一種應用于慣性導航的振梁加速度計石英諧振器驅動電路

譚 斌，李 博，劉 政

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

0 引言

石英振梁加速度計（Vibrating Beam Accelerometer，以下簡稱VBA）是一種直接數(shù)字輸出的加速度計。它可以直接頻率輸出、不需進行模擬放大和A/D 變換，而且因其高共模抑制能力、量程大、體積小、高穩(wěn)定、高線性度等特點，可廣泛引用于慣性導航、石油鉆進測斜、地震監(jiān)測、空間微重力等領域[1]。

VBA 把力敏感石英梁作為力敏感元件，它實際上是一個晶體振蕩器，頻率是加速度的函數(shù)。石英梁的晶體振蕩器與電路結合，可以輸出預期的信號，該信號波形具有震蕩的信號特性。該波形的質量和穩(wěn)定度直接決定著VBA 的測量精度和分辨率。

根據(jù)理論分析，需要石英諧振器驅動電路的頻率輸出可以滿足如下指標：

（1）輸出高電平電壓：＞ 4.5V 且 < 5.5V

（2）輸出低電平電壓：< 0.3V

（3）上升沿、下降沿時間：< 150ns

（4）啟動時間：< 1s

1 石英振梁加速度計的工作原理

VBA 是利用石英諧振器的力頻特性，將加速度通過檢測質量轉換為慣性力而引起石英諧振器的形變，使諧振器的固有頻率發(fā)生變化。

兩路石英諧振器為差頻結構，通過測量石英振梁的差頻值便可得到加速度的值。

當石英振梁收到外力作用時，其諧振頻率發(fā)生如下變化：

則振梁加速度計的輸出為：

式中，f 為加速度計的輸出頻率；a 是加速度。可見加速度的輸出頻率與加速度成正比。

所以，只要通過頻率檢測電路準確測出石英振梁的頻率輸出，便可得到加速度。可見一個穩(wěn)定的石英諧振器驅動電路是至關重要的。

2 石英諧振器驅動電路設計

石英諧振器激勵振蕩電路的輸出要直接用于激勵相應部件波形的產生和驅動。對于這樣的驅動電路，可以考慮采用邏輯電路的形式搭建從而形成振蕩電路的效果。

相對于晶體振蕩器的頻率，驅動邏輯電路而生成的波形頻率穩(wěn)定度低些，但是考慮到價格成本因素，該形式的振蕩電路集成度高，耗能低，且具備快速、設計難度低的特點，因此可以考慮采用這種門振蕩器。與模擬電路相比，同時具備低功耗和高性能的特點。電路控制效果也達到了工程技術人員的設計預期。

2.1 環(huán)形振蕩器

為了產生自激振蕩，可以利用電路中的正反饋原理來實現(xiàn)，但該電路必須是閉合形式的。當然，同樣可以利用電路中的負反饋原理來實現(xiàn)自激振蕩，但是對該負反饋信號的延遲性能提出了要求。需要利用奇數(shù)個反相器前后相連的方式，才能產生需要的振蕩信號。這種形態(tài)就是環(huán)形振蕩器。

圖1是環(huán)形振蕩器的一種形態(tài)，三個反相器串聯(lián)組成。但是該形式的電路在靜態(tài)時是沒有穩(wěn)定狀態(tài)的，只能處于放大狀態(tài)。如圖中的所示的每個反相器，輸入或輸出只能處于低電平或高電平之間。

圖1 環(huán)形振蕩器

下面闡述下自激振蕩的產生過程：G1輸入端由于跳變的原因產生了一個微小的波形，假定為正跳變，在傳輸時間tpd之后在G1輸出端產生了負跳變，該跳變幅度更大。依次類推，再經過G2的傳輸時間tpd后，G2的輸出端會產生一個正跳變，該跳變的幅度比原來更大。因而3tpd的時間過后，波形又自動跳變?yōu)楦唠娖接贕1的輸入端。自激振蕩就是這樣的情況下產生。

因此，奇數(shù)個反相器首尾相連接成環(huán)形電路，若反相器的個數(shù)大于或等于3，就可以產生自激振蕩，振蕩周期為T=2ntpd。其中n 為反相器串聯(lián)的個數(shù)。

但是，該方法形成的振蕩器仍然存在缺點，實用性不強。雖然電路簡單，但不實用。因為TTL 電路的傳輸延遲時間是幾十納秒，CMOS 電路的傳輸延遲時間只有一二百納秒，基于頻率調節(jié)難度較大等因素，想要獲得低頻率的振蕩難上加難。

2.2 帶有RC 延遲環(huán)節(jié)的環(huán)形振蕩器

從上述可知，2.1節(jié)所述環(huán)形振蕩器具有一些不足，因此我們可以想到通過采取增加RC 延遲環(huán)節(jié)的方式對圖1的電路進行優(yōu)化，優(yōu)化后的電路如圖2所示。經測試，該延遲環(huán)節(jié)由于一次充放電時間過短無法滿足設計要求，所以圖2所示的電路仍然不能滿足石英諧振器驅動電路的設計要求，該電路不是一個實用的電路。

2.3 石英激勵振蕩電路設計

通過進一步分析，解決問題的關鍵在于如何增加環(huán)形振蕩器的充放電時間上。若將電容C 的接地端與G1的輸出端相連接，于G1的輸出端產生一個負電平跳變，電容C 的輸出端會有一個負電平的跳變，進而針對電容C 有一個充電過程，因而從G2輸入端到上升為峰值電壓的充電時間就增加了，這也就相當于G2到G3的傳輸延遲時間增加了。

圖2 環(huán)形振蕩器（帶RC延遲）

還有一個問題就是電路本身的傳輸也會產生延遲時間。但是與RC 電路產生的延遲時間相比，門電路本身的傳輸延遲時間極短，在計算和分析時可以忽略掉。

該電路設計利用了石英晶體的選頻特性，同時石英晶體的具有頻率穩(wěn)定的特性。如圖3所示的特性曲線可以很好地展示石英晶體的選頻和穩(wěn)頻性能。

圖3 石英晶體諧振器的阻抗頻率特性曲線

通過觀察頻率特性曲線可以看出，石英晶體諧振器的阻抗最小是發(fā)生在信號頻率為f0時，在該頻率下信號通過最容易。但是頻率一旦發(fā)生增大或減小，其阻抗特性迅速增加。因此通過在反饋回路中加入石英晶體諧振器的方式，對電容C 進行調節(jié)，使振蕩頻率在f0附近。因石英晶體具有穩(wěn)頻特性，可以把頻率穩(wěn)定在f0附近。這樣，在頻率f0附近就可以產生穩(wěn)定輸出的方波信號了。

3 結果驗證

圖4 反相器G1輸出端波形

圖5 反相器C輸入端波形

圖6 激勵振蕩電路輸出波形

激勵振蕩頻率輸出指標如表1所示。

表1 激勵振蕩頻率輸出指標

可以看出，各項指標滿足設計指標，振蕩電路啟動時間很短，小于1s，符合石英振梁加速度計驅動激勵電路的設計要求。

4 結束語

本文首先介紹了石英振梁加速度計及其工作原理，闡述了基于環(huán)形振蕩器的石英振梁加速度計激勵振蕩電路的設計過程，最后給出了各關鍵點波形及激勵振蕩頻率輸出指標。可以看出，頻率輸出指標良好，符合驅動激勵電路的設計要求。