爱问共享资料拥有大量关于基于矗接数字直接频率合成器器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路.doc的实用类文档资料所有文档由知名合作机构以及专业作者提供，线上总资料超过两个亿保证满足您的需求。
基于直接数字直接频率合成器器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路基于直接数芓直接频率合成器器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路第卷第期电子与信息学报VolNo年月JournalofElectronicsInformationTechnologyDec基于直接数字直接频率合成器器及正交锁楿技术的交直流微型电场传感器电路*任东宇彭春荣夏善红中国科学院电子学研究所传感器技术国家重点实验室北京中国科学院大学北京摘偠:为了实现AC工频和DC电场同时检测,该文基于MEMS电场传感器,采用直接数字直接频率合成器器DDS激励及正交锁相技术研制出一种高性能微型电场传感器电路该系统结合低噪声模拟电路和数字控制方式,采用DDS产生精准的传感器激励信号和双路正交参考信号,保证了激励信号及正交参考信号嘚频率、幅值稳定性以及双路正交参考信号之间准确的相位差。采用相关解调芯片及高速滤波器构建正交锁相放大电路,结合AdvancedRISCMachinesARM微控制器,解决叻单片机数字信号处理响应速度慢、资源不足等问题,成功实现AC工频及DC电场加载情况下传感器弱信号高精度提取关键词:微型电场传感器静電场及工频电场直接数字直接频率合成器器DDS正交锁相放大器分辨力中图分类号:TP文献标识码:A文章编号:DOI:SPJMicromachinedElectricfieldSensorSystemBasedonDirectDigitalSynthesizerandLockinamplifiertoMeasureACandDCFieldsRenDongyuPengChunrongXiaShanhongStateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing,ChinaUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing,ChinaAbstract:AnovelandhighperformancemicromachinedelectricfieldsensorsystemcircuitwhichcanmeasurebothACHzandDCfieldsispresentedbasedonDirectDigitalSynthesizerDDSandLockInAmplifierLIAThesystemcombineslownoiseanalogcircuitsanddigitalcontrolscheme,usingDDStogeneratetheexcitationsignalandtheorthogonalreferencesignals,ensuresthefrequencyandamplitudestabilityoftheexcitationsignalandprecisephasedifferencebetweentheorthogonalreferencesignalsUsingdemodulatorchipandhighspeedfiltertobuildquadraturelockinamplifiercircuit,combiningwiththeARMmicrocontroller,thesystemachievesafasterresponseandsavesmuchmoresourcesthanthesimpledigitalprocessingcircuitKeywords:MicromachinedelectricfieldsensorDCandACHzelectricfieldDirectDigitalSynthesizerDDSQuadratureLockInAmplifierLIAResolution引言交流输电线路和高压直流输电线路處于相邻位置,未来还有高压交流输电线路和高压直流输电线路同电场传感器应用广泛,在智能电网、航空航天、走廊架设甚至还可能有同塔架设的现象。因此,在气象、地震和科学研究等领域具有十分重要的应上述这些情形要求能对输电线路的交直流电场或电用通过对电网中高压输电线、绝缘子等电力压同时进行监测或测量,以提供电能质量等信息。设施周围的电场分布的监测,可用于检测电网运行然而,目前报道嘚传统传感器只能用于DC或AC状态、绝缘子污秽情况等对大气环境电场的电场或电压测量,不能同时对两者进行测量,且由探测,可用于雷电预警囷气象研究,也可为卫星等于传感器结构采用传统机械加工技术制作,成本高,飞行器发射升空安全提供重要保障。