簡介與挑戰
微機電系統(MEMS)利用硅的電學和機械特性,將機械結構和電子結構集成在一起,用于檢測加速度、旋轉、角速度等。MEMS設備的核心組件包括一個垂直懸掛于設備運動方向的質量塊,在其框架內驅動方向上共振。通過測量框架在感應方向上的運動,可以檢測到由旋轉運動引起的科里奧利加速度。
圖 1:一個質量塊懸掛在可水平移動的中心框上。通過測量框架的運動,可以感知科里奧利力的大小和方向。
MEMS器件之間通常存在差異,這會給其特性測量和精確旋轉測量帶來挑戰。對這些設備進行表征和內部測量需要多種儀器來完成。例如,使用頻率響應分析儀檢測共振、鎖相環(PLL)用于跟蹤諧振頻率、PID 控制器用于振幅穩定的以及鎖相放大器用于測量設備對運動的響應。在此示例中,中國東南大學的研究人員使用了三個獨立的鎖相放大器和一個 PID 控制器(全部都在 Moku:Pro 中)來跟蹤其 MEMS 設備的性能并使其穩定。
Moku:Pro具備低噪聲輸入性能,為 MEMS 系統控制和表征提供了全面的集成解決方案。在多儀器并行模式下支持同時組合運行多達4種獨立儀器功能并提供超過 14 種可選測試儀器功能,涵蓋了上述所有MEMS應用必要的儀器功能,同時還包括如用于激光頻率穩定的激光鎖頻/穩頻器和用于精確相位敏感測量的相位計功能。
MEMS測控系統架構
為了精確跟蹤和穩定 MEMS 設備,實驗人員將MEMS器件分為兩部分,驅動部分(Drive Mode: X)以及感知部分(Sensing Mode: Y)。兩部分隨后被分為反饋穩定驅動信號通路以及信號檢測。X部分擁有一個信號激勵輸入(Drive Signal)以及反饋信號輸出(Feedback)。激勵信號負責將器件穩定在其諧振頻率(Resonator Natural Frequency)上并且穩定其輸出信號的幅值。由于器件的內部沒有自發激勵信號,所以需要有一個外部信號源為器件提供一個初始的激勵信號。通過檢查驅動信號和反饋信號之間的相位差,可以監測驅動信號頻率與共振器頻率之間的偏差。鑒于 MEMS 器件的相位響應在驅動頻率上是單調的,因此只有當驅動頻率與諧振器頻率精確重合時,才會達到90°相移。這一過程強調了在系統內建立全面反饋回路的必要性。該回路調節驅動信號的頻率,以保持驅動信號和反饋信號之間 90°的相位差,從而將其穩定在諧振頻率上。閉環控制系統包括一個混頻器、低通濾波器、比例積分(PI)控制器和壓控振蕩器(VCO),這些組件集成為鎖相環(PLL)模塊。這一模塊在Moku多種儀器功能中,例如鎖相放大器、激光鎖頻/穩頻器和相位計中均已經具備集成了。
為了確保共振穩定性,需要實現反饋信號幅度穩定,以補償系統噪聲和溫度變化。我們首先設定目標輸入信號振幅,然后由鎖相放大器測量輸出信號的振幅,如圖 2 所示。測量振幅與之間的差值成為反饋 PI 控制器的誤差信號來控制器件的驅動信號輸入幅值進而穩定器件的輸出幅值。
圖2:在MEMS系統中進行共振跟蹤和幅度穩定涉及將反饋信號通過兩條控制路徑傳輸。一條路徑包括VCO,專用于頻率跟蹤。另一條路徑表示目標幅度 R用于穩定振幅。LPF指的是低通濾波器,PI表示比例積分控制器,VCO表示壓控振蕩器。
實驗流程
在此次實驗當中,Moku:Pro和MEMS器件之間的連接如圖3所示。器件的X部分輸入和輸出分別與Moku:Pro的輸出 1 和輸入 1相連構成器件的驅動反饋控制通路。插槽2中的鎖相放大器用于實時計算輸入信號的幅值,而隨后插槽3中的PID控制器接受幅值信息來產生幅值控制信號。需要注意的是,由于X通路的輸入輸出之間存在固有的90°相位差,我們配置了另一個鎖相環(PLL_2)以對PLL_1的sin(ωt)信號引入90°相移,從而生成幅度為1的cos(ωt)信號。隨后,插槽4中的第二個鎖相放大器的混頻器將cos(ωt)與PID控制器的控制信號進行幅度調制,以控制驅動信號的幅度,從而穩定質量塊諧振的幅度。
圖3:MEMS 和 Moku:Pro 工作流程:插槽 2 中的鎖相放大器檢測反饋信號振幅 A,然后將其傳輸到插槽 3 中的 PID 控制器,以產生控制信號。隨后,該控制信號與位于插槽 4 的鎖相放大器中的鎖相單元振幅信號混合。這一過程控制驅動信號的振幅,以穩定 MEMS 器件中質量塊的諧振幅度。此外,槽 1 中還有一個額外的鎖相放大器,負責監測傳感信號的響應。
