（精密仪器及机械专业论文）基于频闪测量方式的平面微运动测试系统.pdf

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：至l 导师签名：二斗日 期：。钐。 摘要 摘要 本文首先介绍了m e m s 发展概况以及相关微器件运动特性测试技术。针对微结构周 期运动测试的要求，设计了一种基于频闪测量方式的平面微运动测试系统。 论文首先对频闪成像技术及其在微结构周期运动测试中的应用进行了分析，确定了 频闪照明、运动激励信号的控制时序、频率、幅度等技术指标，提出了基于频闪测量方 式的平面微运动测试系统的总体设计方案。 根据设计方案完成了基于频闪测量方式的平面微运动测试系统的硬件电路设计，使 用直接数字合成技术生成高精度高频脉冲信号，并对频闪控制信号精确移相，满足了物 体不同运动相位的照明和成像的要求，选择f p g a 作为a d 9 9 1 2 芯片的控制器，降低了 系统延时误差，保证a d 9 9 1 2 的高速响应控制。设计了低通椭圆滤波器，提高了信号的 频谱纯度。设计了板上控制模块和p c 机软件控制模块，能够方便地通过任一模块实现 参数设置，该系统通过u s b 接口与p c 机进行通讯，通过p c 机或板上控制系统设置工 作参数，生成1 路频闪照明脉冲控制信号。采用模块化设计思想完成了f p g a 平台软 件、基于m s p 4 3 0 的板上控制系统、u s b 通信协议以及基于l a b v i e w 的p c 端上位机 软件的设计工作。最终完成了滤波器参数测试、频闪照明控制信号的性能测试，给出了 实验结果分析，并通过软件方式进行相位延时补偿，基本完成了预期的目标。 关键词：频闪成像，同步控制，m s p 4 3 0 ，f p g a ，l a b v i e w a b s t r - d c t a b s t r a c t ab r i e fh i s t o r ya b o u tm e m sa n dr e l a t e dm o t i o nf e a t u r et e s t i n gt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e di nt h eb e g i n n i n g ap l a n em i c r om o t i o nt e s t i n gs y s t e mb a s e do ns t r o b o s c o p i c i m a g i n g i sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp e r i o d i cm o t i o n t e s t i n g o f m i c r o s t r u c t u r e s k e yp o i n t sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w i n g ： t e c h n i q u e so fs t r o b o s c o p i ci m a g i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni np e r i o d i cm o t i o nt e s t i n go f m i c r o s t r u c t u r e sa r ef u l l ya n a l y z e da n di n v e s t i g a t e d s e v e r a lp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d ， i n c l u d i n gc o n t r o l l i n g t i m es e q u e n c i n go fs t r o b o s c o p i cl i g h t i n ga n dm o t i o ne x c i t a t i o n ， f r e q u e n c y , a m p l i t u d ee t c a no v e r a l ld e s i g np l a no fp l a n em i c r om o t i o nt e s t i n gs y s t e mb a s e d o ns t r o b o s c o p i ci m a g i n gi sp u tf o r w a r d t h ec i r c u i td e s i g no ft h ep l a n em i c r om o t i o nt e s t i n gs y s t e mb a s e do ns t r o b o s c o p i c i m a g i n gw a sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h eb l u ep r i n t r e a l i z et h eg e n e r a t i o no fp r e c i s eh i g h f r e q u e n c yp u l s es i g n a lw i t l l a c c u r a t ep h a s em o v e m e n tu s i n gd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z a t i o n t e c h n o l o g y , s a t i s f y i n gt h el i g h t i n ga n di m a g i n gr e q u e s to fd i f f e r e n tm o v e m e n tp h a s e u s e d f p g aa st h ec o r ec o n t r o l l e ro fa d 9 912t oe n s u r et h a ta d 9 912r e s p o n dq u i c ke n o u g ht o c o n t r o l l e r d e s i g n e dl o w p a s se l l i p t i cf i l t e rt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo fh i g hh a r m o n i c s d e s i g n o nb o a r dc o n t r o lm o d u l ea n dp cs o f t w a r ec o n t r o lm o d u l et os e t u pt h ep a r a m e t e r t h ec i r c u i t c a l lc o m m u n i c a t e 诵t 1 1t h ep ct h r o u g hu s b a f t e rs e t t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s ，t h e c i r c u i tc a no u t p u to n ew a yp u l s ea c t u a t i n gs i g n a lo fs t r o b o s c o p i cl i g h t i n g s y s t e ms o f t w a r eo f f p g a p l a t f o r m 、) l ，i t l lm o d u l a rp r o g r a m m i n g ，o n b o a r dc o n t r o l l i n gp r o g r a m b a s e do nm s p 4 3 0 ， p r o g r a md e s i g no fp cu s bc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sb a s e do nl a b v i e wa n dc o r r e s p o n d i n g u s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ec o m p l e t e d a tl a s tf i l t e ra n ds y n c h r o n o u sp e r f o r m a n c e t e s t i n go ft h es t r o b o s c o p i ci l l u m i n a t i o na r ec o m p l e t e d ，d e l a yc o n p e n s a t i o ni sd o n et h r o u g h s o f t w a r ec a l c u l a t i n g ，a n t i c i p a t i o nr e s u l ti sa c h i e v e d k e yw o r d s ：s t r o b o s c o p i ci m a g i n g , s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，m s p 4 3 0 ，f p g a ， l a b v i e w i i l 】l 1 2 3 4 4 5 6 6 6 7 8 2 2 1d d s 原理简介。8 2 2 2d d s 频谱及杂散来源分析1 0 2 2 3d d s 杂散抑制方法分析。