阶低通滤波器处理, 频率得到稳定, 但幅度稳定性很不理想;晶振分频滤波法产生的正弦信号虽然频率稳定, 但是幅度稳定性不理想, 且很容易出现谐波失真, 甚至出现时钟噪声和波形畸变的现象。采用AD公司最新的集成DDS芯片AD9954 [2]来构建高性能的驱动源, 能保证谐振器稳定地工作。

《2 硅微谐振系统结构》

2 硅微谐振系统结构

硅微谐振闭环系统的框图如图1所示, 当DDS芯片AD9954信号合成器产生一个初始的稳频稳幅的正弦信号和参考直流信号共同施加到硅微谐振器的两侧驱动电极上, 由于存在静电力矩的作用导致MEMS谐振器发生同频振动。此时微弱信号提取模块将位移电流检测出来并放大到适当的程度, 再通过相关检测方法将振动幅度解调出来。经过高精度的A/D转换器将转换的结果送到DSP处理器, 由DSP处理器根据谐振器响应曲线进行算法搜索, 计算下一步DDS发生器应该产生的信号频率。如此闭环控制, 最终找到谐振器的最佳工作点——最大谐振点处, 系统工作稳定于一个平衡状态。对数字信号处理 (DDS) 输出变频信号的过程中, 要始终保证输出的幅度恒定。该系统中采用AGC, 可以使幅度精度控制在0.1 mV左右, 完全满足系统检测精度的要求。该系统的微弱信号检测采用低漂移低噪声的电荷放大器 [3]。位移信号的相关检测采用稳幅开关解调方案, 这比用乘法器解调方法的精度要高得多。A/D转换器使用16 b的AD677, 它与DSP的接口方便连接, 而且控制速度和精度均能满足实验要求。

《图1 硅微谐振闭环系统驱动框图》

图1 硅微谐振闭环系统驱动框图 Fig.1 Micro-silicon resonator closed loop driving system frame

 

《3 基于AD9954的系统工作原理》

3 基于AD9954的系统工作原理

AD9954通过采用相位累加循环查固定COS函数表的方法, 将COS函数值通过内置高速、高

性能的14 b D/A转换输出, 实现数字编程控制的高精度频率合成器, 产生高达200 MHz的正弦波, 并通过低通滤波反馈回内置超高速比较器, 产生同频的方波, 这些信号都可以作为硅微谐振器的驱动源;同时, AD9954内含1024×32 b静态双向RAM, 利用该RAM实现高速调制, 并支持几种扫频模式, AD9954还提供自定义的线性扫频操作模式 (区别于RAM方式) 。AD9954内部总共有11个32 B的寄存器, 地址编号分别从0x00号到0x0B号, 它们的功能映像与工作模式有关。通过AD9954的串行I/O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率和幅度输出稳定性。

AD9954的工作模式如表1所示。

《表1 AD9954的工作模式表》

表1 AD9954的工作模式表 Table 1 Working mode table of AD9954

 

 

模式名称 实现功能 模式控制位
  单一模式 默认方式, 输出单一频率信号 CFR<31>=0: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=***
  直接切换 可以实现多进制FSK和PSK调制 CFR<31>=1: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=000

RAM控制
操作模式		 上斜坡 从任选内存段首地址到末地址, 按扫描定时器间隔逐一装载频率字 (单向一次) CFR<31>=1: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=001
  双向斜坡 通过控制方向位实现从内存段首地址到末地址及其反方向的扫描, 且可以被中断反向 CFR<31>=1: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=010
  连续双向斜坡 从任选内存段首地址到末地址之间, 循环往复按扫描定时器间隔逐一装载频率字 CFR<31>=1: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=011
  连续循环 从任选内存段首地址到末地址, 按扫描定时器间隔逐一装载频率字, 并且循环单向 CFR<31>=1: 启动RAM工作方式, RSCW〈7∶5〉=100

线性扫
描方式		 一般线性扫描 检测PS〈0〉高电平时, 上斜坡按Δf1从FTW0增频至FTW1, 然后等待PS〈0〉为低电平下斜坡按△f2从FTW1减频至FTW0 CFR<21>=1: 启动线性扫描方式,
CFR<31>=0: 屏蔽RAM工作方式
  特殊线性扫描 检测PS〈0〉上升沿, 上斜坡按△f从FTW0增频至FTW1, 然后跳回FTW0等待PS〈0〉上升沿再次触发 CFR<21>=1: 启动线性扫描方式
CFR<31>=0: 屏蔽RAM工作方式

说明:CFR<n>表示CFR (地址为0x00的寄存器) 的第n位。RSCW#〈m∶n〉表示RSCW# (地址为0x07-0x0A的寄存器) 的第n到m位。

 

该系统中AD9954的工作方式主要分为粗扫描阶段和精搜索阶段, 如图2所示。

《图2 DDS扫描工作流程》

图2 DDS扫描工作流程 Fig.2 Sweeping working flow of DDS

 

1) 粗扫描阶段

当硅微谐振器件的工作谐振频率未知的情况下, 仅仅根据机械设计和加工理论值估算确定硅微谐振器的谐振频率范围, 首先将AD9954设定在RMA控制操作模式中的上斜坡模式, 将频率范围进行较大频率间隔离散化, 频率间隔ΔF取值可在几赫兹至几十赫兹之间, RAM的存储空间最大为1 024个32 b频率控制字,