在實驗中,Moku:Pro多儀器并行模式的四個插槽根據圖3所示的設計進行配置。軟件界面配置如圖4截圖所示。相鄰的插槽之間通過配備的兩條實時信號總線進行通信,可確保最佳的信號質量,同時最大限度地減少延遲,并且不引入額外噪聲。模擬輸入標記為 In 1 至 4,模擬輸出標記為 Out 1 至 4。
圖4: Moku:Pro多儀器并行配置軟件界面
圖5 描述了插槽2的鎖相放大器的配置,其中的極坐標系轉換(用于計算信號幅值)以及鎖相環PLL(用于諧振頻率鎖定)都被啟用。其中的鎖相環配置為3.479 kHz的初始頻率以及100 Hz的跟蹤帶寬。輸入 B 信號和輸出 B 信號是同步的,這表明 PLL 正在正確跟蹤 MEMS 共振。鎖相放大器中的低通濾波器被配置為200 Hz以及24 dB/Oct的階數,可以將混頻器輸出的高頻分量或sin(2ωt)信號有效地濾除。濾波以后的信號通過極坐標系轉換后輸出的信號幅值會被作為PID控制器的輸入進行幅值穩定控制。
圖5:鎖相放大器(插槽2)操作界面: PLL 輸出信號(藍線)被穩定地鎖定在PLL 輸入信號(紅線)上。In A 表示反饋信號 A sin(ωt),Out A 是反饋信號的計算振幅 A,Out B 是振幅為 500 mVpp 的鎖相信號 sin(ωt)。
在圖6中,插槽3中的PID控制器被配置為PI控制器將誤差信號的直流誤差控制在0附近。利用輸入控制矩陣,我們可以反轉輸入 A 信號的符號,然后在輸入偏移上指定目標值為 100.4 mV,使控制器模塊的輸入成為振幅誤差信號。其中的積分器交越頻率(I)被設置為3.125 Hz,比例增益(P)被設置為-24 dB以確保對溫度漂移進行低帶寬控制。輸出偏移設置為 200 mV,以便在啟動 PID 控制器之前保持固定的初始振幅值,據觀察,MEMS器件的反饋信號的幅值被成功地控制在100.4 mV。
圖6: PID控制器(插槽3)通過控制驅動信號幅值成功地將反饋信號的幅值穩定在100.4mV
圖 7 描述了插槽 4 中鎖相放大器的配置。該鎖相放大器中的 PLL 的初始頻率和跟蹤帶寬與插槽 2 中的相同。不過,我們對插槽 4 中的 PLL 進行了 90°相移,以實現驅動信號和反饋信號之間的相位偏移補償。
圖 7 中的 A 表示來自 PID 控制器的振幅控制信號,該控制信號改變了 PLL 輸出信號 cos(ωt)的振幅。低通濾波器截止頻率為 5 kHz 允許 cos(ωt)通過,輸出端 A 連接到 X 信號路徑,以輸出同相分量。然后,輸出 A 連接到Moku:Pro 模擬輸出 1 端口,該端口連接到 MEMS 驅動信號輸入端口。
圖7:鎖相放大器(槽 4)將輸入 B 信號 sin(ωt)相移 90°,以產生 cos(ωt)信號,補償驅動和反饋信號之間的相位差。重新生成的 cos(ωt)信號隨后進行振幅調制,以穩定質量塊諧振幅度。
此時,Moku:Pro 成功地驅動并穩定了 MEMS 器件,在共振頻率 3.480 kHz 時跟蹤探頭 A(紅色)上顯示的信號,與預期的共振頻率 3.479 kHz 非常接近。此外,輸入反饋信號和設備輸出驅動信號之間的 90°相位差也被準確檢測到。
總結
在本次實驗當中,Moku:Pro展現了強大的實時信號處理能力,以及高度的靈活性。Moku:Pro利用多儀器并行模式完成了對器件的驅動,并且快速且穩定地將器件鎖定在其諧振頻率上。其中使用到了包括三個鎖相放大器儀器和一個 PID 控制器,所有這些都僅通過一個基于 FPGA 的設備Moku:Pro上部署。同時也完成了對器件的測量,其輸出完整地反應了器件輸出對旋轉地響應??傮w上,驗證了Moku:Pro在作為MEMS測量控制一體化的解決方案的可行性。
通過配置 Moku:Pro,已經可以實現設備的完全驅動和開環信號的測量。此外,還可以結合外部混頻器或者額外Moku:Go 作為乘法器,拓展應用在傳感軸上實現力平衡閉環(force-to-rebalance)。與市場上的同類儀器相比,Moku:Pro 不僅展示了其出色的硬件性能,還憑借其高度的靈活性提供了一個系統級的解決方案。
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