本發(fā)明涉及諧振式慣性器件，具體涉及一種石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、石英振梁加速度傳感器(石英振梁加速度計)具有靈敏度高、量程大、功耗低，尺寸小等優(yōu)點，發(fā)展前景廣闊。發(fā)展該技術路線將有希望解決微型加速度傳感器精度和穩(wěn)定性提升存在的難題。石英振梁加速度傳感器利用了石英振梁諧振器的諧振頻率與其所受軸向力相關的特性，借助敏感質(zhì)量具有的慣性將待測的加速度轉(zhuǎn)換成作用在振梁上的軸向力，從而通過檢測振梁諧振頻率的變化來獲得加速度信息。

2、石英振梁加速度計的敏感單元電學特性與無源石英晶振沒有本質(zhì)區(qū)別，因此目前最常用的石英振梁加速度計控制系統(tǒng)仍是石英晶體振蕩器電路。但石英晶體振蕩器電路屬于模擬電路，模擬器件的性能和參數(shù)易受環(huán)境影響，誤差補償方式復雜，需要額外的測頻電路對輸出波形的頻率進行測量，逐漸無法滿足新型石英振梁加速度計的性能需求。

3、中國專利cn117607491a公開了一種石英諧振式加速度傳感器振動梁頻率快速檢測方法，該方法通過對數(shù)掃頻和線性掃頻相結(jié)合的方式來確定石英振梁的諧振頻率，激勵頻率按預先確定的方式變化，屬于開環(huán)激勵方式，并且需要獨立的測頻系統(tǒng)，雖然在實驗室條件下可以進行相應的檢測，但該方案不具有實時性，使得其不適用于實際應用。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中的上述不足，本發(fā)明提供的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法解決了現(xiàn)有石英振梁加速度計的控制系統(tǒng)采用石英晶體振蕩器電路導致易受環(huán)境影響、性能低的問題。

2、為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

3、提供一種石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其包括電流檢測電路、比較器電路、相位采樣模塊、誤差解算模塊、閉環(huán)控制模塊和數(shù)控振蕩器；其中：

4、電流檢測電路，用于將諧振元件輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

5、比較器電路，用于比較電流檢測電路和數(shù)控振蕩器的輸出信號的電壓大小，并根據(jù)比較結(jié)果輸出邏輯電平；

6、相位采樣模塊，與比較器電路和數(shù)控振蕩器相連，使用比較器電路輸出的邏輯電平的邊沿作為觸發(fā)條件，對數(shù)控振蕩器輸出的相位值進行采樣；

7、誤差解算模塊，用于計算相位采樣模塊采樣得到的相位值與諧振元件固有諧振頻率之間的誤差值；

8、閉環(huán)控制模塊，用于根據(jù)誤差解算模塊得到的誤差值，輸出頻率控制量，控制數(shù)控振蕩器的輸出信號頻率；

9、數(shù)控振蕩器，用于接收閉環(huán)控制模塊輸出的頻率控制量，產(chǎn)生對應頻率的周期信號，驅(qū)動諧振元件工作，使諧振元件的工作頻率等于諧振元件固有諧振頻率。

10、進一步地，數(shù)控振蕩器包括并行的驅(qū)動通道和參考通道；其中：

11、驅(qū)動通道包括依次連接的第一直接數(shù)字頻率合成模塊、第一脈沖調(diào)制模塊、第一邏輯輸出端口和第一低通濾波電路，用于驅(qū)動諧振元件工作的激勵信號；

12、參考通道包括依次連接的乘法器、第二直接數(shù)字頻率合成模塊、第二脈沖調(diào)制模塊、第二邏輯輸出端口和第二低通濾波電路，用于輸出參考信號至比較器電路；

13、乘法器，用于將參考通道的頻率提升為驅(qū)動通道的頻率的n倍。

14、進一步地，電流檢測電路采用電荷放大器。

15、進一步地，相位采樣模塊包括時鐘相移時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、采樣子模塊和插值子模塊；其中：

16、時鐘相移時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于獲取比較器電路脈沖輸出的上升沿與參考信號0相位點的精確時間間隔，即得到細采樣時間點；并給出一個與高速時鐘對齊的采樣脈沖，即粗采樣時間點；

17、采樣子模塊，用于分別在粗采樣時間點和細采樣時間點對參考信號的相位進行采樣，對應得到粗采樣結(jié)果和細采樣結(jié)果；

18、插值子模塊，用于通過細采樣結(jié)果對粗采樣結(jié)果進行插值，得到最終的相位采樣數(shù)據(jù)。

19、進一步地，石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)配置模塊和通信協(xié)議模塊，其中：

20、數(shù)據(jù)處理模塊，用于接收并處理閉環(huán)控制模塊輸出的頻率控制量；

21、通信協(xié)議模塊，與數(shù)據(jù)處理模塊相連，用于向系統(tǒng)外部傳輸閉環(huán)控制模塊輸出的頻率控制量；

22、系統(tǒng)配置模塊，與通信協(xié)議模塊相連，解析系統(tǒng)外部輸入的配置命令，存儲系統(tǒng)的配置參數(shù)。

23、進一步地，通信協(xié)議模塊采用ttl串口。

24、進一步地，數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)抽取子模塊。

25、提供一種基于石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)的方法，其包括以下步驟：

26、s1、將諧振元件輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；獲取數(shù)控振蕩器的輸出信號的電壓大小；

