硅微谐振式压力传感器闭环频率跟踪电路

许高斌，徐枝蕃，胡海霖，陈 兴，马渊明

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽省MEMS工程技术研究中心，安徽合肥 230009)

0 引言

MEMS(micro-electro-mechanical system)是一项具有广泛应用前景的新兴技术[1-2]。硅微谐振式压力传感器是当前MEMS的重要产品之一，它是一种能够将压力信号转变成敏感元件的频率变化信号，并通过测量频率变化量来间接地测量待测压力的传感器[3-4]。在其众多的激励方式和电学检测方式中，静电激励/压阻检测的硅微谐振式压力传感器是最具有应用价值的传感器之一[5]。

硅微谐振式压力传感器输出信号中夹杂着大量的噪声且其幅值非常小[6]。闭环电路的工作模式有很多优点：一是可以提高对待测频率信号的测量精度、加快测量速度，扩大对待测频率信号的测量范围；二是可以对系统的动态特性在一定程度上作出改善，提高硅微谐振器的表观品质因子[7]。因此，研制能够高速且精准地跟踪待测信号频率变化的闭环电路是硅微谐振式压力传感器研究的一个重点。硅微谐振式压力传感器闭环频率跟踪电路主要有2种形式，一种是以自动增益控制电路(VGA)为核心的闭环电路，另一种是以锁相环(PLL)为核心的闭环电路[8]。前者电路结构复杂，调试困难，无法实时跟踪频率的相位变化[9]。后者不仅可以通过幅值调整电路实现调整幅值的功能，且具有更高的稳定性和跟踪信号相位变化的能力[10]。

本文设计了一种基于锁相环的闭环频率跟踪电路。通过在前级处理电路中加入高速单刀双掷模拟开关的方法优化输出方波信号的陡直性。用CD4046B搭建锁相环电路，利用CD4046B集成锁相环鉴相器Ⅱ输入信号与输出信号固定相差为0°的特点实现对信号的无相差频率跟踪，保证闭环自激状态需要的相位条件以提高系统的稳定性和可靠性。

1 整体方案设计

图1为闭环频率跟踪电路的框图。闭环频率跟踪电路分成3个部分：一个前级信号调理电路、一个锁相环和一个后级信号调理电路。前级信号调理电路由放大电路、带通滤波器、移相电路、波形变换电路和二分频电路等单元组成，后级信号调理电路由低通滤波器和幅值调整电路组成。

图1 电路结构框图

图1中，拾振电桥输出的信号进入前级处理电路，经过由AD620搭建的放大电路放大，再通过无限增益多路反馈二阶带通滤波器将信号中的杂波滤去，并用移相电路调整信号的相位以满足闭环自激的相位条件[11]。然后将调整相位后的信号通过电压比较器和单刀双掷模拟开关组成的波形变换电路整形成方波信号输入到分频电路中。由于当传感器的激励信号是纯交流信号时传感器输出信号是激励信号的2倍，所以本电路采用CD4013搭建分频电路实现信号的二分频。PLL跟踪二分频后信号的频率变化并锁定其相位。最后，锁相环输出的方波信号进入后级处理电路，通过低通滤波器整形为正弦波信号，经过幅值调整电路调整为合适的幅值后，作为传感器的激励信号输入到激励元件[12]。

2 波形变换电路的设计

2.1 电路设计原理

将正弦波转换成方波通常有2种方式：一种是通过施密特触发器状态转换的正反馈过程来实现正弦波对方波的转换；另一种是通过比较电压比较器的输入信号与参考电压的高低从而改变输出电压的过程来实现正弦波对方波的转换[13]。但是对于由LM393搭建的波形变换电路，其输出方波信号的陡直性不够好且低电平无法达到0 V，所以本文采用一种经过改进的波形变换电路。

图2为波形变换电路图。波形变换电路包括2部分：LM393电压比较器和SN74LVC1G3157高速单刀双掷模拟开关。 正弦波信号在通过电压比较器时会被整形为方波信号并将其作为单刀双掷开关的控制信号输入到逻辑控制管脚S。若输入方波信号电平为高时，输出引脚A与引脚B2导通，则输出电平为高；若方波信号电平为低，输出引脚A与引脚B1导通，则输出电平为低电平。控制信号可控制输出端A在B2与B1两引脚间不断地变换，以此输出与输入信号频率相同的方波[14]。

