基于dds的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路及拾振信号放大电路
阅读说明：本技术 基于dds的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路及拾振信号放大电路 (Resonance type micro-cantilever sensor intelligent exciting circuit based on DDS and vibration pickup signal amplifying circuit ) 是由 郑蓓蓉 周晨 薛伟 鞠益 何玥 王权 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于DDS的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路及拾振信号放大电路,该激励电路由DDS发生器、椭圆滤波器、直流偏置电路、加法电路、反向放大电路组成。通过DDS发生器产生离散的正弦信号,经椭圆滤波器平滑后叠加上DAC输出的直流信号,再将该信号进过反向放大电路转换为正向的驱动信号,最终将产生的直流偏置的正弦信号用于驱动谐振式微悬臂梁传感器。该电路可以通过程序实现直流信号幅值、交流信号频率的高精度调节,使用方便且性能可靠。(The invention provides a resonance type micro-cantilever sensor intelligent exciting circuit based on a DDS (direct digital synthesizer) and a vibration pick-up signal amplifying circuit. A discrete sine signal is generated by the DDS generator, the discrete sine signal is smoothed by the elliptical filter and then superposed with a direct current signal output by the DAC, the signal enters the reverse amplification circuit to be converted into a forward driving signal, and finally the generated direct current biased sine signal is used for driving the resonant micro-cantilever sensor. The circuit can realize high-precision adjustment of the amplitude of the direct current signal and the frequency of the alternating current signal through a program, and is convenient to use and reliable in performance.)
技术领域
本发明属于谐振式微悬臂梁传感器检测应用领域，涉及针对该传感器驱动的基于直接数字式频率合成器的智能激励电路。
背景技术
随着科技的发展，微机电传感器以体积小、精度高和响应快等优点被广泛应用。近年来微机电系统技术不断发展，谐振式传感器以高分辨率和高灵敏度等优异性能成为前沿研究重点，其中微悬臂梁谐振器以结构简单和制备容易等优点被广泛关注。本发明适用于电热激励的微悬臂梁谐振器，电热激励是通过在激励电阻上施加交变的电信号，使其产生双金属效应，从而引起微悬臂梁的周期性振动。在谐振式微悬臂梁传感器制备过程中，不同的谐振梁尺寸、不同的质量、不同的激励电阻阻值等因素，都会导致所需要的激励信号需求发生变化，因此设计一款可以兼容这些因素的激励电路至关重要。激励信号通常是直流偏置的正弦信号，设计兼容式的激励电路需要不仅仅需要激励的直流电压可调，还需要输入的交流信号可调。传统的激励方式大都是使用可调电阻调节的方式，该方式调节精度差，操作十分繁琐，因此迫切需要设计一种便携式可实现程序调节的智能激励电路，以满足兼容性和实现激励功能的需求。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于DDS的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路，用于对不同尺寸的谐振式微悬臂梁传感器进行激励，以满足兼容性和实现激励功能的需求。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于DDS的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路，其特征在于，包括：
直流偏置电路，用于输出稳定的直流偏执激振信号；
DDS发生器，用于根据采样过程中谐振频率的变化，调整输出离散的正弦激励信号；
椭圆滤波器，用于将DDS发生器发出的离散正弦激励信号平滑处理，得到较稳定的正弦信号；