探头尺寸大,电场畸变较大,测量误差大而且为随着电力传输系统的发展,有越来越多的高压了增加电极设计的安全性,传感器仍采用昂贵、危害环境的绝缘材料,进一步造成傳感器整体成本增收到,改回加、结构复杂等问题国家计划项目AA和国家自然科学基金资助课题随着MEMS技术发展,国内外相继报道了多种*通信作鍺:任东宇rdyzjuhotmail第期任东宇等:基于直接数字直接频率合成器器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路基于MEMS技术的微型电场传感器。相比传統生周期性改变,产生感应电流,此电流幅值与被测机械加工技术制作的电场传感器而言,基于MEMS电场幅值成正比,测量此电流值即可达到测量被测技术的电场传感器具有探头尺寸小、集成度高、成电场的目的本低、功耗低等突出优点,具有非常重要的发展潜传感器DC和AC电场检测方法力。然而由于微型电场传感器尺寸小,空间耦合干当被测电场垂直于感应电极上方,感应电极表扰大,背景噪声强,有效信号弱,极易受到噪声、面有感应电荷产生,根据高斯定理,感应电荷为外部干扰的影响提取电场传感器有效输出信号的QEAr难度较大。目前报道的如美国Boston大学、A为有效感应媔积,传感器接收到激励信号后,屏keley大学、Medtronic公司以及日本AIST蔽电极会来回做周期性的振动,设静电激励信号频NationalInstituteofAdvancedIndustrialScience率,初相位,A为屏蔽电极的最大暴露面积,andTechnology嘚Kobayashi等人研制的MEMS电则感应电极的有效感应面积即暴露面积A可表示为场传感器都只针对静电场检测进行了实验最AAsint近,加拿大Manitoba大学研制的热激励MEMS電场若外部电场为DC与AC电场的合成场E传感器针对性地进行了高压输电线交直流电场检Esint,则感应电极上的感应电荷为测,实验结果表明对静电场检測分辨力可达QEAAEsintVm,但量程只有Vm,能够检测Hz交变rr电场,但并未给出交流电场分辨力等关键参数。Esintsint为解决以上存在的问题,实现AC工频和DC感应电极与屏蔽电極形成的电容周期性的充放电场同时检测,提高传感器的检测精度,本文针对电生成的感应电流转换为电压信号为微型电场传感器的信号输出特点,采用模拟数字电xtdQdtRRAEcostssr路结合的方式处理传感器输出信号,研制了一种可Etsincost用于交直流电场同时测量传感器系统电路costsint传感器敏感结构工作原理甴于已知为激励信号频率。根据此信号的特本文研究对象是基于SiliconOnInsulatorSOI性,采取正交锁相放大提取电场信号另外采集技术的MEMS谐振式微型电场传感器敏感结构,两路与激励信号同频率的参考信号该传感器结构图如图a所示。传感器由激励电极、rtVsint,rtVcostrr屏蔽电极、感应电极、支撑梁等部分构成屏蔽电将两路参考信号分别与电压信号相乘,并设常极与激励电极连接在一起,在激励电压Vd数项VRAk后得到rsrVtsin驱动下,激励电极带动屏蔽电极以频率artxtkEsin水岼周期振动,遮挡置于屏蔽电极左右两侧的感sintEtcos应电极。该传感器的工作原理图如图b所示传感器coscost的屏蔽电极接地,与正感应电极、负感应电极汾别sintsin形成两个电容器。当屏蔽电极周期性地振动时,其sint侧壁遮蔽感应电极,感应电极表面的感应电荷量发图SOI微型电场传感器结构图及工作原理圖电子与信息学报第卷rtxtkEcoscostutVVAE|sint|orsrEtcossin如此处理后得到的信号是一个频率信号,其幅值与交变电场幅值成正比关系,只需测出处理后信sinttsin号的幅值即通过计算可嘚到交变电场幅值,达到检coscost测AC电场的目的系统方案设计分析此信号组成,使用截止频率低于的低通滤波器对式及式两路信号滤波之后,可得总體方案utkEsinoMEMS电场敏感结构输出信号为弱电流信号,utkEcos且由于敏感结构尺寸小,空间耦合干扰严重,信号o处理电路的设计对传感器整体性能影响较大。由於uuukEooo敏感结构采用对称设计,正负感应电极输出电流幅对式两路信号做矢量合成可得式由式值相等,符号相反,使用差分激励及差分检测的方可見输出与电场值成正比,因此若使用低通滤波器式会极大地降低由于空间耦合造成的干扰。本文处理式及式时,即可达到检测DC电场的目提出的模拟数字电路相结合的微型电场传感器系的统,系统结构框图如图所示。系统主要包括:电若对式及式使用中心频率为的带通滤源模块、传感器敏感元件、IV转换电路、模拟信号波器滤除直流信号、频率为的高频信号,以,处理、正交锁相放大电路、AD转换电路、主控芯及通带之外的噪声信号,得到的输出为片电路、波形发生单元及RS通讯电路等几部分ut'kEcostcoso整个系统使用V直流单电源供电,经过电源kEsintsin模块后,生成系统所有器件使用嘚模拟V,ut'kEcostsinoV,V,V及数字V,V电压。波形kEsintcos发生单元用于生成传感器所需的差分激励信号及正交锁相放大电路所需的参考信号电场传感器接收为交变电场頻率,若测量工频电场时为Hz,到激励信号后开始工作,输出电流信号,电流信号传感器激励频率约为~kHz,要远大于,因经过IV转换电路、差分放大电路及滤波电路等预此可忽略式及式中的第项,此时两路输出处理电路之后,进入正交锁相放大电路。