一种MEMS电场传感器闭环解调系统及方法与流程

本发明属于电场测量与微机电系统（mems）传感，更具体地，涉及一种mems电场传感器闭环解调系统及方法。

背景技术：

1、mems谐振式电场传感器通过压电驱动屏蔽电极做周期性机械振动，使感应电极交替暴露于被测电场与被遮蔽状态之间，感应电极上产生的感应电荷随时间变化，形成与电场强度成比例的感应电流。现有mems谐振式电场传感器基于单端或差分结构，其中差分结构可抑制共模噪声且差模信号可获得6db增益，但现阶段mems谐振式电场传感器加工工艺难以保证结构完全对称，不仅失去了差分的优势反而引入了差模干扰。

2、现有的锁相放大解调、同步解调和快速傅里叶变换频谱分析等谐振式电场传感器的信号解调方法，仅使用单路参考信号或直接频域分析，未建立正交信号路径，因而无法从信号处理层面消除输入信号初始相位与幅值解调之间的耦合。基于i-q变换的方法引入一对正交参考载波cos(ωt)和sin(ωt)，分别与输入信号混频得到同相和正交两路基带分量，通过矢量合成取模消除相位信息对幅值解调的干扰，这一特性使得i-q方法在原理上具备相敏解耦能力。但现有i-q解调方案均为开环结构，当跨阻放大器增益漂移、滤波器参数因温度变化而偏移或模数转换器出现非线性误差时，解调输出与真实电场强度之间将出现偏差且无法自动校正，测量精度完全依赖于各环节的预先标定精度。

3、综上，现有解调方法受限于相位敏感性和信号处理复杂度，而开环的i-q解调方法又无法消除系统自身和外界环境带来的影响，制约了mems谐振式电场传感器在实际工程环境下的高精度稳定测量。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种mems电场传感器闭环解调系统及方法。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提出了一种mems电场传感器闭环解调系统，包括跨阻放大器、第一增益模块、反馈回路、adc、pid调节器、频率合成器、同相支路混频器、正交支路混频器、同相支路二阶滤波器、正交支路二阶滤波器、第一加法器、第二加法器和第三乘法器，具体为：

4、mems电场传感器输出的感应电流经跨阻放大器转换为电压信号，将电压信号输入第一加法器，第一加法器的输出经所述第一增益模块调节后，再经过adc转换为数字信号作为误差信号，将误差信号输入pid调节器，将pid调节器的输出同时送入所述同相支路混频器和正交支路混频器，频率合成器输出正交参考载波和正弦信号，将正交参考载波和正弦信号分别送入同相支路混频器和正交支路混频器，同相支路混频器和正交支路混频器分别输出同相混频信号和正交混频信号；

5、将同相混频信号输入同相支路二阶滤波器，将正交混频信号输入正交支路二阶滤波器，将同相支路二阶滤波器的输出和正交支路二阶滤波器的输出输入第二加法器；第二加法器的输出为解调输出信号；

6、反馈回路包括自适应调制模块和dac，将正交参考载波和解调输出信号通过自适应调制模块得到重构参考信号；将重构参考信号通过dac转换为模拟信号后，将模拟信号取反输入第一加法器。

7、优选地，频率合成器输出的正交参考载波和正弦信号互为正交信号；同相支路混频器和正交支路混频器分别为第一乘法器和第二乘法器。

8、优选地，自适应调制模块包括第三乘法器和第二增益模块，解调输出信号输入第三乘法器，且将正交参考载波经过第二增益模块后也输入第三乘法器，第三乘法器的输出为重构参考信号。

9、优选地，将正交参考载波的频率通过dac模块后作为mems电场传感器的屏蔽电极驱动频率输入mems电场传感器。

10、优选地，同相支路二阶滤波器和正交支路二阶滤波器为低通滤波器或带通滤波器，同相支路二阶滤波器和正交支路二阶滤波器的截止频率相同。

11、本发明的第二方面提出了一种基于本发明第一方面所述系统的mems电场传感器闭环解调方法，具体为：

12、用mems电场传感器的电压信号与设定的第一增益系数之积减去重构参考信号得到误差信号，将误差信号分别乘以正交参考载波和正弦信号得到同相混频信号和正交混频信号，正交参考载波和正弦信号互为正交信号；将同相混频信号和正交混频信号进行滤波，滤除高频分量分别得到基带同相分量和基带正交分量；将基带同相分量和基带正交分量进行矢量合成得到解调输出；

13、将解调输出乘以设定的第二增益系数，再乘以正交参考载波得到重构参考信号；

14、且将mems电场传感器的屏蔽电极驱动频率调整为正交参考载波的频率。

15、本发明的第三方面提出了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行使用本发明的第二方面所述mems谐振式电场传感器闭环解调方法的步骤。

16、本发明的第四方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使用本发明第二方面所述基于mems谐振式电场传感器闭环解调方法的步骤。

17、本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

18、本发明利用同一频率合成器同时提供传感器驱动电压和i-q解调所需的正交参考载波，通过构造i/q两条正交信号路径并进行矢量合成，消除输入信号相位对电场幅值测量的影响；

19、本发明采用闭环反馈的自适应误差调节机制，将解调输出重构为参考信号，利用pid调节器驱动误差归零，使解调输出自动逼近真实电场值，此机制 使解调系统对跨阻放大器增益漂移、低通滤波器参数温度偏移以及模数转换器误差等非理想因素具有自适应调节能力；克服了开环解调方案中测量精度完全依赖于各环节预先标定精度的限制，并可实现差分结构同样的共模信号抑制能力； 因此本发明当闭环达到稳态时，解调输出信号自动逼近真实电场值，不受信号链路中缓变参数偏移的显著影响，提高长期测量稳定性；

20、本发明的信号处理链路仅包含增益调节、两路i-q混频、二阶低通/带通滤波、加法器矢量合成和pid控制反馈五个环节，相比同步解调法的高通滤波-正交相关-带通/低通滤波-峰值提取等多级串联结构大幅简化，整个解调系统仅需调节三个参数：第一增益系数k1、第二增益系数k2和pid调节器参数，降低了调试和标定工作量，有利于在fpga等数字平台上工程化实现。

1.一种mems电场传感器闭环解调系统，包括跨阻放大器、第一增益模块、反馈回路、adc、pid调节器、频率合成器、同相支路混频器、正交支路混频器、同相支路二阶滤波器、正交支路二阶滤波器、第一加法器、第二加法器和第三乘法器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述一种mems电场传感器闭环解调系统，其特征在于：

3.根据权利要求1所述一种mems电场传感器闭环解调系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述一种mems电场传感器闭环解调系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述一种mems电场传感器闭环解调系统，其特征在于：

6.一种基于权利要求1-5任一项所述系统的mems电场传感器闭环解调方法，其特征在于：

7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行使用权利要求6所述mems谐振式电场传感器闭环解调方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使用权利要求6所述基于mems谐振式电场传感器闭环解调方法的步骤。