基于DSP和DDS技术的硅微谐振器智能驱动源设计

　　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],微结构的机械振动方式简单,谐振器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,而品质因数高,是一种常见的理想驱动器。静电梳状驱动器(ECS)是包括振荡器、微加速度计、微陀螺及微电动机等在内的微机电系统的核心组成部件。可作为执行器和传感器用。静电梳状驱动谐振器是由加州大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(BSAC,Berkeley SensorActuatorCenter)于1989年研制成功的。它的静电驱动力为

　　式中,n为活动梳齿上叉指个数;ε为介电常数;h为梳齿的厚度; d0为梳齿的宽度; U0是直流偏置电压;Udsinωt是交流驱动电压。

　　由此可见,对已经设计好的微陀螺谐振器结构而言,驱动力的大小主要与直流偏置电压U0和交流电压幅值Ud的乘积有关。当驱动电压的频率与支撑系统的固有频率相一致时(工作在谐振状态),由于横向阻尼较小,又在高真空状态下,谐振器品质因数很高,此时,活动梳齿将有最大振幅,驱动速度近似为

　　式中,kx为活动梳齿的支承系统沿x方向的刚度系数,当驱动谐振器工作在谐振状态时,陀螺在敏感轴方向能获得最大的哥氏力。但在空气中谐振器的Q值较低,用模拟自激的方法很难实现,而在真空高Q高频谐振点的情况下,对未知谐振点实现人工搜索比较困难,为此,本设计智能驱动系统,使它不仅能满足谐振器进行幅频响应的扫频记录工作,而且也能实现对驱动谐振器进行稳频稳幅的驱动闭环控制。

　　1　系统设计框图

　　智能驱动系统的框图如图1所示。当DDS(直接数字合成)发生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时,由于存在静电力矩的作用导致MEMS(微机电系统)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,由DSP芯片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———即最大谐振点处。此时系统工作稳定处于一个平衡状态。对DDS输出变频信号的过程中,要始终保持输出的幅度恒定。本系统中采用自动增益控制(AGC),可以使幅度精度控制在0.1mV左右,完全满足系统检测精度的要求。本系统的微弱信号检测采用低漂移低噪声的电荷放大器。位移信号的相关检测采用稳幅开关解调方案,这比用乘法器解调的精度要高得多。A/D转换器使用16 bit的AD677,它与DSP的接口方便,而且精度能满足实验的要求。