由AD采信号ut',ut'为同频率同相位的两路正弦信oo集芯片将囸交锁相放大电路的输出信号采集进入单号,且系数存在三角函数关系,将两路信号做矢量合成后,并将kVRAE代入可得到rsr图系统整体框图第期任东宇等:基于直接数字直接频率合成器器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路片机,进行电场幅值的计算,并通过RS通讯电极与正负感应电极の间的电容也发生周期性变化,路输出至上位机显示其变化方向与电场感应电荷的方向刚好相反,因此,硬件电路设计由于偏置电压V的作用,将產生一个与敏感电流IOSSIV转换电路设计传感器敏感结构输出的电方向相反的电流,减小有效输出。dC流信号非常微弱pA量级,且信噪比低甚至达到sVVkIROSsfdtdB,因此傳感器处理电路中的IV转换电路非式中k为比例系数,是一正值常关键。对传感器感应电极的电位以及传感器的输由式~式总结可得,由于运放的非理想出特性都将造成影响特性,在输出端产生的总电压输出为IV转换电路的原理图如图a所示。'VIkIRRRVoutBsffsOSI为传感器输出电流,经运算放大器处理后输s出為由之前的讨论可以得出,R阻值的选取会比较fVIR大,若运放的偏置电流I比较大,运放的输出将会outsfB存在较大的偏置电压,并容易造成运放的饱和,影对于微弱电流的放大,R越大越有利于提高输f响电路整体的放大性能另外由于传感器输出电流出的灵敏度。式是在所有器件为理想特性下的本身僦在pA级,输入失调电流I若较大,肯定会对OS计算结果实际情况下,考虑到运放的非理想特性,电路的性能产生影响,因此在选用运放时,应当选对电路嘚影响,IV转换电路的等效电路模型如图用I和I尽量小的运放。运放的输入失调电压VBOSOSb所示I为运放输入偏置电流,I为运放输入BIO对输出的影响主要有兩部分,一部分为式所示失调电流,V为运放输入失调电压,R为传感器OSp的对输出电压的直接影响,另一部分为式所示敏感结构的等效电阻,C为屏蔽电极與感应电极之s的,由于传感器敏感结构屏蔽电极的振动,V产生OS间等效电容,图中三角符号代表理想运放。的电流直接抵消传感器有效输出电流,这將会直接由于偏置电流I的作用,在输出端产生电压VB影响运放的有效输入电流,降低信噪比,因此,在为选用运放时,需要选用失调电压较低的运放根据VIRBf上述的分析,并对各公司的精密运放进行比较之后,由于传感器敏感结构的等效电阻R,在输出端p最终选用ADI亚德诺半导体技术公司的AD产生的电壓V为这一款运放作为IV转换电路的运放。其主要参数VRRV为:IpA,IpA,VmV配合fpOSBOSOSM的R及pF的C,IV转换电路搭建完成,ff由于传感器屏蔽电极的周期性振动,使屏蔽电可以满足系统要求。正交锁相放大电路正交锁相放大电路主要由鉴相器及后置的滤波器组成,鉴相器是锁相放大电路的核心部件,其性能对锁相放大器整体特性具有决定性作用目前较为常用的鉴相器主要有模拟乘法器型及电子开关型两种。AD是ADI公司出品的一款电子开关型鉴相器,其可从dB噪聲中恢复信号,频道带宽较宽,串扰极低,为dBkHz,是用于搭建锁相放大器的理想器件因此本文基于AD搭建了正交锁相放大电路。待检测信号经过鉴相器之后需要使用滤波器滤除噪声,根据之前的分析,本文在鉴相器之后同时设计了低通及带通滤波器,即可实现同时检测待测电场中的AC分量及DC分量基于DDS的双路正交参考信号正交锁相放大电路需要两路相位差为的正弦信号作为参考信号,这两路参考信号必须幅度一致,且保持严格图IV转換电路电子与信息学报第卷的相位差,否则将会影响检测的准确性与线性度。考虑到DDS器件相对带宽较宽,频率分辨率高、相位连续变化等优点,夲文使用微控制器同步控制两片AD生成两路相位差的正弦信号如图所示为参考信号原理框图。图系统软件流程图图参考信号原理框图面与極板内表面平齐,减小畸变上极板接地,下如图所示,两片AD的RESET引脚连极板施加可调节的电压以产生均匀电场。如图a接在一起,并使用同一个时钟源作为时钟信号,保所示为交直流电场检测系统样机及测试图在室温证输出信号具有准确的相位差。MCU通过SPI口和室内大气压条件下,使用本文設计的微型电场传对一片AD写入频率控制字及相位控制字,设感器系统测量Hz工频电场如图b所示为待置它的输出频率为,输出初始相位为再通过測电场的电压加载曲线。图c及图d所示为正SPI口对另一片AD写入频率控制字及相位控交锁相放大器输出信号的频谱分析曲线,在未加工制字,设置它嘚输出频率也为,但初始相位为频电场时,曲线上没有明显的Hz分量,加工频所有的控制字都写入完毕后,拉低连接两片电场后,在频谱曲线上可以奣显地看出有Hz信AD的RESET引脚的IO引脚,使两片号分量。表明经过正交锁相放大电路的处理,传感AD同时开始工作即可输出相位差为的两器输出信号中體现工频电场幅值的分量已被成功提路正弦信号。取出来图e所示为正交锁相放大电路的两路输软件设计出信号经过矢量合成之后的信号波形,此波形为频MCU的片上程序主要实现部分的功能:控率Hz的频率信号,提取此信号的幅值即可计算制、数据处理、通讯。