FPGA硅微谐振式加速度计测频电路设计+电路图+程序(2)

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2.1.1直接测频法 . 5

2.1.2多周期同步法 .. 7

2.1.3混频法 .. 8

2.1.4锁相环的测频方法 . 9

2.2被测信号的特点及对数据采集电路的要求被测信号的特点 . 10

2.2.1被测信号的特点 .. 10

2.2.2数据采集电路需满足的主要技术要求 .. 11

2.3数据采集电路设计方案 . 11

2.3.1方案一直接测频法 11

2.3.2方案二多周期同步法 . 11

2.3.3方案三锁相环测频法 . 12

3．硅微谐振式加速度计数据采集电路的 FPGA软件设计. 13

3.1鉴相器 13

3.2 FIR滤波器 .. 14

3.2.1FIR滤波器简介 14

3.2.2基于 matlab工具的滤波器系数计算 16

3.2.3希尔伯特变换 . 17

3.3 PI控制器（环路滤波器） 19

3.3.1比例（P）控制 19

3.3.2积分（I）控制 20

3.3.3参数的选择 20

3.4 正交 VCO的实现方法 21

3.4.1查表法 . 22

3.4.2CORDIC 方法 22

3.4.3复数乘法原理 . 24

3.4.4三种方法的比较和选择 .. 25

3.4.5复数乘法原理的幅度较正原理 .. 25

3.4.5复数乘法原理在 FPGA中的实现 . 26

3.5 旋转鉴相器.. 27

3.6 RS-232通信模块设计 .. 27

4．硅微谐振式加速度计数据采集电路的 FPGA硬件件设计.. 29

4.1整体结构 . 29

4.2带通滤波 . 29

4.3直流偏置 . 33

4.4模数转换 . 34

4.5 FPGA模块 36

5．硅微谐振式加速度计数据采集电路的仿真与测试. 38

5.1 MATLAB 仿真 . 38

5.2 Single TabⅡ测试.. 40

5.3 串口数据. 41

5.3.1信号源测试 41

5.3.2加速度计测试 . 42

结论 44

致谢 45

参考文献.. 46

附录A 数据采集电路原理图 48

附录B 数据采集电路 PCB板实物图 51

附录C FPGA 的Verilog HDL 语言源程序.. 52

本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 60 页 1. 绪论 1.1 微机电系统与硅微加速度计简介
1.1.1 微机电系统概述微机电系统（Micro-Electro-Mechanic System ，简称 MEMS）是指可批量生产的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等为一体的微型系统或器件。NEXUS中给出了微机电系统一个较普遍的定义：“微机电系统是电子和机械原件相结合的装置或系统，采用与集成电路兼容的批加工技术制造，尺寸可以从毫米到微米量级范围内变化。这些系统结合了传感和执行功能并进行运算处理，改变了我们感知和控制物理世界的方式。”MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术与超精密机械加工技术的发展而不断发展起来的。MEMS 技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的技术和材料，所以从制造技术本身来讲， MEMS 中基本的制造技术是很成熟的。但 MEMS 侧重较于超精密机械加工，并且要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声等物理学的各领域。 MEMS 的特点是： 1）微型化：MEMS 器件体积小、重量轻、耗能低、谐振频率高、惯性小、响应时间短等特点。 2）用硅作为主要材料，源]自{751^*论\文}网·www.751com.cn/机械电器性能优好：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝相似，热传导率类似钼和钨。 3）批量生产：采用硅微加工工艺进行加工，可以在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的 MEMS。这样可大大降低生产成本。 4）集成化：能够把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成为一体，或者形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至可以把多种功能的器件都集成在一起，形成非常复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可以制造出可靠性、稳定性非常高的 MEMS。 5）多学科交叉：MEMS涉及材料、制造、电子、机械、信息与自动控制、物理和生物等多种学科，并且集约了当今科学技术发展的许多尖端成果 [1, 2]。