基于直接数字频率合成器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路

第35卷第12期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.35No.12 2013年12月 Journal of Electronics & Information Technology Dec. 2013

基于直接数字频率合成器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路

任东宇

①

②

＊①②

彭春荣 夏善红

①①

(中国科学院电子学研究所传感器技术国家重点实验室 北京 100190)

(中国科学院大学 北京 100039)

摘 要：为了实现AC(工频)和DC电场同时检测，该文基于MEMS电场传感器，采用直接数字频率合成器(DDS)激励及正交锁相技术研制出一种高性能微型电场传感器电路。该系统结合低噪声模拟电路和数字控制方式，采用DDS产生精准的传感器激励信号和双路正交参考信号，保证了激励信号及正交参考信号的频率、幅值稳定性以及双路正交参考信号之间准确的相位差。采用相关解调芯片及高速滤波器构建正交锁相放大电路，结合Advanced RISC Machines (ARM)微控制器，解决了单片机数字信号处理响应速度慢、资源不足等问题，成功实现AC(工频)及DC电场加载情况下传感器弱信号高精度提取。

关键词：微型电场传感器； 静电场及工频电场；直接数字频率合成器(DDS)； 正交锁相放大器； 分辨力 中图分类号： TP212 文献标识码： A 文章编号：1009-5896(2013)12-3030-07 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2013.00312

Micromachined Electric-field Sensor System Based on Direct Digital

Synthesizer and Lock-in-amplifier to Measure AC and DC Fields

Ren Dong-yu

①

①②

Peng Chun-rong Xia Shan-hong

①

①

(State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese

Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

②

(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

Abstract: A novel and high-performance micromachined electric-field sensor system circuit which can measure both AC (50 Hz) and DC fields is presented based on Direct Digital Synthesizer (DDS) and Lock-In-Amplifier (LIA). The system combines low-noise analog circuits and digital control scheme, using DDS to generate the excitation signal and the orthogonal reference signals, ensures the frequency and amplitude stability of the excitation signal and precise phase difference between the orthogonal reference signals. Using demodulator chip and high-speed filter to build quadrature lock-in amplifier circuit, combining with the ARM microcontroller, the system achieves a faster response and saves much more sources than the simple digital processing circuit. Key words: Micromachined electric-field sensor; DC and AC (50 Hz) electric field; Direct Digital Synthesizer (DDS); Quadrature Lock-In-Amplifier (LIA); Resolution

1 引言

电场传感器应用广泛，在智能电网、航空航天、气象、地震和科学研究等领域具有十分重要的应 用[1?5]。通过对电网中高压输电线、绝缘子等电力设施周围的电场分布的监测，可用于检测电网运行状态、绝缘子污秽情况等[6?8]。对大气环境电场的探测，可用于雷电预警和气象研究，也可为卫星等飞行器发射升空安全提供重要保障[9]。

随着电力传输系统的发展，有越来越多的高压2013-03-15收到，2013-07-27改回

国家863计划项目(2011AA040405)和国家自然科学基金(61101049)资助课题

*通信作者：任东宇 rdyzju@http://wendang.chazidian.com

交流输电线路和高压直流输电线路处于相邻位置，未来还有高压交流输电线路和高压直流输电线路同走廊架设甚至还可能有同塔架设的现象。因此，在上述这些情形要求能对输电线路的交直流电场或电压同时进行监测或测量，以提供电能质量等信息。然而，目前报道的传统传感器只能用于DC或AC电场或电压测量，不能同时对两者进行测量，且由于传感器结构采用传统机械加工技术制作，成本高，探头尺寸大，电场畸变较大，测量误差大；而且为了增加电极设计的安全性，传感器仍采用昂贵、危害环境的绝缘材料，进一步造成传感器整体成本增加、结构复杂等问题。

随着MEMS技术发展，国内外相继报道了多种

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基于MEMS技术的微型电场传感器[10?14]。相比传统机械加工技术制作的电场传感器而言，基于MEMS技术的电场传感器具有探头尺寸小、集成度高、成本低、功耗低等突出优点，具有非常重要的发展潜力。然而由于微型电场传感器尺寸小，空间耦合干扰大，背景噪声强，有效信号弱，极易受到噪声、外部干扰的影响。提取电场传感器有效输出信号的难度较大。目前报道的如美国Boston大学、U.C.Berkeley大学、Medtronic公司以及日本AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)的Kobayashi等人研制的MEMS电场传感器都只针对静电场检测进行了实验[15?18]。最近，加拿大Manitoba大学研制的热激励MEMS电场传感器针对性地进行了高压输电线交直流电场检测，实验结果表明对静电场检测分辨力可达42 V/m，但量程只有5000 V/m，能够检测60 Hz交变电场，但并未给出交流电场分辨力等关键参数[19]。