出待测工频电场幅值圖f所示为传感器系统测如图所示为MCU片上软件流程图。系统开量工频电场的最终输出曲线,在未加待测电场时,始工作后,首先完成MCU自身硬件资源嘚初始化,传感器系统输出值为环境内工频噪声电场幅值,该噪声电场经过传感器系统计算后输出接近于mV,然后控制DDS芯片产生激励信号及正交参栲信号,当加入待测电场后,传感器系统输出信号呈现阶跃并控制AD芯片采集数据采集数据完毕后,进行式变化,经测试,传感器系统电路检测工频電场时矢量合成及波峰检测等计算,最后计算出AC及DC分辨力优于Vm,每秒可输出次电场测量数电场幅值,通过串口输出至上位机显示。据与国外Manitoba大學研制的交直流电场传感器实验数据及分析系统相比,进一步提高了交变电场检测分辨力。为模拟均匀电场的产生,本文采用平行极板的在同樣实验条件下,使用本文设计的微型电场方法对电场传感器进行标定,两极板平行放置,中传感器系统进行DC电场测量图所示为DC电间放置聚四氟乙烯支撑柱以保持良好的绝缘性,在场相应曲线,测量的电场范围是kVm内,往上极板上留有一个尺寸与电场传感器敏感探头相同返个行程,总不确定喥达到,分辨力优于大小的孔,标定前,将探头放置在孔内,使探头表Vm,每秒可输出次电场测量数据。第期任东宇等:基于直接数字直接频率合成器器忣正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路图实物图及AC工频电场响应范鹏,刘文芳,丁力,等输变电工程电磁辐射污染的初步探讨J环境科学与管理,,:FanPeng,LiuWenfang,Dingli,etalAnalysisofelectromagneticradiationpollutionfrompowertransmissionandtransformationprojectsJEnvironmentalScienceandManagement,,:谭大诚,赵家骝,席继楼,等青藏高原中强地震前的地电场变异及构成解析J地球物理学报,,:TanDacheng,ZhaoJialiu,XiJilou,etalThevariationofwaveformandanalysisofcompositionforthegeoelectricalfieldbeforemoderateorstrongearthquakesinQinghai图DC电场响应曲线TibetanplateauregionJChineseJournalofGeophysics,,:结束语郑凤杰,夏善红基于L波段气象雷达的空中三维电场探测系统J电子与信息学报,,:本文基于DDS激励及正交锁相技术研制出一ZhengFengjieandXiaShanhongSpatialthreedimensional种高性能的微型电场传感器系统电路,可同时实现electricfieldmeasuringsystembasingonLBandAC工频囷DC电场检测该系统采用DDS产生meteorologicalradarJJournalofElectronicsInformation精准的传感器激励信号和双路正交参考信号,并通Technology,,:过ARM微控制器、相关解调芯片AD构建的正董晓娜,鲁成义,曲利,等山東地区地点长观测资料分析研交锁相放大电路和高速滤波器相结合的系统电路,究J地震研究,,:有效解决了单片机数字信号处理响应速度慢、资源DongXiaona,LuChengyi,QuLi,etalResearchonthe不足等问题,成功实现传感器弱信号高精度提取。observationdataofgeoelectricfieldinshandongregionJ常压室温测试结果表明,在DC电场测试量程JournalofSeismologicalResearch,,:kVm内,传感器系统总不确定度达到了,PenChunrong,YangPengfei,LiuShiguo,etalDetecting分辨力优于VmACHz电场檢测的分辨力internaldefectofnonceramicinsulatorsusinganovelmicromachinedelectricfieldsensorCIEEEth优于Vm本文的研究结果将为微型电场传感器InternationalConferenceonMicroElectroMechanical的实用化提供技术支持。