扫频范围可达几百赫兹;将这些离散频率按顺序写入到AD9954的4个内存段中。然后启动RAM工作方式, 同时DSP对振动幅度信号进行检测并做同步记录。这样, 当4个内存段存储的频率字从首地址到尾地址被扫描完毕后, 一条大致的谐振响应曲线就显现出来, 接着需要对响应数据进行分析处理, 判断最高峰值频率点所在的局部频率区。根据经验曲线知道, 有的谐振器存在加工缺陷, 可能含有若干个不等峰点, 需要划分为若干个局部区间再作进一步处理, 该阶段的操作流程见图2a。

2) 精搜索阶段

在粗扫描阶段找出峰值点所在的局部频率区后, 需要将DDS的工作模式由RAM上斜坡模式切换至线性特殊方式, 同时需要向地址为0x04, 0x06的寄存器单元分别写入初始频率字FTW0和末尾频率字FTW1, 再在地址为0x07, 0x08寄存器单元分别写入下降频率间隔Δffall、下降定时时钟数ΔTfall和上升频率间隔Δfrise、上升定时时钟数ΔTrise。取Δffall=Δfrise=Δf, 则ΔTfall=ΔTrise;实际操作中主要控制DDS工作在上升阶段, 通过控制AD9850的PS〈0〉引脚的输入电平来确定频率扫描的斜率极性。

在执行DDS扫频过程同时, DSP需要记录谐振器响应幅度, 判断初始频率字FTW0和末尾频率字FTW1之间的最高频率和次高频率点。然后判断Δf是否满足要求。如果Δf间隔较大, 可以进一步缩小Δf, 再将上面获得的最高频率和次高频率点分别作为新的初始频率字FTW0和末尾频率字FTW1再进行新一轮的线性扫描。如此往复操作, 直至Δf达到要求的精度为止。该系统最终的Δf取0.1 Hz。 通过粗扫描阶段和精搜索阶段的操作, Δf分别取50 Hz→2 Hz→0.1 Hz, 通过3个阶段的处理最终获得系统最佳谐振点。该方法能优化智能搜索且扫描速度快, 充分发挥基于DSP和DDS技术相结合的优点, 该阶段的操作流程见图2b。

《4 AD9954与DSP的硬件接口》

4 AD9954与DSP的硬件接口

在TMS320C5416与AD9954的串行接口中 [4], 选择DSP的片内McBsp0作为连接方式, AD9954作为从器件, DSP作为主器件。AD9954的串行操作分为指令阶段和通信阶段, 指令阶段用来指定对某个寄存器进行读或写的操作。其规定的指令字格式如表2所示。

《表2 AD9954规定的指令格式表》

表2 AD9954规定的指令格式表 Table 2 Command format table of AD9954

 

 

MSB D6 D5 D4 D3 D2 D1 LSB
R/W X X A4 A3 A2 A1 A0
读或写 无关 被操作的寄存器地址

 

 

在通信阶段, DSP需要根据被操作的寄存器或RAM的实际大小, 连续读或写若干个8 b字节的数据。而且每个字节中的每个位都是在SCLK的上升沿有效, MSB和LSB的先行顺序由DDS的控制位CFR1〈8〉决定。连接图和工作时序如图3所示。

《图3 DDS串口连接图及操作时序》

图3 DDS串口连接图及操作时序 Fig.3 DDS serial bus interface and timing graph

 

5 实验结果及结论

在不同真空度下基于DDS器件AD9954的硅微谐振系统的扫频曲线如图4所示, 最终高精度地收敛到最大谐振点。

《图4 谐振器在不同真空度环境下的扫频曲线》

图4 谐振器在不同真空度环境下的扫频曲线 Fig.4 The sweeping curve of resonator in different vacuum circumstance

 

图4a和图4b分别是该系统对45号硅微谐振器在不同真空度下扫频的结果。可以发现, 在空气状态下, DSP扫描处理后的曲线反映谐振器的Q值较低, 约为100, 而且出现若干拐点和不等峰点;在真空度为100 Pa的情况下, 系统扫描记录拟合后的曲线表明谐振器的Q值非常高, 约为3 000, 且峰点单一。综上所述, 在扫描的粗阶段时, 需要对空气中进行多个局部扫描, 防止遗漏真实的峰点。

基于新型高性能DDS器件AD9954的硅微驱动器智能驱动源, 可以方便地实现对微惯性器件中的谐振传感器部件的驱动和测试, 与传统的人工干预方法相比具有明显的优势。

《6 结论》

6 结论

通过实验可得出:

1) 采用高性能DSP芯片作为控制核心器件, 使扫频过程快捷, 能充分发挥其可编程易实现算法的重要特点。

2) 充分利用集成化的DDS芯片AD9954, 采用多种智能优化的分阶段扫频方式, 有利于驱动信号频率的数字化和高精度可调, 而且与DSP的接口容易实现, 大大提高了搜索的智能程度。

3) 在进行搜频算法的研究过程中, 针对不同真空度环境提出使用相应的方法, 使搜索过程准确有效, 在一定程度上保证了系统的精度和缩短了搜索时间。

《参考文献》

参考文献

[1] 王寿荣.硅微型惯性器件理论及应用[M].南京:东南大学出版社, 2000

[2] Analog Devices Inc.400 MSPS 14-Bit, 1.8 V CMOSDirect Digital Synthesizer, Data Sheets[M].AnalogDevices Inc, Norwood, Mass, American, 2003

[3] 李万玉, 阮爱武, 罗晋生, 等.硅微机械陀螺接口检测技术的研究[J].微电子学, 1999, 29 (5) :344~346

[4] 张玉梅.基于DSP和DDS的高精度频率信号源实现[J].电子工程师, 2004, 30 (1) :43~45