1 1 2 3 系统整体设计方案1 2 2 3 1 系统方案原理框图及总体工作原理1 2 2 4 小结1 3 第三章基于频闪测量方式的平面微运动系统的硬件设计1 4 3 1d d s 高频信号源设计1 2 6 1 1 4 3 1 1 引言1 4 3 1 2a d 9 9 1 2 的性能及功能描述1 s 3 1 3 外围电路设计1 6 3 1 4 通信设计1 7 3 2l g h z 参考时钟设计1 8 3 2 1 锁相环( p l l ) 基本原理1 9 3 2 2 参考时钟源的硬件实现2 0 3 3 滤波器设计2 1 3 3 1 概述2 2 3 3 2 低通椭圆滤波器的设计。2 2 3 4u s b 通信接口设计2 3 3 4 1u s b 接口简介2 3 3 4 2u s b 通信接口设计方案2 4 3 5 板上控制子系统设计2 6 3 5 1m s p 4 3 0 单片机简介2 6 3 5 2 总体设计2 9 3 5 3 液晶显示模块3 0 3 5 4 键盘控制模块3 1 第四章基于频闪测量方式的平面微运动系统的软件设计3 2 4 1f p g a 开发环境简介。3 2 4 4 1 数据通信协议4 1 4 5p c 机控制软件的开发4 1 4 5 1l a b v i e w 及虚拟仪器技术简介4 l 4 5 2 平面微运动测试系统p c 机软件设计。4 2 第五章系统测试及实验分析4 5 5 1 系统测试方案4 5 5 2 滤波器测试及实验分析4 5 5 2 频闪光源控制信号实验分析。4 6 5 4 ，j 、结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 工作总结4 9 6 2 后期工作展望4 9 参考文献s o 作者攻读学位期间发表的学术论文5 2 驼驺弘弘弘站拍打耵盯弘 中微结构高 标和内容。 微机电系统( m e m s ) 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科， 它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、 材料科学等多种工程技术和学科【l 】。微机电系统发展的源头可以追溯到4 0 多年前，1 9 5 9 年1 2 月的美国物理学会议，诺贝尔奖获得者、物理学家费曼博士( r i c h a r dp f e y n m a n ) 作了一个极富远见且具有开拓性的重要报告：“t h e r ei sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m ”【2 j 。 报告中，他描述了微型机械制造技术从t o p 到d o w n 的从宏观到微观的发展途径，同时， 他还论述了以原子、分子为模块构筑各种物质的一条由小到大的b o t t o m u p 的新路。从 此，人类进入了发展微观技术的新纪元1 3 。 m e m s 是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许多优点，同 时又集约了多种学科发展的尖端成果【4 j 。m e m s 的特点是： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时 间短。 2 ) 以硅为主要材料，机械电气性能优良：硅的强度，硬度和杨氏模量与铁相当、 密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3 ) 批量生产：用硅微加工工艺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m e m s 。批量生产可大大降低生产成本。 4 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或制动方向的多个传感器或执行器集 成与一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的微传感器 集成在一起，形成复杂的为系统。微传感器，微执行器和微电子器件的集成可 制造出可靠性、稳定性很高的m e m s 。 5 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息和自动化、物理、化 学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的多项尖端成果。 图1 1 为m e m s 器件模型，包括感知和控制外界信息( 光、力、磁、热、化学等) 的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路，是更广泛意义上的集成芯片系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。