一种应用于惯性导航的振梁加速度计石英谐振器驱动电路

2020-07-03谭斌，李博，刘政

数字通信世界 2020年6期

谭斌，李博，刘政

（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）

0 引言

石英振梁加速度计（Vibrating Beam Accelerometer，以下简称VBA）是一种直接数字输出的加速度计。它可以直接频率输出、不需进行模拟放大和A/D 变换，而且因其高共模抑制能力、量程大、体积小、高稳定、高线性度等特点，可广泛引用于惯性导航、石油钻进测斜、地震监测、空间微重力等领域[1]。

VBA 把力敏感石英梁作为力敏感元件，它实际上是一个晶体振荡器，频率是加速度的函数。石英梁的晶体振荡器与电路结合，可以输出预期的信号，该信号波形具有震荡的信号特性。该波形的质量和稳定度直接决定着VBA 的测量精度和分辨率。

根据理论分析，需要石英谐振器驱动电路的频率输出可以满足如下指标：

（1）输出高电平电压：＞ 4.5V 且 < 5.5V

（2）输出低电平电压：< 0.3V

（3）上升沿、下降沿时间：< 150ns

（4）启动时间：< 1s

1 石英振梁加速度计的工作原理

VBA 是利用石英谐振器的力频特性，将加速度通过检测质量转换为惯性力而引起石英谐振器的形变，使谐振器的固有频率发生变化。

两路石英谐振器为差频结构，通过测量石英振梁的差频值便可得到加速度的值。

当石英振梁收到外力作用时，其谐振频率发生如下变化：

则振梁加速度计的输出为：

式中，f 为加速度计的输出频率；a 是加速度。可见加速度的输出频率与加速度成正比。

所以，只要通过频率检测电路准确测出石英振梁的频率输出，便可得到加速度。可见一个稳定的石英谐振器驱动电路是至关重要的。

2 石英谐振器驱动电路设计

石英谐振器激励振荡电路的输出要直接用于激励相应部件波形的产生和驱动。对于这样的驱动电路，可以考虑采用逻辑电路的形式搭建从而形成振荡电路的效果。

相对于晶体振荡器的频率，驱动逻辑电路而生成的波形频率稳定度低些，但是考虑到价格成本因素，该形式的振荡电路集成度高，耗能低，且具备快速、设计难度低的特点，因此可以考虑采用这种门振荡器。与模拟电路相比，同时具备低功耗和高性能的特点。电路控制效果也达到了工程技术人员的设计预期。

2.1 环形振荡器

为了产生自激振荡，可以利用电路中的正反馈原理来实现，但该电路必须是闭合形式的。当然，同样可以利用电路中的负反馈原理来实现自激振荡，但是对该负反馈信号的延迟性能提出了要求。需要利用奇数个反相器前后相连的方式，才能产生需要的振荡信号。这种形态就是环形振荡器。

图1是环形振荡器的一种形态，三个反相器串联组成。但是该形式的电路在静态时是没有稳定状态的，只能处于放大状态。如图中的所示的每个反相器，输入或输出只能处于低电平或高电平之间。

图1 环形振荡器

下面阐述下自激振荡的产生过程：G1输入端由于跳变的原因产生了一个微小的波形，假定为正跳变，在传输时间tpd之后在G1输出端产生了负跳变，该跳变幅度更大。依次类推，再经过G2的传输时间tpd后，G2的输出端会产生一个正跳变，该跳变的幅度比原来更大。因而3tpd的时间过后，波形又自动跳变为高电平于G1的输入端。自激振荡就是这样的情况下产生。

因此，奇数个反相器首尾相连接成环形电路，若反相器的个数大于或等于3，就可以产生自激振荡，振荡周期为T=2ntpd。其中n 为反相器串联的个数。

但是，该方法形成的振荡器仍然存在缺点，实用性不强。虽然电路简单，但不实用。因为TTL 电路的传输延迟时间是几十纳秒，CMOS 电路的传输延迟时间只有一二百纳秒，基于频率调节难度较大等因素，想要获得低频率的振荡难上加难。

2.2 带有RC 延迟环节的环形振荡器

从上述可知，2.1节所述环形振荡器具有一些不足，因此我们可以想到通过采取增加RC 延迟环节的方式对图1的电路进行优化，优化后的电路如图2所示。经测试，该延迟环节由于一次充放电时间过短无法满足设计要求，所以图2所示的电路仍然不能满足石英谐振器驱动电路的设计要求，该电路不是一个实用的电路。

2.3 石英激励振荡电路设计

通过进一步分析，解决问题的关键在于如何增加环形振荡器的充放电时间上。若将电容C 的接地端与G1的输出端相连接，于G1的输出端产生一个负电平跳变，电容C 的输出端会有一个负电平的跳变，进而针对电容C 有一个充电过程，因而从G2输入端到上升为峰值电压的充电时间就增加了，这也就相当于G2到G3的传输延迟时间增加了。

图2 环形振荡器（带RC延迟）

还有一个问题就是电路本身的传输也会产生延迟时间。但是与RC 电路产生的延迟时间相比，门电路本身的传输延迟时间极短，在计算和分析时可以忽略掉。

该电路设计利用了石英晶体的选频特性，同时石英晶体的具有频率稳定的特性。如图3所示的特性曲线可以很好地展示石英晶体的选频和稳频性能。

图3 石英晶体谐振器的阻抗频率特性曲线

通过观察频率特性曲线可以看出，石英晶体谐振器的阻抗最小是发生在信号频率为f0时，在该频率下信号通过最容易。但是频率一旦发生增大或减小，其阻抗特性迅速增加。因此通过在反馈回路中加入石英晶体谐振器的方式，对电容C 进行调节，使振荡频率在f0附近。因石英晶体具有稳频特性，可以把频率稳定在f0附近。这样，在频率f0附近就可以产生稳定输出的方波信号了。