加法电路，用于将直流偏置电路输出的直流偏置激振信号与椭圆滤波器处理过的正弦激励信号进行运算，实现信号的叠加功能；
反向放大电路，用于将加法电路中输出的信号重新翻转，使得该信号负电压转为正电压。
进一步地，所述DDS发生器包括AD9850芯片，有源晶振Y1，可调电阻R18、电阻R14、R15、R16，电容C11、C12、C13，所述有源晶振Y1的3号输出引脚与AD9850芯片的CLKIN引脚连接，作为外部参考时钟；有源晶振Y1的4号供电输入引脚，通过并联电容C11、电容C12、电容C13形成滤波网络；所述可调电阻R18与AD9850芯片的VINN引脚串联并接地；所述AD9850芯片的D0、D1引脚接+5V电源，D2引脚接地，使AD9850芯片进入串口输入模式；IOUT串联200欧电阻接地，以将AD9850芯片的DAC电压转换为正弦信号输出，其输出电流通过一个外接电阻RSET调节，调节关系为ISET＝32×(1.148V/RSET)；之后，DDS发生器将产生的正弦信号通过IOUT引脚发送到椭圆滤波器。
进一步地，有源晶振Y1的频率为125MHz，可调电阻R18、电阻R14、R15、R16的电阻大小分别为10KΩ、200Ω、4.7KΩ、100Ω，电容C11、C12、C13的电容大小分别为10μF、100nF、100nF。
进一步地，椭圆滤波器电路由电感L1、L2、电容C6、C7、C8、C9、C10组成，AD9850芯片的IOUT引脚同时连接电感L1、电容C6和电容C8的一端，电感L1和电感L2串联，电容C6和电容C7串联，其中，电感L1和电感L2分别并联电容C6、C7；电感L1的另一端连接电感L2、电容C7和电容C9的一端，连接电容C6的另一端；电感L2连接电容C10、电阻R17和电阻R6的一端，连接电容C7的另一端；电容C8、C9、C10并联，另一端接地；电感L1、L2大小为390nH，电容大小分别为10pF、33pF、100pF、150pF、100pF；经过滤波的信号通过并联R17来抵消偏置电流的影响。
进一步地，直流偏置电路包括LM358运放芯片、电阻R18、R19、R20，电容C48、C50、C51，电阻R18、R19、R20的电阻大小分别为2KΩ、1KΩ、1KΩ，电容C48、C50、C51的电容大小分别为100nF、10μF、100nF；C48用于稳定MCU输出的电压信号，C50、C51用于稳定放大后输出的电压，MCU的DAC功能引脚输出直流电压，通过运算放大器实现DAC电压和输出功率的放大。
进一步地，所述加法电路包括运放AD8066芯片及电容C4，电阻R5、R6、R 7、R10、R11，电容C4的电容大小是100nF，电阻R5、R6、R 7、R10、R11的电阻值大小分别为2KΩ、2KΩ、1KΩ、2KΩ、1KΩ；经过滤波处理的正弦信号通过R6进入加法电路；与此同时，直流偏置电路产生的直流偏置信号DAC_DC串联R7进入加法电路，并通过并联C4滤除电源噪声；由加法电路对正弦信号和DAC_DC进行叠加运算。
进一步地，所述加法电路中还包括去耦电容C3和C5，用于滤除电源中的高频噪声；电容C3、C5的电容大小都是100nF。
进一步地，反向放大电路由AD8066运放电路及电阻R8、R9与R13、R14组成，电阻阻值都为1KΩ。
进一步地，通过数字控制的方式改来变相位，从而来改变频率。
与所述的智能激励电路相对应的拾振信号放大电路，其特征在于，包括一级放大电路、低通滤波电路和二级放大电路组成。
本发明的有益效果是：本发明采用DDS发生器与DAC功能相结合，将正弦信号与直流信号叠加的方式来合成直流偏置的正弦信号，DDS发生器与DAC输出信号精度高，通过这种方式可以组成可以程序控制的激励信号源，方便对谐振式微悬臂梁谐振器测试时输出较为精准的信号，该激励方式也为未来科研工作者在谐振式微悬臂梁激励电路做了初步的探索。
附图说明
图1电热激励、压阻检测的悬臂梁结构示意图。
图2谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路原理图。
图3谐振式微悬臂梁传感器检测电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发所述的基于DDS的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路，主要用于驱动谐振式微悬臂传感器，从而实现该传感器的激励起振。所述激励电路采用电热激励，拾振电路使用压阻拾振。电热激励是通过在激励电阻上施加交变的电信号，使其产生双金属效应，从而引起微悬臂梁的周期性振动。激励采用的交变电信号可分为交流信号和直流偏置的交流信号，谐振式微悬臂梁传感器的结构如图1所示。电热激励是通过在激励电阻上施加交变的电信号，使其产生双金属效应，从而引起微悬臂梁的周期性振动。激励采用的交变电信号可分为交流信号和直流偏置的交流信号。直流分量在微悬臂梁上会产生固定的温度，交流分量会使微悬臂梁产生振动。交流信号激励的方式会使得梁振动的频率是激励频率的两倍，叠加直流偏置的交流信号激励的方式将使得悬臂梁产生的振动频率是激励频率与两倍激励频率叠加的信号。压阻检测主要是利用了半导体材料的压阻效应。压阻拾振的原理是通过压阻材料在外界压力下电阻阻值变化的效应，利用惠斯通电桥将阻值变化量转变为电压变化量。所使用的微悬臂梁传感器拾振电路，由四个压敏电阻构成，输出电压Vout公式为：
