基于傅里叶解调算法的硅微陀螺仪控制系统设计与试验

为了改善硅微陀螺仪控制精度,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的傅里叶解调算法,结合同步倍频采样技术,分别对硅微陀螺仪驱动轴检测信号和敏感轴检测信号进行解调.并借助自动增益控制(AGC)和锁相环(PLL)技术,实现硅微陀螺仪的闭环驱动控制和高精度解调输出.仿真和试验结果表明:相比于乘法解调,傅里叶解调算法具有更好的解调精度和更强的抗噪声能力;驱动振幅控制精度达到7.5×10-6,全温频率跟踪最大误差为50 mHz;试验陀螺的零偏稳定性由采用乘法解调算法的24.83(°)/h提高到采用傅里叶解调算法的10.65(°)/h.试验验证了傅里叶解调算法在硅微陀螺仪数字控制系统中的可行性和有效性.     

硅微陀螺仪零偏温度性能补控方法设计

首先从理论上推导了硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、敏感信号输出及机械热噪声与温度之间的关系,进而说明了温度对陀螺仪零偏输出影响是各非线性因素综合作用的结果.然后,通过部分温度特性试验获得了硅微陀螺仪的模态谐振频率和品质因数随温度变化关系曲线.最后,根据实测零偏试验数据给出了分段多项式温度补偿方法,并进一步结合恒温控制方法...     

基于高精P WM的超声波电源频率跟踪控制

针对超声波换能器谐振频率漂移的问题,提出了一种基于高精P WM的超声波电源频率跟踪控制方法.该方法使用高精度P WM,使超声波电源能跟踪输出更精确的谐振频率,提高电源调频精度,获得较高的输出效率.采用数字锁相环对谐振频率进行跟踪,并对跟踪环路中各部分进行了设计.实验结果表明,该频率跟踪控制系统具有良好的稳定性和较好的调频精度,频率调整分辨率高达0.08Hz,完全满足对超声波换能器工作谐振频率跟踪的要求.     

双H型石英音叉陀螺驱动信号频率跟踪算法的研究

为提高双H型石英音叉陀螺驱动信号的稳定性,基于DSP设计了一种数字化闭环控制电路,依据双H型石英音叉陀螺在串联谐振频率点处工作时驱动叉指振动的幅度随频率变化的影响最小,通过相位控制实现了驱动信号频率的跟踪,并利用希尔伯特变换产生了一对正交的参考信号用作相位检测.实验结果表明,双H型石英音叉陀螺工作稳定后,驱动信号频率跟踪算法的相位标准差为4mrad,精度达到0.003 4Hz.     

微机械谐振陀螺的有限元分析

依据微机械谐振陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对微机械谐振陀螺的设计进行了计算和仿真.首先计算了陀螺的驱动模态固有频率和检测模态的固有频率,分析了在检测方向的输出位移、哥氏力与输入驱动信号频率之间的关系,在这基础上,得出当驱动模态的固有频率与检测模态的固有频率比较接近时,输出哥氏力灵敏度较大.同时还分析了内框架梁与外框架梁对陀螺驱动模态与检测模态固有频率的影响,并以此为基础,提出了调节陀螺驱动模态固有频率与检测模态固有频率的方法.     

压电换能器锁相环频率跟踪的失效分析与解决

为提高碳纤维复合材料超声振动钻孔过程中压电换能器频率跟踪的精度及可靠性,以压电换能器等效电路为基础,分析了目前锁相环频率跟踪系统存在的失锁、误跟踪、死锁和跟踪误差大等4种失效形式的原因,指出抵消静态电容是解决跟踪失效的必由之路.据此提出一种基于静态电容补偿法的锁相环频率跟踪技术,该技术可使换能器对锁相环呈现理想的LCR串联谐振特性,有效解决了跟踪失效问题.实验表明:通过该技术,换能器机械谐振频率的跟踪精度可优于-20~10Hz,避免了误跟踪和死锁,跟踪带宽可达6 kHz.     

基于FPGA的频率远距离稳定传输方案设计及实现

研究了通过电学补偿且基于FPGA (field programmable gate array)设计实现的频率远距离稳定传输问题.根据共轭相位补偿法原理,设计了基于FPGA的数字锁相环频率远距离稳定传输方案.该方案通过4次变频及滤波来提取远端信号和本地信号的相位差,利用锁相环使远端的信号相位变化与本地点的基准信号相位变化相同,从而实现频率远距离稳定传输.在基于FPGA的数字信号处理板上对该方案进行了实现,并给出了具体的实现方案和FPGA实现结果.由于变频、滤波及锁相环均在FPGA内部通过编程实现,该实现方案具有很强的参数选择灵活性及工程易实现性.最后,设计了链路时延测量回路,对不同条件下频率传输的稳定性进行测量,测量结果表明,设计的频率传输方案有效地减小了环境温度变化对信号在光纤中传输时延的影响.     

