基于ASIC的石英音叉陀螺接口電路設(shè)計(jì)

李 亮，于圣武

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000；2.南京微盟電子有限公司，南京 210002）

1 引 言

陀螺是慣性導(dǎo)航裝置和全球定位系統(tǒng)中的重要傳感器之一，作為一種慣性敏感器件，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器、航天器、飛行器、汽車安全、工業(yè)自動化等領(lǐng)域[1]。早期陀螺是利用機(jī)械轉(zhuǎn)子的角動量守恒原理來運(yùn)轉(zhuǎn)的，精度不高，而且由于體積、價(jià)格、功耗等方面的限制，限制了其在航空、航天、軍事等對傳感器要求苛刻的環(huán)境應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，微機(jī)械工藝技術(shù)不斷成熟，多種微機(jī)械陀螺相繼面世，使慣性技術(shù)產(chǎn)生了一次飛躍[2]，微石英音叉陀螺便是其中一種。與傳統(tǒng)的慣性陀螺儀相比，石英音叉陀螺具有相當(dāng)高的精度，并以其體積小、價(jià)格低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)滿足了當(dāng)今慣導(dǎo)系統(tǒng)的低成本、小型化的發(fā)展要求，在眾多領(lǐng)域得到青睞，是當(dāng)前微陀螺產(chǎn)品的主流[3]。

2 石英音叉陀螺工作原理

微石英音叉陀螺由敏感元件及電路構(gòu)成。其敏感元件具有由一個(gè)單片石英晶體構(gòu)成的雙端音叉結(jié)構(gòu)[4]，一端稱為驅(qū)動音叉，另一端稱為檢測音叉。在叉指上鍍有金屬膜電極，用于驅(qū)動信號引入和角速率信號讀取。在驅(qū)動電路的激勵下，驅(qū)動音叉在諧振頻率點(diǎn)做恒幅振動。敏感元件垂直軸在慣性空間旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生哥氏慣性力，使檢測音叉在垂直于驅(qū)動音叉振動平面的方向上產(chǎn)生振動，該振動的幅度正比于敏感元件在慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度。讀取檢測音叉上的檢測信號，即得到載體在慣性空間的角速度。

微石英音叉陀螺電路原理框圖如圖1所示。驅(qū)動電路與敏感元件的驅(qū)動電極構(gòu)成閉環(huán)，激勵驅(qū)動音叉使其在諧振點(diǎn)振動，同時(shí)將驅(qū)動音叉振蕩幅度與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，依據(jù)檢測誤差對驅(qū)動音叉進(jìn)行幅度控制，使其維持恒定振幅。檢測放大電路讀取檢測音叉電極上的電壓信號，將微弱信號放大后送到相敏解調(diào)電路[5]。相敏解調(diào)電路以驅(qū)動電路輸出的方波電壓為參考，對來自檢測電路輸出的信號進(jìn)行解調(diào)放大，得到與輸入角速率相關(guān)的直流電壓，經(jīng)濾波放大電路濾除雜波和敏感元件頻差造成的頻率響應(yīng)輸出，輸出一個(gè)正比于輸入角速度的直流電壓信號[6]。

圖1 微石英音叉陀螺電路原理圖

3 總體設(shè)計(jì)方案

按照對功能、原理和性能指標(biāo)的分析進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括元器件選型、電路原理圖設(shè)計(jì)、板卡焊接及組裝、板卡測試、用戶測試、設(shè)計(jì)輸出等。整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

通過對國外石英音叉陀螺儀電路發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，可概括出微機(jī)械石英陀螺接口電路的發(fā)展趨勢為：從PCB集成到芯片集成，從模擬輸出到數(shù)字輸出，實(shí)用化和批量化應(yīng)用水平越來越高。石英音叉陀螺處理電路會隨著性能逐步提高的需求，功能逐漸增強(qiáng)，電路的結(jié)構(gòu)會日益復(fù)雜。陀螺接口電路結(jié)構(gòu)需采用多個(gè)獨(dú)立的放大器完成設(shè)計(jì)，采用分立器件方式的設(shè)計(jì)將使電路體積增大、可靠性降低，調(diào)試也比較繁瑣。為此，本設(shè)計(jì)采用專用ASIC芯片，可代替除參考基準(zhǔn)電壓外的所有功能模塊電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 陀螺儀專用ASIC芯片

為石英音叉配備的專用接口芯片[7]，其芯片外圍元件少，可大大減少電路板面積，獲得高可靠性和低功耗，也有利于大批量生產(chǎn)和調(diào)試。專用芯片管腳圖如圖4所示。

圖4 專用芯片管腳圖

驅(qū)動信號采用閉環(huán)正弦波自動幅度控制、相位鎖定電路，實(shí)現(xiàn)快速建立閉環(huán)自激驅(qū)動。敏感檢測提供增益、帶寬自定義調(diào)整。

石英陀螺接口專用芯片采用低噪聲、低漂移放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；角速度輸出放大器采用軌到軌輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；外圍電路簡單、使用方便，可完成音叉驅(qū)動電路、讀出信號檢測電路、相敏解調(diào)電路、低通濾波電路、信號放大電路和誤差補(bǔ)償電路的功能。具體相關(guān)參數(shù)如下：