m e m s 应用领域十分广泛，主要表现在1 5 j ： 东南大学硕士学位论文 广_ 寸 _ 一竺兰| 口 一 怔困 寸 4 - i 信号h 信号h 信导l - 执行 悃 传感 器 器 l 垫垄卜 - 甲掣甲悃 寸 呻 传感器 广 其它l 一 - 一其它i 1 - j 感测量 光电磁控制量 图1 1m e m s 模型 1 ) 信息领域的光开关及其阵列、光无源互联耦合器、光相干探测器、微型打印喷 2 ) 传感器领域的为加速度计、微机械陀螺仪、微悬臂梁、微马达、微泵、微惯性 测量系统、压力传感器、流量传感器、温度传感器、湿度传感器等； 3 ) 生物与医学领域的生物芯片、微型流体通道分析系统、毛细管电泳、微型喷雾 头、微型机器人、微型药丸、微型镊子、片上实验室等。 由8 0 年代开始，各国对m e m s 技术的投入力度逐年加大，但m e m s 应用成长速 度却低于人们的期望，由于m e m s 的可靠性不能得到有效保证，许多m e m s 产品仍停 留在实验室阶段不能走向市场1 6 儿。为了提高m e m s 的可靠性，仍有许多问题需要解决。 首先，要进一步改善m e m s 加工技术，简化工艺流程，扩大可加工材料的范围， 提高产品合格率，降低成本，逐步使产品实用化、商品化。 其次，为了优化m e m s 的设计和制造，还需要进行更多相关的基础研究。如：研 究微型执行器运动机理，研制m e m s 能源供给系统、研究m e m s 能量转换机理和能量 转换系统、建立微型机械自律和并列分散控制系统，实现对m e m s 的智能控制、研究 m e m s 与外部世界的关系，建立宏观与微观的连接方式等。 由以上分析得出，无论是m e m s 的基础研究或是m e m s 的商品化，都离不开测试 环节。高效的测试手段能帮助研究人员增加对m e m s 的认识，有效的信息反馈有助于 保证研发的顺利进行，工艺的改进，以及产品可靠性和合格率的提高。 1 2m e m s 微器件运动特性测试方法 在m e m s 测试环节中，对于运动特性的测试具有极其重要的研究价值。首先，m e m s 的动态特性决定了大多数m e m s 器件的基本性能，微结构的固有频率、振动模态、品 质因数q 、响应时间和阻尼系数等是许多m e m s 设计时必须了解的重要参数；其次， m e m s 器件的可靠性、材料属性和机械力学参数等关键问题均需依靠动态特性测试技术 得以解决；此外，通过对运动特性的测试，可研究众多基础理论问题，如微尺度下空气 流动粘滞阻尼效应对微结构活动构件运动性能的影响机制等【8 】。因此，m e m s 动态特性 测试技术获得了越来越多的重视。 m e m s 测试方法众多，包括基于光学干涉的m e m s 运动特性测试技术、基于计算 机微视觉的m e m s 测试技术、基于激光多普勒测振的m e m s 运动特性测试技术等。但 是由于m e m s 微器件具有相当高的运动频率，一些测试方法无法对高速运动的器件进 行准确的测量。目前，针对高频运动m e m s 器件测试的方法有频闪成像法、高速摄影 2 第一章绪论 法和模糊图像法。其中基于计算机视觉的m e m s 测试技术和基于光学干涉的m e m s 运 动特性测试技术可通过模糊图像法、频闪成像法和高速摄影法来实现高速m e m s 运动 特性的测试。 1 2 1 频闪成像法 当微器件运动频率很高时，如果使用摄像机在连续光照条件下采集其运动图像，无 法获得清晰的图像。为了采集高速运动的微器件的清洗运动图像，一种方法就是采用频 闪成像法。 由美国u cb e r k e l e y 大学传感器与执行中心( b s a c ) 的c h r i s t i a nr e m b e 等建立的 频闪显微干涉系统( s m i s ) ，如图1 2 所示【9 j l 加】【l l 】【1 2 】。系统采用频闪成像以及基于最小二 乘法的图像相关技术实现面内运动的测量，运动幅度的分辨力在2 0 x 物镜下为3 6 r i m ； 离面运动的测量采用了频闪成像和相移干涉术实现，不同的是采用高亮激光二极管 ( l d ) 作为里面运动测量的光源，大大增强了干涉条纹的对比度，减少了频闪照明的 时间，并记录到m e m s 的运动幅度和变形。离面运动的测量范围为2 0 i _ t m ，分辨率为 0 7 n m 。同时他们将面内运动的测量数据和离面运动的测量数据有机结合，通过图像传 递实现运动的全三维测量。 g l a s st i b e f , x l d a n a l o gs i g n a l - 卜g p i b v i d e os i g n a i l i g h tb e a m 嬲i r r o r 。i ；崎e z o i s t e p p e ri p u l s ei , - i d e l a yu f r e q u e n c y s o l u r c ei i g e n e r a t o r ! l s c a l e 一 ) 蹦2 p t a + 甜, el r 静：穰”z e f。 