Moku MEMS 測試與(yu) 表征等国产成人在线观看免费网站解決(jue) 方案。
東(dong) 南大學利用Moku:Pro跟蹤MEMS国产成人在线观看免费网站諧振頻率並穩定輸出信號幅值
簡介與(yu) 挑戰
微機電係統（MEMS）利用矽的電學和機械特性，將機械結構和電子結構集成在一起，用於(yu) 檢測加速度、旋轉、角速度等。MEMS設備的核心組件包括一個(ge) 垂直懸掛於(yu) 設備運動方向的質量塊，在其框架內(nei) 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裏奧利加速度。
圖 1：一個(ge) 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，可以感知科裏奧利力的大小和方向。
MEMS器件之間通常存在差異，這會(hui) 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(nei) 部測量需要多種儀(yi) 器來完成。例如，使用頻率響應分析儀(yi) 檢測共振、鎖相環 (PLL)用於(yu) 跟蹤諧振頻率、PID 控製器用於(yu) 振幅穩定的以及鎖相放大器用於(yu) 測量設備對運動的響應。在此示例中，中國東(dong) 南大學的研究人員使用了三個(ge) 獨立的鎖相放大器和一個(ge) PID 控製器（全部都在 Moku:Pro 中）來跟蹤其 MEMS 設備的性能並使其穩定。
Moku:Pro具備低噪聲輸入性能，為(wei) MEMS 係統控製和表征提供了全麵的集成解決(jue) 方案。在多儀(yi) 器並行模式下支持同時組合運行多達4種獨立儀(yi) 器功能並提供超過 14 種可選測試儀(yi) 器功能，涵蓋了上述所有MEMS国产成人在线观看免费网站必要的儀(yi) 器功能，同時還包括如用於(yu) 激光頻率穩定的激光鎖頻/穩頻器和用於(yu) 精確相位敏感測量的相位計功能。
MEMS測控係統架構
為(wei) 了精確跟蹤和穩定 MEMS 設備，實驗人員將MEMS器件分為(wei) 兩(liang) 部分，驅動部分 (Drive Mode: X) 以及感知部分 (Sensing Mode: Y)。兩(liang) 部分隨後被分為(wei) 反饋穩定驅動信號通路以及信號檢測。X部分擁有一個(ge) 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)上並且穩定其輸出信號的幅值。由於(yu) 器件的內(nei) 部沒有自發激勵信號，所以需要有一個(ge) 外部信號源為(wei) 器件提供一個(ge) 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(yu) 共振器頻率之間的偏差。鑒於(yu) MEMS 器件的相位響應在驅動頻率上是單調的，因此隻有當驅動頻率與(yu) 諧振器頻率精確重合時，才會(hui) 達到90°相移。這一過程強調了在係統內(nei) 建立全麵反饋回路的必要性。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(cong) 而將其穩定在諧振頻率上。閉環控製係統包括一個(ge) 混頻器、低通濾波器、比例積分（PI）控製器和壓控振蕩器（VCO），這些組件集成為(wei) 鎖相環（PLL）模塊。這一模塊在Moku多種儀(yi) 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(wei) 了確保共振穩定性，需要實現反饋信號幅度穩定，以補償(chang) 係統噪聲和溫度變化。我們(men) 首先設定目標輸入信號振幅R，然後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(yu) R之間的差值成為(wei) 反饋 PI 控製器的誤差信號來控製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係統中進行共振跟蹤和幅度穩定涉及將反饋信號通過兩(liang) 條控製路徑傳(chuan) 輸。一條路徑包括VCO，專(zhuan) 用於(yu) 頻率跟蹤。另一條路徑表示目標幅度 R用於(yu) 穩定振幅。LPF指的是低通濾波器，PI表示比例積分控製器，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(yu) Moku:Pro的輸出 1 和輸入 1相連構成器件的驅動反饋控製通路。插槽2中的鎖相放大器用於(yu) 實時計算輸入信號的幅值，而隨後插槽3中的PID控製器接受幅值信息來產(chan) 生幅值控製信號。需要注意的是，由於(yu) X通路的輸入輸出之間存在固有的90°相位差，我們(men) 配置了另一個(ge) 鎖相環（PLL_2）以對PLL_1的sin(ωt)信號引入90°相移，從(cong) 而生成幅度為(wei) 1的cos(ωt)信號。隨後，插槽4中的第二個(ge) 鎖相放大器的混頻器將cos(ωt)與(yu) PID控製器的控製信號進行幅度調製，以控製驅動信號的幅度，從(cong) 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，然後將其傳(chuan) 輸到插槽 3 中的 PID 控製器，以產(chan) 生控製信號。隨後，該控製信號與(yu) 位於(yu) 插槽 4 的鎖相放大器中的鎖相單元振幅信號混合。這一過程控製驅動信號的振幅，以穩定 MEMS 器件中質量塊的諧振幅度。此外，槽 1 中還有一個(ge) 額外的鎖相放大器，負責監測傳(chuan) 感信號的響應。
