提高硅微谐振系统性能的一项有效措施

　　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

　　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。

　　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。