哆+ p l a t e p o l 搠z 毫f t j 4 - p l a t e p o l a r i z a t i o n b e a ms 茹勰8 f - f u n c t i o n g e n e r a t o r p i e z os t e p p e rd r i v e r 图1 2s m i s 系统组成 m i t 的dmf r e e m a n 教授等人改进了原有的计算机微视觉测量系统l l3 ，利用频闪 成像和相移干涉技术测量m e m s 器件的离面微运动，采用高亮l e d 作为照明光源，运 动幅度的测量范围为2 0 p m ，分辨力为0 5 n m 。 美国s a n d i a 实验室的nfs m i t h 等人提出一种无损测量m e m s 器件谐振频率的方 法【1 4 1 ，被称为粘滞阻尼方法，该方法无需器件工作在谐振频率处，减小了测量过程对器 件的损害。通过选定特定的激励信号，利用频闪成像技术得到准静态的运动图像，经过 曲线拟合得到器件的谐振频率。 采用频闪测量方式的运动测试系统对测量对象的运动方式有一定要求，即要求其运 动为周期性静止或可重复的瞬态过程，但考虑到其成本比较低，采用一般摄影机就可以 实现对高速m e m s 器件进行测试，使得此方法在m e m s 动态特性测试领域得到了广泛 的应用。 3 磊盈 东南大学硕士学位论文 1 2 2 高速摄影法 高速摄影法在m e m s 运动特性测试中占有重要地位，该方法已成功应用于喷墨印 刷机工业中1 5 】。德国u n i v e r s i t yo f u l m 的c h r i s t i a nr e m b e 等人系统地开展了基于高速摄 影成像技术的m e m s 运动特性测试技术的研究1 1 6 】。其测试系统如图1 3 所示。 图1 - 3 实时高速成像摄影系统 系统中使用的显微镜为a x i o p l a n 2 ，高速摄影机为i m a c o n 4 6 8 ，曝光时间为1 0 n s ， 每秒钟可实时采集1 亿帧m e m s 器件的动态图像。该系统主要测量采用频闪成像技术 无法实现的非周期性和( 或) 非可重复性的平面微运动。利用该系统，他们开展了微涡 轮转动过程的实时测量，研究了器件的动力学特性。在分析微系统的动态特性时，首先 是利用高速摄影采集一组动态图像序列，然后对被测建立数学模型，将两者结合，从中 提取作用在微器件上的力和转矩信息。实验结果表明，该系统的图像频率为1 亿帧秒、 时间分辨率达1 0 n s 、空间分辨率达4 0 0 n m 。 1 2 3 模糊合成技术 模糊图像测量方法是采用模糊图像合成技术对m e m s 器件的运动特性进行分析的 方法。模糊图像合成技术的测量原理l l7 j ：在连续光照条件下采集高速运动的m e m s 器 件的运动状态，由于c c d 摄像机的采集频率不够高，所获得的图像时模糊的，图像中 的模糊带是由于器件在该区域内反复运动形成的，虽然图像不能正确反映m e m s 器件 在某一特定运动位置的运动状态，却能表示在特定驱动频率或驱动电压下m e m s 器件 平面微运动的最大运动幅度，模糊图像合成技术就是基于这个原理，对所采集的m e m s 器件的运动图像序列利用各种图像处理技术，并进行适当地组合，从而得到m e m s 器 件平面微运动的运动幅度与谐振频率等动态特性参数。 美国空军研究实验室的d a n i e lj b u m s 等采用模糊合成技术实现了m e m s 面内运动 纳米级分辨率的高精密测量。系统采用连续光照明，采集器件静止状态时的一帧清晰图 像和运动稳态时的一帧模糊图像，通过最小二乘算法将静态图像匹配成运动模糊图像的 方法，达到面内运动幅度的测量，进而推算出器件谐振频率和品质因数等参数。同上述 频闪成像测量方法相比，此技术不需要频闪照明及其附属驱动设备，测量系统简单，容 4 第一章绪论 易实现自动化，且频率测量上限不受照明频闪的持续时间限制，而由测试器件的驱动系 统决定，因而测量上限超过2 0 m h z 。但是测量精度较频闪测量方法有所降低，且测试 器件的运动幅度不可过低( 最好在亚微米级以上) ，否则无法形成可分析的模糊区域。 1 3 本课题的主要内容和目的 本课题涉及的微结构运动特性测试系统由两部分组成，分为硬件平台和软件平台， 硬件平台包括频闪成像同步控制系统、光源照明系统、图像采集和存储系统等；软件平 台以l a b v i e w 、c 语言、f p g a 和c + + 作为开发工具，包括图像处理系统、下位机控制 系统等。 本文通过分析微器件动态特性测试技术以及此微器件平面运动测试系统的特点，经 过充分的调研，提出了基于频闪测量方式的平面微运动测试系统。此系统具有频率高、 同步性好、控制方式灵活等特点。本文对微器件的平面微运动测试技术进行了探讨、研 究及实践，具体工作如下： l 、从m e m s 发展概况、m e m s 动态特性测试技术等方面回顾了m e m s 动态测试 技术的研究现状和发展趋势； 2 、对频闪成像技术及其在微结构周期性运动测试环节中的应用进行分析，确定频 闪照明、运动激励信号的时序、波形、频率、幅度、相位等技术指标，提出了 基于频闪测量方式的平面微运动测试系统的总体设计方案。