CN108183689A - 石英振梁加速度计振荡电路及其调试方法 - Google Patents

石英振梁加速度计振荡电路及其调试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石英振梁加速度计振荡电路及其调试方法，振荡电路包括选频网络QVBA、反相器放大及移相电路、滤波电路及电压幅值调节电路；选频网络QVBA两端分别与反相器放大及移相电路两端连接，形成闭合振荡回路；反相器放大及移相电路输出端与滤波电路输入端相连，对振荡的信号低通滤波；电压幅值调节电路输入端与滤波电路连接后，输出端与数字电路连接。通过调节反馈电阻，使高阻抗石英振梁加速度计振荡电路振荡在串联谐振点附近。与现有技术相比，本发明具有电路紧凑、一体化程度高、功率低、反应速度快、工作温度范围广和热稳定性好的优点。

Description

石英振梁加速度计振荡电路及其调试方法
技术领域
本发明涉及石英晶体振荡电路，尤其涉及石英振梁加速度计振荡电路及其调试方法。
背景技术
石英振梁加速度计(QVBA)是利用石英晶体制成的一种谐振器件，利用谐振器的力频效应，当有加速度作用于质量块上时，拉力与压力使得谐振频率发生变化，通过测量频率变化量计算出加速度的大小。相比硅材料，石英不需要额外的激励，具有优良的温度稳定性和相位噪声特性，且具有精度高、功耗低、体积小、温漂小等优点，在民用、军工、勘探等各种精度领域都有广泛的应用前景。
用于实时时钟或者基准频率的石英谐振器的动态电阻比较小，范围在几十欧至几千欧；但QVBA动态电阻比较大，数量级为MΩ，且反馈需要外部电路具有很强的驱动能力。在动态电阻大的情况下，反馈系数比较小，此时需要较高的增益；但是外部放大电路的增益带宽积有限，增益越大，相位偏移越大，相位条件越难满足。谐振电路必须满足起振条件、平衡条件和稳定条件这三个条件，同时需要有良好的频率稳定度，在单位时间内频率变化极小，能够抑制外界温度的影响。
常用的皮尔斯型并联振荡电路不易起振，因为通过高阻抗的QVBA的激励电流极其微小，如果电路中的增益较小或者噪声较大，可能致使环路谐振的有效信号无法被检出，从而导致晶体起振困难，且起振的振荡频率并非QVBA固有频率。并联型振荡电路中的高阻抗谐振器相当于一个阻抗值很大的电感元件，振荡回路的Q值比较低，很难驱动回路产生谐振，并联谐振的自稳频能力影响被测量的频率变化，频率稳定性差、功率大，而且并联谐振电路的谐振频率和外部电容有关，会引入额外的测量误差。
为克服上述难点，采用串联振荡电路实现对QVBA的激振，QVBA工作于串联谐振频率时，与其固有频率相等，串联支路呈纯电阻性，此纯电阻阻值为QVBA的动态电阻，其值的量级为MΩ，静电容C0通过外部电路进行移相补偿。电路中如果使用三极管，增加三极管的跨导可以提高电路的驱动能力，虽然三极管也具有重量小和体积小的优势，但是在热稳定性、噪声方面，与场效应管相比仍处于劣势。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种集成度高、稳定性好的石英振梁加速度计QVBA振荡电路及其调试方法。
技术方案：石英振梁加速度计振荡电路包括选频网络QVBA、反相器放大及移相电路、滤波电路及电压幅值调节电路；选频网络QVBA两端分别与反相器放大及移相电路两端连接，形成闭合振荡回路；反相器放大及移相电路输出端与滤波电路输入端相连，对振荡的信号低通滤波；电压幅值调节电路输入端与滤波电路连接后，输出端与数字电路连接。
选频网络中QVBA的动态电阻R1≥1MΩ。
反相器由一对P型半导体场效应晶体管和N型半导体场效应晶体管组成。
反相器两端跨接一个反馈电阻，通过反馈电阻使反相器工作在模拟放大的状态。
石英振梁加速度计振荡电路的调试方法，包括以下步骤：
(1)利用阻抗分析仪测得选频网络QVBA的等效模型及参数值；