27、s2、比較轉(zhuǎn)換得到的電壓信號和數(shù)控振蕩器的輸出信號的電壓大小，并根據(jù)比較結(jié)果輸出邏輯電平；

28、s3、使用輸出的邏輯電平的邊沿作為觸發(fā)條件，對數(shù)控振蕩器輸出的相位值進行采樣；

29、s4、計算采樣得到的相位值與諧振元件固有諧振頻率之間的誤差值；

30、s5、根據(jù)誤差值輸出頻率控制量，控制數(shù)控振蕩器的輸出信號頻率；

31、s6、通過數(shù)控振蕩器接收頻率控制量并產(chǎn)生對應頻率的周期信號，驅(qū)動諧振元件工作，使諧振元件的工作頻率等于諧振元件固有諧振頻率。

32、進一步地，使用輸出的邏輯電平的邊沿作為觸發(fā)條件，對數(shù)控振蕩器輸出的相位值進行采樣的具體方法為：

33、通過時鐘相移時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器獲取輸出的邏輯電平的上升沿與參考信號0相位點的精確時間間隔，即得到細采樣時間點；并通過時鐘相移時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器給出一個與高速時鐘對齊的采樣脈沖，即粗采樣時間點；

34、分別在粗采樣時間點和細采樣時間點對參考信號的相位進行采樣，對應得到粗采樣結(jié)果和細采樣結(jié)果；

35、通過細采樣結(jié)果對粗采樣結(jié)果進行插值，得到最終的相位采樣數(shù)據(jù)。

36、進一步地，在閉環(huán)控制過程中，通過數(shù)據(jù)處理模塊接收并處理頻率控制量；通過通信協(xié)議模塊向系統(tǒng)外部傳輸頻率控制量；通過系統(tǒng)配置模塊解析系統(tǒng)外部輸入的配置命令，存儲系統(tǒng)的配置參數(shù)。

37、本發(fā)明的有益效果為：

38、1、本發(fā)明采用數(shù)字控制方式，受環(huán)境影響小，抗干擾能力強，性能高，可以解決目前閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定性不足、功能單一的問題。

39、2、本發(fā)明采用的誤差檢測方式可以同時得到幅值和相位信息，并且不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參與，有效節(jié)約了成本和功耗。

40、3、本發(fā)明實現(xiàn)了諧振控制功能和頻率測量功能的集成，可直接輸出頻率數(shù)字量，無需額外的測頻系統(tǒng)，有效降低了石英振梁加速度傳感器配套系統(tǒng)的成本。

41、4、本發(fā)明包括通信協(xié)議模塊和系統(tǒng)配置模塊，使得用戶能夠便捷的配置系統(tǒng)參數(shù)，適應不同的加速度傳感器，有效提升了系統(tǒng)的靈活性。

42、5、本發(fā)明包括通信協(xié)議模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，能夠?qū)敵鰯?shù)據(jù)進行誤差補償和預處理，有效提升了系統(tǒng)的可靠性和易用性。

技術特征：

1.一種石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電流檢測電路、比較器電路、相位采樣模塊、誤差解算模塊、閉環(huán)控制模塊和數(shù)控振蕩器；其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)控振蕩器包括并行的驅(qū)動通道和參考通道；其中：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，電流檢測電路采用電荷放大器。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，相位采樣模塊包括時鐘相移時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、采樣子模塊和插值子模塊；其中：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)配置模塊和通信協(xié)議模塊，其中：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，通信協(xié)議模塊采用ttl串口。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)抽取子模塊。

8.一種基于權(quán)利要求1～7任一所述的石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用輸出的邏輯電平的邊沿作為觸發(fā)條件，對數(shù)控振蕩器輸出的相位值進行采樣的具體方法為：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在閉環(huán)控制過程中，通過數(shù)據(jù)處理模塊接收并處理頻率控制量；通過通信協(xié)議模塊向系統(tǒng)外部傳輸頻率控制量；通過系統(tǒng)配置模塊解析系統(tǒng)外部輸入的配置命令，存儲系統(tǒng)的配置參數(shù)。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了石英振梁加速度計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法，涉及諧振式慣性器件技術領域，系統(tǒng)包括電流檢測電路、比較器電路、相位采樣模塊、誤差解算模塊、閉環(huán)控制模塊和數(shù)控振蕩器。本系統(tǒng)抗干擾能力強，參數(shù)易調(diào)整，不僅集成了通信和數(shù)據(jù)處理功能，而且具備諧振控制和頻率測量能力，可直接輸出頻率數(shù)字量，能夠解決目前閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定性不足、功能單一的問題。

技術研發(fā)人員：胡純,王一霖,鄭德智,李中翔,那睿
受保護的技術使用者：北京理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17