一種應(yīng)用于慣性導(dǎo)航的振梁加速度計石英諧振器驅(qū)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(jìn)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(dǎo)航、石油鉆進(jìn)測斜、地震監(jiān)測、空間微重力等領(lǐng)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(jié)合，可以輸出預(yù)期的信號，該信號波形具有震蕩的信號特性。該波形的質(zhì)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(qū)動電路的頻率輸出可以滿足如下指標(biāo)：

（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(zhì)量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，通過測量石英振梁的差頻值便可得到加速度的值。

當(dāng)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?？梢娂铀俣鹊妮敵鲱l率與加速度成正比。

所以，只要通過頻率檢測電路準(zhǔn)確測出石英振梁的頻率輸出，便可得到加速度?？梢娨粋€穩(wěn)定的石英諧振器驅(qū)動電路是至關(guān)重要的。

2 石英諧振器驅(qū)動電路設(shè)計

石英諧振器激勵振蕩電路的輸出要直接用于激勵相應(yīng)部件波形的產(chǎn)生和驅(qū)動。對于這樣的驅(qū)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(qū)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(shè)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(dá)到了工程技術(shù)人員的設(shè)計預(yù)期。

2.1 環(huán)形振蕩器

為了產(chǎn)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(dāng)然，同樣可以利用電路中的負(fù)反饋原理來實現(xiàn)自激振蕩，但是對該負(fù)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(chǎn)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(chǎn)生過程：G1輸入端由于跳變的原因產(chǎn)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(chǎn)生了負(fù)跳變，該跳變幅度更大。依次類推，再經(jīng)過G2的傳輸時間tpd后，G2的輸出端會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(qiáng)。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(diào)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(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的電路如圖2所示。經(jīng)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(shè)計要求，所以圖2所示的電路仍然不能滿足石英諧振器驅(qū)動電路的設(shè)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(shè)計

通過進(jìn)一步分析，解決問題的關(guān)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(chǎn)生一個負(fù)電平跳變，電容C 的輸出端會有一個負(fù)電平的跳變，進(jìn)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(dāng)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(chǎn)生延遲時間。但是與RC 電路產(chǎn)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(shè)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(jìn)行調(diào)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(chǎn)生穩(wěn)定輸出的方波信號了。

3 結(jié)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(biāo)如表1所示。

表1 激勵振蕩頻率輸出指標(biāo)

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

4 結(jié)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(shè)計過程，最后給出了各關(guān)鍵點波形及激勵振蕩頻率輸出指標(biāo)?？梢钥闯?，頻率輸出指標(biāo)良好，符合驅(qū)動激勵電路的設(shè)計要求。