(2)将反相器放大及移相电路中的反馈电阻Rh用可变电阻Rv替换；
(3)调节可变电阻Rv，使频率振荡在高阻抗QVBA的串联谐振点上；
(4)测量可变电阻Rv的阻值，用等值的固定电阻替换。
工作原理：本发明利用反相器实现模拟放大功能，采用一块集成六个CMOS反相器的芯片CD4069及少量的电阻电容构成QVBA振荡电路，通过调节反馈电阻实现对相位的补偿，实现工作频率稳定在QVBA的串联谐振频率及并联谐振频率之间。其中振荡信号经过两级反相器，分别实现滤波及输出信号幅度调节，以及输出的频率信号供给数字系统或者嵌入式系统检测，进而实现了晶体振荡电路较难激振的高阻抗QVBA振荡电路的自激振荡。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)电路紧凑简单、一体化程度高；(2)体积小、成本低；(3)功耗低；(4)工作温度范围广；(5)反应速度快、热稳定性好。
附图说明
图1是本发明电路示意图；
图2是选频网络QVBA的等效电路示意图；
图3是QVBA的频率特性图；
图4是石英振梁加速度计振荡电路图；
图5是CD4069六通道CMOS反相器的功能框图；
图6是单个反相器原理图；
图7是单个反相器构成放大器示意图；
图8是反相器工作在模拟放大区示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用一块集成六个CMOS反相器的芯片CD4069及少量的电阻、电容构成QVBA振荡电路；包括选频网络QVBA、反相器放大及移相电路、滤波电路及电压幅值调节电路；反相器放大及移相电路两端分别与高阻抗选频网络QVBA的两端相连，形成闭合振荡回路；通电自激起振，调节相位满足振荡条件后形成稳定的高阻抗的串联谐振；反相器放大及移相电路的输出与滤波电路相连，对振荡的信号低通滤波，其截止频率为100KHz，滤除其中的高次谐波；滤波电路的输出与电压幅值调节电路相连，对振荡信号进行电压幅值的调节，以方便与不同电平类型的数字电路进行对接。
如图2所示，为选频网络QVBA的等效示意图，QVBA在不振动的情况下，相当于一个平板电容C0，即静态电容。QVBA在振动的情况下，等效成动态电容C1、动态电阻R1、动态电感L1，其中动态电阻R1≧1MΩ。
石英振梁加速度计中，品质因素Q值的计算公式为
其中，R1为动态电阻，L1为动态电感，C1为动态电容；
QVBA的等效阻抗为：
其中，j为虚部ω为角速度；
当发生串联谐振时，其串联谐振频率fs大小为：
当发生并联谐振时，其并联谐振频率fp大小为：
其中，Cp为并联谐振时电路中总电容。
如图3所示，当发生串联谐振时，频率为fs，相位为零，呈纯电阻性质，且阻抗达到最小，在满足相位条件和幅值条件的条件下构成串联型振荡电路；发生并联谐振时，频率为fp，相位为零，呈现纯电阻性质，且阻抗达到最大，不作振荡电路。
如图4所示，石英振梁加速度计振荡电路包括选频网络、反相器放大及移相电路、滤波电路、输出电压幅值调节电路；其中选频网络X1；放大电路包括电阻Rh、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10及R11，电容C2、C3、C4、C5及C7，反相器U1E、U1F、U1B和U1C；滤波电路包括反相器U1D、电阻R12和电容C10；输出电压幅值调节电路包括反相器U1A、电阻R13、R14和电容C13；其中反相器U1A、U1B、U1C、U1D、U1E、U1F分别对应CD4069芯片中六个CMOS反相器；电阻R2的作用是在电路中作为固定电阻匹配所测可变电阻的值。
如图5所示，为CD4069六通道CMOS反相器功能框图，整个振荡电路设计以一块以集成六通道CMOS反相器的芯片CD4069为中心，辅以少量的电阻电容构成QVBA振荡电路，使得电路紧凑、体积小、功耗低、工作温度范围广以及热稳定性好。
