第17卷第1期 中国惯性技术学报 Vol.17 No.1 2009年2月 Journal of Chinese Inertial Technology Feb. 2009 文章编号：1005-6734(2009)01-0081-04

基于虚拟仪器的微机电系统动态特性测试仪设计

王 嫘，董景新，赵长德，李童杰，孔星炜

（清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084）

摘要：设计了一种基于虚拟仪器的微机电系统动态特性测试仪，主要用于微机电系统的频谱测试和静态特性测试。该仪器采用PCI总线24位高性能数据采集卡，使用虚拟仪器技术进行设计和开发，采用扫频方法给待测系统输入一系列由低频到高频的正弦激励信号，进而分析出该系统响应和激励之间的关系。其频率范围为0.01 Hz～10 kHz，并能在关键频率附近增加测试的频率点以提高精度。试验表明，该仪器的最大幅值误差小于0. 2dB，最大相位误差小于0.7°，同时具有较高的可靠性和扩展性。该仪器自动化程度高，并具有良好的人机交互特性，可实时显示测试数据并绘制曲线，并在测试完成后进行数据分析处理，最后自动生成报表。 关 键 词：频谱分析；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW 中图分类号：U666.1

文献标志码：A

Design of spectrum analyzer based on visual instrument technique

WANG Lei, DONG Jing-xin, ZHAO Chang-de, LI Tong-ji, KONG Xing-wei

(Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：A spectrum analyzer based on Visual Instrument (VI) technique was designed, which could be used to analyze the static and dynamic characteristics of the MEMS(Micro-Electro-Mechanism System). A 24-bit data card with PCI bus is used in this analyzer. Frequency method is applied to get the dynamic characteristics of the system under test, and the frequency range is from 0.01 Hz to 20 kHz. This analyzer extends the testing range of low frequency, and adds more testing points in the main frequency. The calibration results in the lab show that the maximum amplitude error and maximum phase error of this instrument is lower than 0.2 dB and 0.7° respectively. The analyzer is of high automation level and has a friendly interface. It can analyze and process the online data, build the graphs and then generate its report.

Key words: spectrum analyzer; virtual instrument; data acquisition; LabVIEW

微机电系统在研制过程中需测试其动态特性，如微加速度计的敏感部件是质量弹簧系统，由于微电子工艺的离散性，不同批次有较大差异。只有通过测试其动态特性，辨识出数学模型后，才能正确设计加速度计的伺服回路，进而测试整个微机电系统的动特性。而测试频率特性的数字化仪器硬件复杂，价格昂贵，只能进行频域测试，且高频段达到500 MHz，而微机电系统只需10 kHz。于是用现有的高档数据卡，组成虚拟仪器来测试微机电系统的动特性

就成为优选的方案。

1 总体结构

虚拟动态特性测试仪系统框图如图1所示，由工控机和多功能数据采集卡构成。

收稿日期：2008-10-10；修回日期：2008-12-20

基金项目：国家十一五预研基金资助项目（51308050208）

作者简介：王嫘（1986—），女，博士研究生，研究方向为微机械加速度计。 E-mail：w-lei07@ 联 系 人：董景新（1948—），男，教授，博士生导师。 E-mail：dongjx@

82 中国惯性技术学报 第17卷 测频率特性的方法是：工控机通过数据卡的D/A输出激励信号加到待测微机电系统的测试端，再将这个激励信号 和待测系统输出的响应信号通过高速A/D采集至计算机，将所得数据进行处理，进而得出待测系统的频率特性。

系统硬件主要包括工控计算机、数据采集卡、接线端子和传输屏蔽线。其中数据采集卡是虚拟仪器的关键部件，有2个模拟输入（A/D）通道以及2个模拟输出(D/A)通道，都是24位分辨率，可同步多路运行。双极性输入电压范围为 ±316 mV～ 42.4 V，输出电压范围为±100 mV～10 V。采样速率高达204.8 ks/s，最小速率1 ks/s，最小增量181.9 µs/s。

2 软件设计

微机电系统测试分为频率特性测试以及静态特性测试，所有软件利用LabVIEW平台开发。 2.1 频率特性测试

采用扫频法，分时向待测系统输入一系列由低频到高频的正弦信号。同时测试这个输入信号和待测系统稳定的输出信号，就可得到系统的幅频和相频特性。扫频法的算法如图2所示。 2.2 激励信号频率点分配

有两种方法可供选择,固定步长法和固定点数法，具体计算公式如下 固定步长法： Fi=FlSpi （1） 固定点数法：

Fi=Fl(

Fh

)Fl

iN 1

（2）

其中，Fl为起始频率，Fh为结束频率，Fi为当前频率，N为测量点数，i为当前扫描的频率点数。固定步长法能比较好地兼顾个频率段的曲线特性；固定点数法的采样时间是固定的。若设置加密区间，则根据用户给定条件分别计算出进入加密区间前、加密区间内以及加密区间后应扫描的点数以及步长，其中，Fl1为加密区间起始频率，Fh1为加密区间结束频率，N2为进入加密区间前应扫描的点数，N1为加密区间内应扫描的点数，N3为出加密区间后应扫描的点数。

当前扫描频率Fi的计算公式如下： …… 此处隐藏：2542字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……