式中，Vin是电源电压，R是压敏电阻阻值，△R是压敏电阻变化量。
如图2所示，所述基于DDS的谐振式微悬臂梁传感器智能激励电路，由DDS发生器、椭圆滤波器、直流偏置电路、加法电路、反向放大电路组成。
DDS的工作原理是将正弦信号取样，编码，量化，形成一个正弦函数表，存在EPROM中，合成时，通过改变相位累加器的频率字来改变相位增量，也就是我们所称的步长。相位增量的不同导致一个周期内取样点的不同，在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来改变频率。DDS芯片的核心是相位累加器，它由加法器和N位的相位寄存器组成。本发明中DDS发生器选用的AD9850芯片的工作电压为5V，输出频率范围是0.1Hz～40MHz。
所述DDS发生器主要由AD9850芯片，有源晶振Y1，可调电阻R18、R14、R15、R16，电容C11、C12、C13组成，其中有源晶振Y1的频率为125MHz，可调电阻R18、R14、R15、R16的电阻大小分别为10KΩ、200Ω、4.7KΩ、100Ω，电容C11、C12、C13的电容大小分别为10μF、100nF、100nF。所述AD9850芯片的CLKIN引脚连接有源晶振Y1的3号输出引脚作为外部参考时钟；有源晶振Y1的4号供电输入引脚，通过并联电容C11、电容C12、电容C13形成滤波网络。所述AD9850芯片的D0、D1引脚接到+5V电源，D2引脚接地，使AD9850芯片进入串口输入模式，为避免信号干扰，将用不到的D3、D4、D5、D6引脚接地。IOUT串联200欧电阻接地，以将AD9850芯片的DAC电压转换为正弦信号输出，其输出电流通过一个外接电阻RSET调节，调节关系为ISET＝32×(1.148V/RSET)。之后，DDS发生器将产生的正弦信号通过IOUT引脚发送到椭圆滤波器。
所述椭圆滤波器由电感L1、L2、电容C6、C7、C8、C9、C10组成，由于DDS发生器输出的信号是离散信号，通过椭圆滤波器可以较容易地实现将离散信号平滑处理，从而得到较平滑的正弦信号。该电路在设计时，可通过仿真来调整电感和电容值到合适的值，从而大大减少每种频率信号的失真。本发明电感大小为390nH，电容大小分别为10pF、33pF、100pF、150pF、100pF。IOUT引脚同时连接电感L1、电容C6和电容C8的一端，电感L1和电感L2串联，电容C6和电容C7串联，其中，电感L1和电感L2分别并联电容C6、C7；电感L1的另一端连接电感L2、电容C7和电容C9的一端，连接电容C6的另一端；电感L2连接电容C10、电阻R17和电阻R6的一端，连接电容C7的另一端；电容C8、C9、C10并联，另一端接地。这些器件共同组成一个低通滤波网络。
直流偏置电路，包括LM358运放芯片、电阻R18、R19、R20，电容C48、C50、C51，电阻R18、R19、R20的电阻大小分别为2KΩ、1KΩ、1KΩ，电容C48、C50、C51的电容大小分别为100nF、10μF、100nF。C48用于稳定MCU输出的电压信号，C50、C51用于稳定放大后输出的电压。MCU的DAC功能引脚输出直流电压，通过运算放大器实现DAC电压和输出功率的放大。
经过滤波处理的正弦信号通过R6进入加法电路，与此同时，MCU的DAC引脚输出的直流偏置信号DAC_DC串联R7进入加法电路，通过并联C4滤除电源噪声。
加法电路是由运放AD8066芯片及电容C3、C4、C5，电阻R5、R6、R7、R10、R11，电容C3、C4、C5的电容大小都是100nF，电阻R5、R6、R7、R10、R11的电阻值大小分别为2KΩ、2KΩ、1KΩ、2KΩ、1KΩ。经过滤波的信号通过并联R17来抵消偏置电流的影响。
通过运放AD8066芯片，将由MCU中DAC功能输出的DAC_DC与DDS输出的信号相加，从而实现信号的叠加功能；所组成的加法电路主要功能是用于将直流信号与正弦信号叠加，从而形成直流偏置的正弦信号，直流信号可以对谐振式微悬臂梁传感器进行预热，正弦信号可以使得谐振式微悬臂梁传感器发生振动。其中，电容C3和C5为去耦电容，可以有效地滤除电源中的高频噪声。
反向放大电路由AD8066运放电路及电阻R8、R9与R13、R14组成，电阻阻值都为1KΩ。主要功能是将前级加法电路中输出的信号重新翻转，使得该信号负电压为正电压，用于驱动谐振式微悬臂梁传感器。DAC_DC为通过MCU中DAC外设功能输出的直流偏置电压，所输出的DAC信号电压值在0～3.3V之间，可调范围有限。使用加法电路，将DAC输出信号放大倍数设计为2倍，来兼容微悬臂梁传感器不同的预热起振需求。
所述的谐振式微悬臂梁智能激励电路可以通过程序分别控制其DDS功能及DAC功能，从而可以实现针对不同需求的激励信号输出。
如图3所示是谐振检测系统的拾振信号放大电路，该电路主要由一级放大电路、低通滤波电路和二级放大电路组成。一级放大电路目的是放大信号并使得被测信号获得较高的输入阻抗，尽可能地保留信号特征。低通滤波可以通过并联小电容C47以降低电路中的高频信号干扰，减小信号的噪声。二级放大用于对信号进一步放大，有助于区分不同频率下输出信号幅值的变化。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。