通过研究直接数字 频率合成技术，对将其应用于频闪光源控制信号产生的可行性进行分析，并完 成了系统总体设计方案； 3 、完成了基于频闪成像测量方式的平面微运动测试系统的电路设计及调试：系统 以d d s 作为信号发生源，f p g a 为通信核心，通过u s b 接口与p c 机进行简单 又高速的通信，也可与m c u 板上控制系统通信。在设定系统工作参数后，d d s 输出l 路频闪照明脉冲控制信号，微结构运动激励信号由外部信号源提供； 4 、采用模块化可重用设计思想完成了f p g a 系统软件的设计，并完成了基于 l a b v i e w 的p c 机控制程序的设计工作，以及基于m s p 4 3 0 单片机的板上控制 模块的软件设计工作： 5 、完成了滤波器和频闪照明控制信号的性能测试，并提出补偿方案； 5 东南大学硕士学位论文 第二章基于频闪测量方式的平面微运动系统 本章分析了频闪成像技术的原理，及其在微结构运动特性测试系统中的应用；根据 系统的特点和需求给出了频闪成像模块所需的时序、频率及精度等方面的技术指标；完 成了频闪成像平面微运动测试系统的总体设计；根据频闪成像的技术要点，对直接数字 频率合成技术在频闪照明控制信号发生器设计中应用的可行性进行了分析；基于此对系 统进行了综合整体设计，并提出了系统的参数指标。 2 1 频闪成像法原理及在微器件运动测量方面的应用 2 1 1 频闪成像原理 由于m e m s 器件的运动速度一般很快，即使是高速摄像机也无法抓取其清晰的图 像。为了获得高速运动器件瞬间的运动状态，采取控制光源照明时间的方法，把器件高 速运动过程的瞬间抓拍下来，即在c c d 摄像机的曝光时间内，光源照明的时间非常短， 其余的时间器件没有光源照明，摄像机也不会捕捉到器件的图像。当照明时间足够短， 器件的运动位移很小，可以认为是静止的，由此便实现了获取高速运动器件的瞬间状态 的目的。这便是频闪成像原理。如图所示： i i i i i u 驱e u 动s 信舯号、八八八八八p c c d 控制 信号 0 相位 频闪照明 信号 图2 - 1 频闪成像原理 基于频闪测量的原理可知，拍摄对于摄像机的采集速度没有特殊要求，一般的c c d 摄像机即可满足，但由于频闪照明的时间很短暂，一次频闪的光照强度无法令c c d 摄 像机形成图像，因此需要在器件运动的同一位置多次进行频闪照明，通过光强的累加达 到成像水平，这就要求被测器件的运动具有周期性，已达到光源能够多次在同一位置对 器件进行照明的目的。在摄像机一次曝光时间内，被测器件往复周期性运动，光源在每 个周期的某一固定时刻进行照明，持续很短时间后熄灭，此过程经过若干次重复之后， 摄像机的c c d 感光面就能够获得器件某一特定相位的足够的光强信息，完成运动瞬间 的拍摄。 为获取器件运动过程中的信息，摄像机需要采集器件运动周期中的多个相位的图像。 此时，可通过改变频闪照明信号相对于器件激励信号的延迟时间，实现对器件不同运动 相位的照明以及成像。这样，利用频闪成像技术就可以将高速运动的器件的整个运动过 程转化为多个静态图像。 频闪成像法可测量的频率理论上没有限制，只要光源照明时间足够短，任何频率的 6 第二章基于频闪测量方式的平面微运动测试系统 运动都能形成静态图像。但考虑到光源照明的响应时间，信号发生电路和传输电路存在 延时和时钟频率影响，频闪成像法的实际可测试频率一般在m h z 量级。并且，由于频 闪成像法需要对器件周期运动的同一位置多次进行照明，这就要求光源照明驱动信号和 物体激励信号保持相对同步( 以便图像采集系统进行运算) ，且照明信号相对于运动激 励信号的延迟时间必须可以进行调整，方可保证采集图像的准确性。 2 1 2 频闪成像技术要点及系统设计技术指标 频闪成像技术要点 由频闪成像原理可知，欲实现频闪成像测量，需要产生器件运动激励信号、光源频 闪信号、c c d 摄像机的工作控制信号、图像采集卡的工作信号( 用于存储摄像机采集 到的图像数据) 等，并保证各信号之间，尤其是器件运动激励信号和光源频闪信号之间 的同步性。 系统信号的同步性包括：微结构激励信号源与频闪光源脉冲控制信号的频率要一致。 在此以采集微结构零相位高速运动图像为例说明频闪成像过程。首先，将微结构激励信 号施加于微结构，然后施加频闪光源所需的脉冲信号，该信号频率必须与微结构激励信 号相同且相位同步。即每个周期内光源信号高电平位置均应与微结构运动激励信号的零 相位位置一致。这样才可能获取微结构零相位时的运动图像。另外，为了优化照明效果， 频闪照明信号高电平时间长度应该控制在一定范围内，以保证运动图像的清晰程度。利 用频闪照明信号通过频闪照明控制器驱动半导体激光器( l d ) 发出足够强度的光照， 使得c c d 在零相位多次曝光，最终得到该相位的微结构图像。频闪成像的技术要点在 于：照明驱动信号必须与微结构运动频率相同，光照脉冲的时间应尽可能短，才能够把 相应相位的微结构运动瞬间状态捕捉到，从而为图像分析提供素材。 