为解决以上存在的问题，实现AC(工频)和DC电场同时检测，提高传感器的检测精度，本文针对微型电场传感器的信号输出特点，采用模拟-数字电路结合的方式处理传感器输出信号，研制了一种可用于交直流电场同时测量传感器系统电路。

生周期性改变，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，测量此电流值即可达到测量被测电场的目的。

3 传感器DC和AC电场检测方法

当被测电场垂直于感应电极上方，感应电极表面有感应电荷产生，根据高斯定理，感应电荷为

(1) Q??0?rEA

A为有效感应面积，传感器接收到激励信号后，屏蔽电极会来回做周期性的振动，设静电激励信号频率?1，初相位?1,A0为屏蔽电极的最大暴露面积，则感应电极的有效感应面积即暴露面积A可表示为

A?A0sin(?1t??1) (2) 若外部电场为DC与AC电场的合成场E0? E1sin(?2t??2)，则感应电极上的感应电荷为

Q?EA?0?r??0?rA0?E0sin(?1t??1) ?E1sin(?1t??1)sin(?2t??2)?

(3)

感应电极与屏蔽电极形成的电容周期性的充放电生成的感应电流转换为电压信号为 x(t)?dQ/dt?Rs?Rs?0?rA0?E0?1cos(?1t??1) ?E1[?2sin(?1t??1)cos(?2t??2) ??1cos(?1t??1)sin(?2t??2)]}

2 传感器敏感结构工作原理

本文研究对象是基于Silicon-On-Insulator(SOI)技术的MEMS谐振式微型电场传感器敏感结构[14]，该传感器结构图如图1(a)所示。传感器由激励电极、屏蔽电极、感应电极、支撑梁等部分构成。屏蔽电极与激励电极连接在一起，在激励电压Vd? Vasin(?t)驱动下，激励电极带动屏蔽电极以频率?水平周期振动[20]，遮挡置于屏蔽电极左右两侧的感应电极。

该传感器的工作原理图如图1(b)所示。传感器的屏蔽电极接地，与正感应电极、负感应电极分别形成两个电容器。当屏蔽电极周期性地振动时，其侧壁遮蔽感应电极，感应电极表面的感应电荷量发

(4)

由于?1已知为激励信号频率。根据此信号的特性，采取正交锁相放大提取电场信号[21]。另外采集两路与激励信号同频率的参考信号

r1(t)?Vrsin(?1t??3), r2(t)?Vrcos(?1t??3) (5) 将两路参考信号分别与电压信号相乘，并设常数项VrRs?0?rA0?k后得到

r1(t)x(t)?0.5k{E0?1[sin(?3??1)

?sin(2?1t+?1+?3)]+E1{?2cos(?2t+?2) ?[cos(?3??1)?cos(2?1t??1??3)] ??1sin(?2t??2)[sin(?3??1) ?sin(2?1t??1?

?3)]}}

(6)

图1 SOI微型电场传感器结构图及工作原理图

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r2(t)x(t)?0.5k{E0?1[cos(?3??1)+cos(2?1t+?1+?3)] ?E1{?2cos(?2t??2)[sin(?3??1) ?sin(2?1t??1??3)]??1sin(?2t??2) ?[cos(?3??1)?cos(2?1t??1??3)]}}

uo(t)?0.5VrVs?0?rA0E1?1|sin(?2t??2)| (12)

(7)

如此处理后得到的信号是一个频率信号，其幅值与交变电场幅值成正比关系，只需测出处理后信号的幅值即通过计算可得到交变电场幅值，达到检测AC电场的目的。

分析此信号组成，使用截止频率低于?2的低通滤波器对式(6)及式(7)两路信号滤波之后，可得

uo1(t)?0.5kE0?1sin(?3??1)???

(8)

?

uo2(t)?0.5kE0?1cos(?3??1)????