在實驗中，Moku:Pro多儀(yi) 器並行模式的四個(ge) 插槽根據圖3所示的設計進行配置。軟件界麵配置如圖4截圖所示。相鄰的插槽之間通過配備的兩(liang) 條實時信號總線進行通信，可確保好的信號質量，同時max限度地減少延遲，並且不引入額外噪聲。模擬輸入標記為(wei) In 1 至 4，模擬輸出標記為(wei) Out 1 至 4。
圖4: Moku:Pro 多儀(yi) 器並行配置軟件界麵
圖5 描述了插槽2的鎖相放大器的配置，其中的極坐標係轉換(用於(yu) 計算信號幅值)以及鎖相環PLL(用於(yu) 諧振頻率鎖定)都被啟用。其中的鎖相環配置為(wei) 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(wei) 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。濾波以後的信號通過極坐標係轉換後輸出的信號幅值會(hui) 被作為(wei) PID控製器的輸入進行幅值穩定控製。
圖5: 鎖相放大器(插槽2) 操作界麵: 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(wei) 500 mVpp 的鎖相信號 sin(ωt)。
在圖6中，插槽3中的PID控製器被配置為(wei) PI控製器將誤差信號的直流誤差控製在0附近。利用輸入控製矩陣，我們(men) 可以反轉輸入 A 信號的符號，然後在輸入偏移上指定目標值為(wei) 100.4 mV，使控製器模塊的輸入成為(wei) 振幅誤差信號。其中的積分器交越頻率(I)被設置為(wei) 3.125 Hz，比例增益(P)被設置為(wei) -24 dB以確保對溫度漂移進行低帶寬控製。輸出偏移設置為(wei) 200 mV，以便在啟動 PID 控製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製在100.4 mV。
圖6: PID 控製器(插槽3) 通過控製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(yu) 插槽 2 中的相同。不過，我們(men) 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(chang) 。
圖 7 中的 A 表示來自 PID 控製器的振幅控製信號，該控製信號改變了 PLL 輸出信號 cos(ωt) 的振幅。低通濾波器截止頻率為(wei) 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。然後，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(chan) 生 cos(ωt) 信號，補償(chang) 驅動和反饋信號之間的相位差。重新生成的 cos(ωt) 信號隨後進行振幅調製，以穩定質量塊諧振幅度。
此時，Moku:Pro 成功地驅動並穩定了 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(yu) 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(yi) 器並行模式完成了對器件的驅動，並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(ge) 鎖相放大器儀(yi) 器和一個(ge) PID 控製器，所有這些都僅(jin) 通過一個(ge) 基於(yu) 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。總體(ti) 上，驗證了Moku:Pro在作為(wei) MEMS測量控製一體(ti) 化的解決(jue) 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(wei) 乘法器，拓展国产成人在线观看免费网站在傳(chuan) 感軸上實現力平衡閉環（force-to-rebalance）。與(yu) 市場上的同類儀(yi) 器相比，Moku:Pro 不僅(jin) 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(ge) 係統級的解決(jue) 方案。
zui後，特別致謝Prof. Xukai Ding協助並提供測試反饋。
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