图2 波形变换电路图

2.2 仿真结果与分析

图3为波形变换电路输出信号波形图。输入频率为24 kHz的正弦波信号，图3(a)为通过电压比较器来实现正弦波转换成方波的波形变换电路输出信号波形图，图中显示出方波信号的陡直性不够好，上升时间为2.4 μs，且其低电平无法到达0 V。图3(b)为本文采取的利用LM393电压比较器和SN74LVC1G3157模拟开关搭建的波形变换仿真图，图中显示输出的方波有很好的陡直性，上升时间仅为0.3 μs，而且解决了LM393搭建的电压比较器输出的方波低电平无法达到0 V的问题。

(a)基于电压比较器的波形变换电路输出信号波形图

(b)电压比较器和模拟开关组成的波形变换电路输出信号波形图图3 波形变换电路输出信号波形图

3 锁相环电路的设计

3.1 电路设计原理

锁相环简称PLL，由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器3个单元组成[15]。由于CD4046B鉴相器Ⅱ在“锁相环的输入信号”与“压控振荡器的输出信号”间保持严格同步并产生0°的相移，所以使用CD4046B的鉴相器Ⅱ、压控振荡器以及外接的环路滤波器来搭建整个锁相环电路[16]。

图4是利用CD4046B搭建的锁相环路图。锁相环是整个电路的核心部分，不仅能够在跟踪信号频率的同时有效地减小系统的相位噪声，而且能够输出幅值恒定的信号，方便在后级信号调理电路中对幅值进行调整[17]。作为锁相环重要组成部分的环路滤波器，其时间参数不仅决定了锁相环对于输入信号的跟随速度，而且限制了锁相环对输入信号的捕捉范围。考虑电路结构简单和调节方便，本文中采用无源比例积分滤波器[18]。并且根据CD4046B的Datasheet合理地设定C1、R1和R2的取值，设定锁相环路的中心频率为12 kHz，频率锁定范围为9～15 kHz。

3.2 仿真结果与分析

图5为当输入9、12、15 kHz方波信号时锁相环电路输出信号波形图。由图5(a)可知在0 s时刻输入9 kHz方波信号，在0.41 ms时刻锁相环开始捕捉信号，在12.7 ms时刻完成信号捕捉并且成功锁定其相位，锁相环此时输出的方波信号频率同步输入信号频率且相位相同。由图5(b)可知在0 s时刻输入12 kHz方波信号，在0.17 ms时刻锁相环开始捕捉信号，在16.9 ms时刻完成信号捕捉并且成功锁定其相位，锁相环此时输出的方波信号频率同步输入信号频率且相位相同。由图5(c)可知在0 s时刻输入15 kHz方波信号，在0.19 ms时刻锁相环开始捕捉信号，在19.15 ms时刻完成信号捕捉并且成功锁定其相位，锁相环此时输出的方波信号频率同步输入信号频率且相位相同。

图4 CD4046B锁相环电路图

(a)输入为9 kHz时锁相环电路输出信号波形图

(b)输入为12 kHz时锁相环电路输出信号波形图

(c)输入为15 kHz时锁相环电路输出信号波形图图5 锁相环电路输出信号波形图

4 实验结果与分析

图6为闭环频率跟踪电路实物图。

图6 频率跟踪电路实物图

在实验室环境对设计的电路进行了一系列实验，检验本文设计的电路的准确性和可靠性。实验中分别设置幅值为2 mV，频率为18、24、30 kHz的3种正弦波信号来模拟硅微谐振式压力传感器的输出信号。将这3种正弦波信号输入到放大电路的输入端，其输出的信号如图7所示。

(a)输入信号为18 kHz

(b)输入信号为24 kHz

(c)输入信号为30 kHz图7 不同频率输入信号下的输出信号波形

如表1所示，闭环频率跟踪电路在不同频率的输入信号下可以在20 ms内输出稳定的信号，输出信号幅值能够保持在6 mV左右，幅值误差保持在0.3 mV内，输出信号频率误差保持在1 Hz以内。实验结果表明，该电路实现了对频率变化的高速高精度的跟踪测量，并且输出信号能够满足硅微谐振式压力传感器激励信号的要求。

表1 实验结果

5 结束语

本文利用CD4046B集成锁相环鉴相器Ⅱ固定相差为0°的特点完成了静电激励/压阻检测的硅微谐振式压力传感器闭环频率跟踪电路的设计。并用实验对该电路的有效性和准确性进行了验证，实验结果表明该电路实现了在18～30 kHz频率范围内对传感器输出信号的实时高速(<20 ms)的测量，并且能够通过后级信号调理电路将锁相环输出的方波信号整形成满足传感器激励信号条件的正弦波信号输入到传感器中。