基于静态电容补偿的压电换能器锁相环频率跟踪

为解决压电换能器锁相环频率跟踪中存在的跟踪范围狭小、易出现误跟踪和失锁等问题,提出一种基于静态电容补偿的锁相环(PLL)频率跟踪技术:根据电容元件伏安特性对由静态电容造成的不良影响进行补偿,使换能器对锁相环呈现理想的LCR串联谐振回路特性,并结合线性拟合法完成对机械臂电压电流相位差的测量,避免了误跟踪和失锁,实现了较以往更宽频带下的换能器准确跟踪.实验表明:对两个-3 dB带宽分别为120 Hz和663 Hz的换能器,跟踪误差分别为-9 Hz和+28 Hz,跟踪范围可达10 kHz.     

MEMS陀螺仪芯片级温控系统的设计

为了提高MEMS陀螺仪的温度性能,基于东南大学自主设计的TC10号温控陀螺表头,设计了一种芯片级温控系统.首先,研究了微加热丝和微热敏电阻的材料、结构以及表头的加工工艺,分析了温控系统的工作原理.然后,建立了表头内部的温度模型,利用Ziegler-Nichols经验参数法,确定了PID参数并进行系统仿真,验证了控制系统的快速性和稳定性.最后,结合模型和仿真参数设计了温控电路,并通过温度实验得到了微热敏电阻的温度特性曲线.结果显示:温控系统可将表头内温度控制在设定温度点附近;表头腔内温度和驱动模态谐振频率在-20～60℃范围内的变化量分别由温控前的78.453℃和3.76 Hz下降到温控后的4.949℃和0.48 Hz,由此验证了芯片级温控技术的可行性.     

科里奥利质量流量计数字信号处理方法和系统

文章首先介绍了各种求相位差的方法,并对这些方法进行分析比较.然后针对科里奥利质量流量计信号处理中存在的问题,即信号频率在小范围变化和信号易受谐波干扰,采用基于数字锁相环的方法处理科氏质量流量计的信号,并做了仿真.仿真结果表明,在有谐波干扰的情况下,数字锁相环方法可以准确地跟踪信号频率的变化和计算相位差.文章还设计了基于DSP的数字信号处理系统.     

全数字锁相环高频感应加热系统的设计

为解决感应加热系统中频率跟踪的问题,使感应加热系统始终工作在最佳状态,提出一种新型的全数字锁相环(ADPLL)高频感应加热系统的设计方案.该方案是基于现场可编程门阵列,采用比例积分控制的方法.仿真结果表明,ADPLL能够及时有效地进行频率锁定,具有控制跟踪速度快、精度高、可调性强及捕获频带宽等优点.根据不同谐振频率的对象,可以通过调节1/N分频器的参数N,K模计数模块的参数K和积分模块的计数器n的位数,使得ADPLL工作处在最佳状态.     

基于谐波提取技术的风机频率自适应研究

为解决风机受谐波干扰引起电压畸变和频率波动从而影响风机并网稳定运行的问题,提出频率自适应锁相方法,以谐波提取电路为基础,设计具有滤除风机谐波功能的NSOGI (new second-order generalized integrator)锁相环。首先,在谐波提取电路中加入基波谐振电路,验证谐波提取前后锁相环的锁频精度;其次,在传统锁相环基础上加入直流抑制器,对输入信号的频率进行跟踪;最后,进行理论和仿真分析,对比DSOGI-FLL谐波提取前后电路中的频率偏差,验证2种锁相环的锁频精度。结果表明：在谐波提取电路中加入基波谐振电路,减少了谐波对基波源的影响,提升了谐波提取的效果;在抑制风机电压畸变和直流谐波方面,NSOGI 锁相环效果较好,锁频精度较高,验证了方法的可行性和正确性。采用NSOGI对电压和频率进行控制,能够提升供电可靠性,改善并网电能质量,为风机并网稳定运行提供了理论参考。     

射频拉远系统中的时钟同步技术

针对射频拉远系统中基带控制部分和射频拉远单元之间的时钟漂移问题,提出了一种利用锁相环进行时钟同步的技术.该技术利用锁相环的特点,通过跟踪时钟漂移并对时钟信号进行预补偿来达到抵消时钟漂移的目的.分析了漂移的产生和影响以及补偿方案的可行性,设计并制作了集成在一块4层印刷电路板中的时钟同步模块.测试结果表明:加入时钟同步模块的时钟信号频率稳定度可达到1×10-12,较之无同步模块提高了4个数量级;对于10,km和100,km单程光纤链路,该方案能达到同样的效果.可见,采用该技术可以在较大的动态范围内补偿时钟漂移,从而提高时钟信号的频率稳定度.     