1)芯片電源電壓:5 V±10%，滿足4.8～5.2 V電源輸入范圍；

2)電源最大工作電流：18 mA，小于指標(biāo)25 mA；

3)信號輸入范圍：0.5 mV～VCC；

4)信號輸出范圍：-VCC～+VCC；

5)驅(qū)動信號：正弦波驅(qū)動，幅度3.5～4.5 V；

6)工作溫度：-40℃～+85℃；

7)貯存溫度：-55℃～+125℃。

4.2 負(fù)電源電壓電路

專用ASIC芯片中的放大器需要+5 V和-5 V的雙電源輸入，因此需要一路負(fù)電源輸入給專用芯片，在此選用TI公司的負(fù)電壓輸出芯片TPS60403，芯片電路圖如圖5所示。

圖5 負(fù)電源電壓產(chǎn)生電路

TPS60403是一款60 mA電荷泵電壓反相器，在較寬輸出電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過90%的典型轉(zhuǎn)換速率。它具有250 kHz固定工作頻率，可在輸入電壓范圍為1.6～5.5 V的情況下生成非穩(wěn)壓負(fù)輸出電壓。整個(gè)逆變器采用5引腳SOT23封裝，只需三個(gè)外部電容就可以構(gòu)建完整的直流/直流電荷泵逆變器。通過用ASIC專用芯片取代啟動至負(fù)載通常所需的肖特基二極管，進(jìn)一步減小電路板面積，依據(jù)公式為：

為抑制負(fù)電源對電路的干擾、減小輸出紋波[8]，電荷泵芯片輸出Vout后接一階RC濾波。其中f=250 kHz，RP=22.1Ω，CP=4.7μF，由上式可計(jì)算得出，該電路負(fù)電源抑制比等于0.006。

4.3 電壓基準(zhǔn)電路

專用ASIC芯片需要2.5 V基準(zhǔn)電壓來產(chǎn)生幅度誤差信號，達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)動的目的。此處選用AD公司的基準(zhǔn)電壓源ADR421，電路原理圖如圖6所示。

圖6 電壓基準(zhǔn)電路

ADR421具有出色的噪聲性能、穩(wěn)定性和精度，低噪聲峰值為1.75μV，溫度系數(shù)為3×10-6/℃，電壓調(diào)整率為35×10-6/V，非常適合陀螺儀之類高精密轉(zhuǎn)換場合使用。此外，還可利用調(diào)整引腳，在±0.5%范圍內(nèi)調(diào)整輸出電壓，其他性能不受影響。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

對設(shè)計(jì)的陀螺儀接口電路進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。測試項(xiàng)包括全溫測試、三溫測試和標(biāo)度因數(shù)系列測試。

5.1 全溫測試

全溫測試溫度范圍為-40℃～+50℃，升降溫速率1℃/min，高溫恒溫96 min，低溫恒溫96 min，循環(huán)次數(shù)為2次。測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 陀螺儀全溫變化量測試曲線

實(shí)驗(yàn)得到全溫變化量測試指標(biāo)為：

全溫峰峰值：2.925 mV；

三階STD：0.097 mV。

從全溫測試數(shù)據(jù)和曲線上可以看出，陀螺儀在高低溫恒溫區(qū)均未出現(xiàn)零偏階躍現(xiàn)象，測試合格。

5.2 三溫測試

三溫測試按如下條件進(jìn)行：常溫測試25±0.5℃；低溫工作-40±0.5℃；高溫工作50±0.5℃。先以小于3℃/min的速度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，恒溫保持1.5 h；然后開始采集數(shù)據(jù)3610 s，斷電0.5 h，每個(gè)溫度點(diǎn)采集7次數(shù)據(jù)，每次測試之間斷電30 min；最后以一個(gè)小于3℃/min的速度恢復(fù)至室溫。設(shè)定陀螺儀靜態(tài)測試系統(tǒng)采樣頻率為1 Hz，啟動陀螺儀靜態(tài)測試系統(tǒng)同時(shí)采集陀螺儀輸出和溫度信號輸出。圖8為三溫測試的結(jié)果曲線圖。

圖8 三溫測試結(jié)果曲線圖

取第11 s到3610 s的數(shù)據(jù)作為原始樣本，計(jì)算零偏、零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性，測試指標(biāo)如表1。

表1 三溫測試指標(biāo)

5.3 標(biāo)度因數(shù)系列測試

標(biāo)度因數(shù)系列參數(shù)通過轉(zhuǎn)臺測得。可測參數(shù)包括標(biāo)度因數(shù)、標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)非線性和標(biāo)度因數(shù)不對稱性。轉(zhuǎn)臺測試步驟為：①將陀螺儀通過專用工裝固定在速率轉(zhuǎn)臺上，使陀螺儀敏感軸與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸平行；②設(shè)定陀螺儀轉(zhuǎn)臺測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz；③按照標(biāo)度因數(shù)測試速率轉(zhuǎn)臺的速率設(shè)置點(diǎn)的要求設(shè)置單軸速率轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速；④啟動陀螺儀靜態(tài)測試系統(tǒng)采集陀螺儀的輸出，測試完成后對陀螺儀斷電，斷電冷卻30 min；⑤重復(fù)步驟③和④7次。標(biāo)度因數(shù)系列測試結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)度因數(shù)系列測試結(jié)果

6 結(jié)束語

研究完成了基于ASIC芯片的陀螺接口電路設(shè)計(jì)，并調(diào)試出陀螺儀樣機(jī)，性能參數(shù)測試結(jié)果良好。ASIC芯片可替代傳統(tǒng)分立器件的設(shè)計(jì)，大大減少了器件數(shù)量，提高陀螺儀的可靠性與穩(wěn)定性。在后續(xù)研究中，可進(jìn)一步嘗試進(jìn)行國產(chǎn)化元器件替代，包括阻容器件，盡量選擇溫漂系數(shù)小、等級更高的芯片，繼續(xù)提高陀螺儀的參數(shù)指標(biāo)。