系统工作要求的控制信号时序图如图2 2 所示。首先，摄像机由工作触发信号触发， 之后摄像机进入曝光状态，曝光过程中频闪光源多次对微结构进行照明，直到达到成像 的要求，曝光完成后采集到的数据被送到图像采集卡进行采集，并等待下一个采集过程 的开始。 雾器孝八八八八八八扒八八p 摄像机 启动信号 脉冲输出 控制信号 0 相位 频闪脉冲 揣 岫岫田 频闪脉冲 ：i i ：i |：| i ：l l：l l 图2 - 2 系统信号时序图 由于所需控制的信号较多且相互之间有严格的逻辑同步限制，需要仔细处理信号同 步问题。基于f p g a 在时序生成及延时控制和补偿方面强大的功能，系统采用f p g a 来 实现对时序的控制。采用f p g a 对由系统硬件及线路传输带来的延时进行相应的补偿， 查堕奎堂堡主兰垡丝壅 使得各路信号在输出时能够保证同步，大大提高了系统的稳定性和同步性。 系统设计的技术指标 本文设计的平面微运动测试系统的设计要求为：频闪照明控制信号分辨率为1 h z ； 频闪照明控制信号峰峰值符合c m o s 电压标准；频闪照明控制信号频率为l 1 0 m h z ； 频闪照明控制信号上升沿时间小于l o n s ；一周期内可识别的相位数在8 0 个左右；m e m s 器件激励信号和频闪照明控制信号之间保持同步；半导体激光器驱动电路响应最小脉冲 宽度i n s ； 2 2 直接数字频率合成技术 2 2 1d d s 原理简介【1 8 1 下面将针对平面微运动测试系统采用的直接数字频率合成技术及其应用进行分析。 频率合成是指以一个或多个参考频率源为基准，在某一频段内，综合产生并输出多 个工作频率点的过程。直接数字频率合成【l9 1 ( d d s ，d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 是从相位 概念出发来直接合成所需波形的一种频率合成技术。直接数字合成器由相位累加器、加 法器、波形储存器r o m 、d a 转换器、低通滤波器( l p f ) 构成。 d d s 原理框图如图2 3 所示： 图2 - 3d d s 原理图 与其他数字信号处理技术类似，d d s 理论基础是基于s h a n n o n 抽样定理。s h a n n o n 抽样定理是由任何模拟信号转变成数字信号的基础，定理表明，当抽样频率大于等于模 拟信号最大频率的2 倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在d d s 中，不是对一个模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量 化完成，如何通过某种映射把已经量化的数值送到d a 及后级的l p f 重建原始信号的 问题1 2 0 1 。 d d s 的工作过程为：在时钟l k 的作用下，相位累加器对频率控制字( f t w - f r e q u e n c y t u n i n gw o r d s ) k 进行线性累加，当累加器累积满时会产生一次溢出，累加器的溢出频率就 是d d s 输出信号的频率。相位累加器输出的相位码送至相幅转换器进行转换，当取不 同的频率控制字k 时，将导致相位累加器的相位增量不同，这样相幅转换器输出的正弦 波的频率不同，从相幅转换器输出的n 位幅度码值经数模转换器( d a c ) 变换后得到 模拟的阶梯波电压，阶梯波电压经低通滤波器平滑后即可得到所需的波形信号。下面以 d d s 实现正弦波的合成为例作介绍，然后完成系统所需要的微结构激励信号的设计。 1 频率设置及调节 d d s 的方程为：，= - = k f 2 ( 2 1 ) 其中k 为频率控制字，也称为相位增量；f o 为输出波形的频率；正为输入标准时钟频 8 第二章基于频闪测量方式的平面微运动测试系统 率；n 为累加器字长。当k = i 时，输出频率最小( 即频率分辨率) ： z m i n = 2 ( 2 2 ) d d s 从波形存储器中读取数据的过程，可以看作是从波形存储器中采样的过程，一 个周期内查找的点数即为采样点数。d d s 一周期内至少采样两个点才能输出新的合成波 形。从( 2 1 ) 可以得到理论上的输出频率最大值： f o 一= z 2 ( 2 3 ) 只要k 足够大，输出频率就能够达到足够大，频率控制字k 直接影响输出波形的频 率，由以上公式得出以下结论： a ) 系统输出频率与频率控制字、系统参考时钟和累加器字长有关。在系统累加器 字长和参考时钟频率固定的情况下，频率控制字控制系统的输出频率。 b ) 系统分辨率与系统参考时钟和累加器字长有关。欲增加系统分辨率，可增加系 统累加器字长或降低系统参考时钟频率。 c ) d d s 输出波形最高频率理论上为系统参考时钟的一半，但实际情况是低于系统 参考时钟的一半。 