4 系统方案设计

4.1 总体方案

MEMS电场敏感结构输出信号为弱电流信号，且由于敏感结构尺寸小，空间耦合干扰严重，信号处理电路的设计对传感器整体性能影响较大。由于敏感结构采用对称设计，正负感应电极输出电流幅值相等，符号相反，使用差分激励及差分检测的方式会极大地降低由于空间耦合造成的干扰[22]。本文提出的模拟-数字电路相结合的微型电场传感器系统，系统结构框图如图2所示。系统主要包括：电源模块、传感器敏感元件、I/V转换电路、模拟信号处理、正交锁相放大电路、A/D转换电路、主控芯片电路、波形发生单元及RS232通讯电路等几部分。

整个系统使用6 V直流单电源供电，经过电源模块后，生成系统所有器件使用的模拟+3.3 V, +5.0 V, -5.0 V, +20.0 V及数字3.3 V, 5.0 V电压。波形发生单元用于生成传感器所需的差分激励信号及正交锁相放大电路所需的参考信号。电场传感器接收到激励信号后开始工作，输出电流信号，电流信号经过I/V转换电路、差分放大电路及滤波电路等预处理电路之后，进入正交锁相放大电路。由AD采集芯片将正交锁相放大电路的输出信号采集进入单

(9)

对式(8)两路信号做矢量合成可得式(9)。由式(9)可见输出与电场值成正比，因此若使用低通滤波器处理式(6)及式(7)时，即可达到检测DC电场的目的。

若对式(6)及式(7)使用中心频率为?2的带通滤波器滤除直流信号、频率为?1, 2?1的高频信号，以及通带之外的噪声信号，得到的输出为 uo1(t)'?0.5kE1?2cos(?2t??2)cos(?3??1)uo2(t)'?0.5kE1?2cos(?2t??2)sin(?3??1)

?0.5kE1?1sin(?2t??2)sin(?3??1) (10)

uo??0.5kE0?1

?0.5kE1?1sin(?2t??2)cos(?3??1) (11)

传感器激励频率?1约为3~5 kHz，要远大于?2，因

此可忽略式(10)及式(11)中的第1项，此时两路输出信号uo1(t)',uo2(t)'为同频率同相位的两路正弦信号，且系数存在三角函数关系，将两路信号做矢量合成后，并将k?VrRs?0?rA0E0代入可得到

?2为交变电场频率，若测量工频电场时为50 Hz，

图2 系统整体框图

第12期 任东宇等： 基于直接数字频率合成器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路 3033

片机，进行电场幅值的计算，并通过RS232通讯电路输出至上位机显示。 4.2 硬件电路设计

4.2.1 I/V转换电路设计 传感器敏感结构输出的电流信号非常微弱(pA量级)，且信噪比低(甚至达到-60 dB)，因此传感器处理电路中的I/V转换电路非常关键。对传感器感应电极的电位以及传感器的输出特性都将造成影响。

I/V转换电路的原理图如图3(a)所示。

Is为传感器输出电流，经运算放大器处理后输出为

Vout?IsRf

(13) 对于微弱电流的放大，Rf越大越有利于提高输出的灵敏度。式(13)是在所有器件为理想特性下的计算结果。实际情况下，考虑到运放的非理想特性，对电路的影响，I/V转换电路的等效电路模型如图3(b)所示。IB为运放输入偏置电流，IIO为运放输入失调电流，VOS为运放输入失调电压，Rp为传感器敏感结构的等效电阻，Cs为屏蔽电极与感应电极之间等效电容，图中三角符号代表理想运放。

由于偏置电流IB的作用，在输出端产生电压V1

为

V1?IBRf

(14) 由于传感器敏感结构的等效电阻Rp，在输出端产生的电压V2为

V2?(1?Rfp)VOS

(15) 由于传感器屏蔽电极的周期性振动，使屏蔽电

图3 I/V转换电路

极与正负感应电极之间的电容也发生周期性变化，其变化方向与电场感应电荷的方向刚好相反，因此，由于偏置电压VOS的作用，将产生一个与敏感电流IS方向相反的电流，减小有效输出。

VC3?VdOS

s

dt??kIsRf(16) 式(16)中k为比例系数，是一正值。

由式(13)~式(16)总结可得，

由于运放的非理想特性，在输出端产生的总电压输出为

Vout'?[IB?(1?k)Is]Rf?(1?Rfs)VOS (17) 由之前的讨论可以得出，Rf阻值的选取会比较大，若运放的偏置电流IB比较大，运放的输出将会存在较大的偏置电压，并容易造成运放的饱和，影响电路整体的放大性能。另外由于传感器输出电流本身就在pA级，输入失调电流IOS若较大，肯定会对电路的性能产生影响，因此在选用运放时，应当选用IB和IOS尽量小的运放。运放的输入失调电压VOS对输出的影响主要有两部分，一部分为式(15)所示的对输出电压的直接影响，另一部分为式(16)所示的，由于传感器敏感结构屏蔽电极的振动，VOS产生的电流直接抵消传感器有效输出电流，这将会直接影响运放的有效输入电流，降低信噪比，因此，在选用运放时，需要选用失调电压较低的运放。根据上述的分析，并对各公司的精密运放进行比较之后，最终选用ADI(亚德诺半导体技术公司)的AD8626这一款运放作为I/V转换电路的运放。其主要参数为：IB=0.25 pA, IOS=0.5 pA, VOS=0.05 mV。配合10 M?的Rf及1 pF的Cf, I/V转换电路搭建完成，可以满足系统要求。