基于模糊PI控制的超声波换能器谐振频率跟踪系统仿真

对于超声波换能器谐振系统,利用传统谐振频率跟踪方法动态性能不甚理想,故而采用模糊控制与PI控制相结合的模糊PI控制方法.首先对超声波发生器系统进行建模,再由模糊规则表、模糊化、反模糊化以及在线仿真整定,确定PI控制器参数,最后以相位差作为模糊PI控制器的输入量,进而得到新的驱动频率控制量,新的驱动频率信号驱动逆变器得到换能器此时所需要的控制频率,即换能器谐振频率.计算机仿真结果表明,模糊PI控制方法使整个系统具有更好的动态和静态性能,能有效地使换能器工作在谐振频率.     

基于谐振频率的微机械加速度计温度补偿方法

针对硅基微机械加速度计零偏往往随温度改变而漂移的问题,设计了一种新型的温度补偿电路.通过理论研究和实验测试,发现微机械加速度计谐振频率与温度呈现非常好的线性关系.谐振频率与表头弹性梁的弹性系数的二次方根呈正比关系,而温度对于弹性系数的影响主要有3方面:弹性模量随温度的改变、机械热膨胀和热应力.通过Matlab数值仿真的方法,仿真和模拟了加速度计表头固有谐振频率与温度的关系,该仿真结果与实验测试结果符合得很好.基于以上分析,提出了一种新型温度补偿电路,通过在FPGA中设计数字锁相环模块实时检测和跟踪加速度计当前温度下的谐振频率值作为温度信号,进而补偿系统零偏输出.结果表明:在-30~60,℃全温度范围内,补偿后系统温漂峰峰值由初始的541.8,mg降低到46.0,mg,满足了工程应用需求.     

生物处理系统中超声波执行模块的设计

为了实现超声波生物处理频率优化控制系统中最优频率的输出,完成了执行模块的设计。在多频带组合搜索、捕捉锁定最佳处理频率后,基于直接数字频率合成芯片AD9851和ATmega16实现最优频率的合成,设计功率放大和频率跟踪模块以满足驱动需求和谐振工作。实验结果表明,该模块稳定、可靠,能较好地驱动超声波发生装置,跟踪负载谐振的变化,有效抑制功率器件的开关损耗,保证电源效率。     

一种双桥臂微悬臂梁谐振频率的影响因素研究

为了获得双桥臂硅微悬臂梁的谐振频率随其质量块尺寸的变化规律,首先推导出了双桥臂硅微悬臂梁谐振频率的解析式,并对9组不同尺寸的双桥臂单晶硅微悬梁的谐振频率随附加质量块长度的变化规律进行了分析.结果表明,随着附加质量块长度的增加,悬臂梁的固有频率会逐渐地减小,并且随着质量块长度所占微悬臂梁总长度比例的增大,附加质量所引起的微悬臂梁谐振频率的变化量在总谐振频率中所占的比重呈逐步减小的趋势.     

大气压交流放电自动频率跟踪电路的设计

根据等离子体美容仪负载的特殊性要求,设计了大气压交流放电状态自动频率跟踪电路,以达到仪器的稳定输出.详细讨论了频率自动跟踪电路的设计思想和实现方案.利用窗口比较器来检测输出状态改变,并转换为V/f变换的控制信号,通过压控振荡使得功率变换器的振荡频率跟踪系统本征频率的变化,以保持谐振状态,得到稳定输出.对所研制的电路进行了具体测试,结果表明:频率跟踪效果好,仪器输出稳定,使用效果佳.     

新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备

介绍了一种新型微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪采用平行梳齿驱动和面外振动框架的方式分别作为质量块的振动和恒隧道电流的检测,对平行梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计进行了详细的阐述.由于采用了硅玻键合和DRIE的DDSOG体硅制备工艺,因而可以获得较大的敏感质量块,从而使得该陀螺仪具有较高的灵敏度.根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化.仿真结果表明,该陀螺仪在常压下具有0.07 nm(°/s)的灵敏度.     

基于DSP石英晶片研磨的自动测控系统

提出一种在线检测石英压电晶片在研磨过程中频率变化的方法,以便自动控制晶片研磨厚度.以TMS320F240 DSP为核心构成测控系统,应用PLL锁相环技术产生晶片驱动信号,晶片在某一频率电压驱动下发生谐振,实时捕获谐振信号,经过信号处理,测出晶片频率.当频率达到给定值时,自动停止研磨过程.运行结果表明,基于此方法设计的晶片频率自动测控装置,响应速度快.精度高,并可实现石英压电晶体研磨过程自动化.