● 摘要
谐振音叉作为谐振式传感器中应用较为广泛的敏感元件，其频率特性直接决定了传感器的性能，所以对谐振音叉频率特性的研究极为重要。以此为背景，在实验室对谐振音叉敏感元件研究的基础上，本文搭建了一套谐振音叉频率特性测试装置，可满足0~30kHz范围内谐振音叉频率特性的测量要求。最后，在此测试装置的基础上，依据谐振式测量原理，设计了基于FPGA的数字闭环系统电路，初步完成了谐振音叉数字闭环系统的搭建。本文研究内容主要包括：
1. 谐振音叉频率特性理论研究：在理想状态下谐振音叉频率特性研究的基础上，对实际应用中谐振音叉频率特性的理论与温度对谐振音叉频率特性的影响进行了分析。
2. 谐振音叉频率特性测试装置硬件设计：针对微弱信号检测与抗干扰等问题，设计了基于FPGA的谐振音叉频率特性测试装置的硬件电路，整个电路尺寸为160mm*180mm，功耗不超过3W。
3. 谐振音叉频率特性测试装置软件设计：软件设计包括下位机软件设计与上位机软件设计两个部分。下位机软件设计主要包括控制模块、FIR数字滤波器、频率检测模块等。上位机软件设计为基于Visual C++的上位机MFC界面，实现了当前信号的波形与频率值显示。
4. 谐振音叉数字闭环系统设计：在完成谐振音叉频率特性测试装置的基础上，加入DDS模块与激振模块，设计了数字闭环系统电路，整个电路尺寸为141mm*80mm，初步完成了数字闭环系统的搭建。
5. 谐振音叉频率特性测试装置实验验证：结合实际的音叉样件与MEMS谐振陀螺样件，通过反复实验测得该装置谐振频率测试精度可达到0.2%，满足0~30kHz范围内谐振音叉频率特性的测量要求，验证了系统方案的可行性和有效性。