2 相位累加器 相位累加器是d d s 最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。相 位累加器由n 位加法器和n 位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法器把频率 控制字k 和寄存器输出累加相位数相加一次，再把累加和送入n 位寄存器的数据输入 端。寄存器将加法器上一个时钟作用下的输出相位数反馈到加法器的输入端；使加法器 在下一个时钟继续把相位数和频率控制字k 相加。当相位累加器累加满时会发生溢出， 完成一周期的动作。 3 正弦查询表r o m d d s 正弦查询表r o m ( 或r a m ) 是一个2 n 字的正弦查表，每个字长为m 位，所 存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累 加器输出序列的高p 位对其进行寻址，最后的输出为该相位相对应的二进制正弦幅值序 列。n 位的寻址r o m 相当于把0 3 6 0 0 的正弦波离散成2 n 个样值序列。如果波形存储 器r o m 数据位d 位数据位，则有2 n 个样值的幅值以d 位二进制值固化在r o m 中， 按地址的不同输出相应正弦信号的幅值。由于r o m 容量有限，通常正弦查询表r o m 字的容量都小于2 n ，以免造成电路复杂度和功耗的增加，一般只有高( k + 2 ) 位相位信 息起作用，其余部分遭到截断处理，没有送往正弦查询表r o m ，由此产生“相位截断 现象”。 4 数模转换器d a c 数模转换器的作用是将数字信号转变为模拟信号。而实际上由于d a c 的分辨率有 限，其输出信号不能连续地改变，所以只能输出阶梯模拟信号。d a c 的分辨率越高， 频率合成器合成的正弦波阶梯数越多，输出波形的精度越高。 5 低通滤波器 对d a c 输出的阶梯信号s o ) 进行频谱分析可知，s ( t ) q b 除了包含主频昂外，还存在 分布在，2 的非谐波分量，幅度包络为辛格函数。为取出主频f o ，必须在d a c 输出端接入截止频率为眦的低通滤波器。 由于d d s 在实现原理上同传统频率合成方法有本质区别，因此具备了传统频率合成 技术所不具备的许多特点，其特点如下： 1 ) 极高的频率分辨率，可达微赫兹量级。 2 ) 输出频率相对带宽很宽。 3 ) 极短的频率转换时间，可以达到纳秒数量级。 9 东南大学硕士学位论文 4 ) 频率捷变时的相位连续性。 5 ) 低相位噪声性能。 另外，集成化、体积小、价格低、便于程控也是d d s 的特点。除此之外，d d s 也 有其缺点： 1 ) 工作频带的限制：d d s 的输出频带宽度受d d s 工作时钟频率的限制，d d s 最 高的输出频率一般限制在0 4 c 以下。 2 ) 杂散抑制差：d d s 的杂散主要由相位舍位、幅度量化和d a c 的非理想特征所 引起。 d d s 的实现有两种方法，一种是采用d d s 芯片解决方案；另一种是自行设计解决 方案。目前市场上性能优良的d d s 产品很丰富，专用d d s 芯片的功能和种类很多，但 芯片的控制方式固定、价格昂贵；如基于f p g a 自行设计d d s 解决方案，可根据需要 方便的实现各种调频、调相和调幅的d d s ，具有很好的灵活性。专用d d s 芯片的优势 在于内部数字信号抖动小，可以输出高质量的模拟信号，比较符合本系统对信号质量的 需求。 从以上对d d s 合成技术的分析可知：由于d d s 技术的速度高、规模大、可编程等 特性，十分适合作为本系统微结构信号源的实现技术。 综上所述，结合平面微运动测试系统的总体要求和直接数字频率合成技术的特点， 利用直接数字频率合成技术来产生系统所需的微结构激励信号十分合适且可行。 2 2 2d d s 频谱及杂散来源分析 一种频率合成技术的好坏主要取决于输出频谱的纯净程度，输出信号以及伴随基频 同时出现的噪声都需要考虑。d d s 的输出频谱包括基频，谐波频率和镜像频率，以及数 字处理过程中产生的杂散频率。下图表示了d d s 主要的杂散来源：参考时钟杂靓噪声、 相位截断杂散、角度幅度转换杂散、d a c 的量化噪声与非线性噪声【2 1 1 。 频率控制字n 参考时 角度一幅度转换杂敌 和非线性杂敌 图2 4d d s 主要杂散来源示意图 1 ) 参考时钟杂散：d d s 输出信号的质量依赖于驱动d d s 的参考频率的信号质量。时 钟源重要的质量因素包括频率的稳定度( i n p p m ) ，边沿的抖动( p so rn s 级) 以及相位噪 声( d b c h z ) 都会在d d s 输出中反映出来。 2 ) 相位截断误差：由于相位累加器中数据位为n ，而正弦查询表r o m 地址为a ，其 中a 不大于n ，故相位累加器的输出只能为a 位，即将相位累加器将n 位的累加 器结果的高a 位送入正弦查表作为r o m 的地址，而将( n a ) 位舍去，记b = n a 为截断位数。当无相位截断时，