SystemsMEMSWorkShop,Cancun,:参考文献VaillancourtGH,CarignanS,andJeanCExperiencewiththedetectionoffaultycompositeinsulatorsonhighvoltage朱兴鸿,王建冈,袁仕耿星载电场探测仪的传感器涳间布局powerlinesbytheelectricfieldmeasurementmethodJ研究J航天器工程,,:IEEETransactionsonPowerDelivery,,:ZhuXinghong,WangJiangang,andYuanShigengWijeweeraG,BahreyniB,ShafaiC,etalAnalysisonsensorlayoutforspaceborneelectricfieldMicromachinedelectricfieldsensortomeasureACandDCdetectorJSpacecraftEngineering,,:电子与信息学报第卷fieldsinpowersystemsJIEEETransactionsonPowerRiehlPS,ScottKL,MullerRS,etalElectrostaticchargeDelivery,,:andfieldsensorsbasedonmicromechanicalresonatorsJ宋欣,王克奇,李迪飞场磨式电场仪在雷电预警中的研究与JournalofMicroElectroMechanicalSystems,,:应用J自动化与仪表,,:SongXin,WangKeqi,andLiDifeiResearchandDenisonAT,ShafranJS,KuangJinbo,etalAselfapplicationoffieldmillelectricfieldmeterinthelightningresonantMEMSbasedelectrometerCIEEEearlywarningJAutomationandInstrumentation,,InstrumentationandMeasurementTechnologyConference,:Warsaw,Poland,May:BahreyniB,WijeweeraG,ShafaiC,etalAnalysisandKobayashiT,OyamaS,OkadaH,etalAnelectrostaticfielddesignofamicromachinedelectricfieldsensorJJournalofsensordrivenbyselfexcitedvibrationofsensoractuatorMicroelectromechanicalSystems,,:integratedCIEEEthInternationalConferenceonMicroChenX,PengC,TaoH,etalThermallydrivenmicroElectroMechanicalSystemsMEMS,Paris,Jan:electrostaticfieldmeterJSensorsandActuatorsA,,:WijeweeraG,ShafaiC,andRajapakseAMeasuringpowerPengC,ChenX,BaiQ,etalAnovelhighperformancesystemvoltageremotelyusingmicromachinedelectricfieldmicromechanicalresonantelectrostaticfieldsensorusedinsensorCMicrosystemsandNanoelectronicsResearchatmosphericelectricfielddetectionCthIEEEConferenceMNRC,Ottawa,Oct:InternationalConferenceonMicroElectroMechanicalZhaoTandLiangYNewactuationmethodforpushpullSystems,,Istanbul,Turkey,Jan:electrostaticMEMScombdriveJIEEETransactionsonPengC,YangP,ZhangH,etalDesignofanovelclosedloopIndustrialElectronics,,:SOIMEMSresonantelectrostaticfieldsensorC高晋占微弱信号检測M北京:清华大学出版社,:ProceedingsofEedhgsofthEurosensors,Linz,Austria,Sep:彭春荣静电激励硅微机械谐振直流电场传感器D博士论杨鹏飞,彭春荣,张海岩,等SOI微型电场传感器的设计与文,中国科学院電子学研究所,测试J电子与信息学报,,:YangPengfei,PengChunrong,ZhangHaiyan,etal任东宇:男,年生,硕士生,研究方向为微型电场传感器系DesignandtestingofaSOIelectricfieldmicrosensorJ统、微弱信号检测等JournalofElectronicsInformationTechnology,,彭春荣:男,年生,博士,副研究员,研究方向为微型电场:传感器、谐振式传感器和微系统等HorensteinMNandStonePRAmicroaperture夏善红:女,年生,研究员,博士生导师,研究方向为传感electrostaticfieldmillbasedonMEMStechnologyJJournalofElectrostatics,,:器与微系统技术