4.2.2正交锁相放大电路 正交锁相放大电路主要由鉴相器及后置的滤波器组成[21]，鉴相器是锁相放大电路的核心部件，其性能对锁相放大器整体特性具有决定性作用。目前较为常用的鉴相器主要有模拟乘法器型及电子开关型两种。AD630是ADI公司出品的一款电子开关型鉴相器，其可从100 dB噪声中恢复信号，频道带宽较宽，串扰极低，为-120 dB (1 kHz)，是用于搭建锁相放大器的理想器件。因此本文基于AD630搭建了正交锁相放大电路。待检测信号经过鉴相器之后需要使用滤波器滤除噪声，根据之前的分析，本文在鉴相器之后同时设计了低通及带通滤波器，即可实现同时检测待测电场中的AC分量及DC分量。

4.2.3基于DDS的双路正交参考信号 正交锁相放大电路需要两路相位差为90°的正弦信号作为参考信号，这两路参考信号必须幅度一致，且保持严格

3034 电 子 与 信 息 学 报 第35卷

的90?相位差，否则将会影响检测的准确性与线性度。考虑到DDS器件相对带宽较宽，频率分辨率高、相位连续变化等优点，本文使用微控制器同步控制两片AD9834生成两路90?相位差的正弦信号。如图4所示为参考信号原理框图。

图4 参考信号原理框图

如图4所示，两片AD9834的RESET引脚连接在一起，并使用同一个时钟源作为时钟信号，保证输出信号具有准确的相位差。MCU通过SPI1口对一片AD9834写入频率控制字及相位控制字，设置它的输出频率为?1，输出初始相位为0?；再通过SPI2口对另一片AD9834写入频率控制字及相位控制字，设置它的输出频率也为?1，但初始相位为90?。所有的控制字都写入完毕后，拉低连接两片AD9834的RESET引脚的I/O引脚，使两片AD9834同时开始工作。即可输出相位差为90?的两路正弦信号。 4.3 软件设计

MCU的片上程序主要实现3部分的功能：控制、数据处理、通讯。

如图5所示为MCU片上软件流程图。系统开始工作后，首先完成MCU自身硬件资源的初始化，然后控制DDS芯片产生激励信号及正交参考信号，并控制AD芯片采集数据。采集数据完毕后，进行矢量合成及波峰检测等计算，最后计算出AC及DC电场幅值，通过串口输出至上位机显示。

5 实验数据及分析

为模拟均匀电场的产生，本文采用平行极板的方法对电场传感器进行标定，两极板平行放置，中间放置聚四氟乙烯支撑柱以保持良好的绝缘性，在上极板上留有一个尺寸与电场传感器敏感探头相同大小的孔，标定前，将探头放置在孔内，使探头表

图5 系统软件流程图

面与极板内表面平齐，减小畸变。上极板接地，下极板施加可调节的电压以产生均匀电场。如图6(a)所示为交直流电场检测系统样机及测试图。在室温和室内大气压条件下，使用本文设计的微型电场传感器系统测量50 Hz工频电场。如图6(b)所示为待测电场的电压加载曲线。图6(c)及图6(d)所示为正交锁相放大器输出信号的频谱分析曲线，在未加工频电场时，曲线上没有明显的50 Hz分量，加工频电场后，在频谱曲线上可以明显地看出有50 Hz信号分量。表明经过正交锁相放大电路的处理，传感器输出信号中体现工频电场幅值的分量已被成功提取出来。图6(e)所示为正交锁相放大电路的两路输出信号经过矢量合成之后的信号波形，此波形为频率100 Hz的频率信号，提取此信号的幅值即可计算出待测工频电场幅值。图6(f)所示为传感器系统测量工频电场的最终输出曲线，在未加待测电场时，传感器系统输出值为环境内工频噪声电场幅值，该噪声电场经过传感器系统计算后输出接近于0 mV，当加入待测电场后，传感器系统输出信号呈现阶跃式变化，经测试，传感器系统电路检测工频电场时分辨力优于20 V/m，每秒可输出1次电场测量数据。与国外Manitoba大学研制的交直流电场传感器系统相比，进一步提高了交变电场检测分辨力。

在同样实验条件下，使用本文设计的微型电场传感器系统进行DC电场测量。图7所示为DC电场相应曲线，测量的电场范围是±50 kV/m内，往返3个行程，总不确定度达到2.48%，分辨力优于50 V/m，每秒可输出3次电场测量数据。