选频网络X1的一端与反相器U1E的输入端相连，电阻Rh的一端与U1E的输入端相连，电阻Rh的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与反相器U1E的输出端相连，电容C5的一端与反相器U1E的输出端相连，电容C5的另一端与地相连，电容C2的一端与反相器U1E的输出端相连，电容C2的另一端与反相器U1F输入端相连，电阻R3的一端与U1F的输入端相连，电阻R3的另一端与反相器U1F的输出端相连，电容C3的一端与反相器U1F的输出端相连，电容C3的另一端与地相连，电容C4的一端与反相器U1F的输出端相连，电容C4的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与反相器U1B的输入端相连，电阻R6的一端与反相器U1B的输入端相连，电阻R6的另一端与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与反相器U1B的输出端相连，电容C7的一端与反相器U1B的输出端相连，电容C7的另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与反相器U1C的输入端相连，电阻R10的一端与反相器U1C的输入端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与反相器U1C的输出端相连，电容C12与反相器U1C的输出端相连，电容C12的另一端与选频网络X1的另一端相连，电阻R15与选频网络X1另一端相连，电阻R15的另一端与地相连，反相器U1D的输入端与反相器U1F的输入端相连，电阻R12的一端与反相器U1D的输出端相连，电阻R12的另一端与反相器U1A的输入端相连，电容C10的一端与反相器U1A的输入端相连，电容C10的另一端与地相连，电阻R13的一端与反相器U1A的输出端相连，电阻R13的另一端与电阻R14及电容C13的公共端相连，电阻R14及电容C13的另一公共端与地相连。电阻R13的另一端作为整个振荡电路的输出端向外部输出。
如图6所示为单个反相器原理图，CMOS反相器由一对P型金属氧化物半导体场效应晶体管和N型金属氧化物半导体场效应晶体管连接而成，作为高低电平转换。在A、Y之间跨接一个负反馈电阻，以使反相器的静态工作点Q偏置在线性放大区，可用于模拟信号的放大。
如图7所示，为单个反相器构成放大器示意图，计算增益的公式如下：
其中，Vi为放大器输入电压，V0为放大器输出电压。
如图8所示，为单个反相器电压转移特性曲线，其中横坐标Vin表示单个反相器的输入电压，纵坐标Vout表示单个反相器的输出电压；当Vin＝0.5VDD时，P型金属氧化物半导体场效应晶体管和N型金属氧化物半导体场效应晶体管都处于饱和状态，形成图8中电压转移特性曲线中的虚线部分，即用于模拟信号放大时所处的线性放大区。
石英振梁加速度计振荡电路的调试方法，包括以下步骤：
(1)利用阻抗分析仪测得选频网络高阻抗QVBA的等效模型及参数值，参数值包括：串联谐振频率fs、品质因素Q及图2中的C0、C1、R1、L1等参数；
(2)将图4中的动态电阻Rh采用可变电阻Rv替换，可变电阻Rv最大可变阻值为1MΩ，电阻R2选用510KΩ的电阻；
(3)以步骤(1)所获得的串联谐振频率fs为参考，调节可变电阻Rv，使Rv的阻值从小到大变化，使频率振荡在高阻抗QVBA的串联谐振点上。若调节可变电阻Rv后仍不能振荡在高阻抗QVBA的串联谐振点上，则将R2的阻值增加1MΩ，重复步骤(3)直至频率振荡在高阻抗QVBA的串联谐振点上；
(4)将可变电阻Rv从电路上取出，利用万用表测量可变电阻Rv的阻值，用等值的固定电阻替换。

Claims (5)

1.一种石英振梁加速度计振荡电路，其特征在于：包括选频网络QVBA、反相器放大及移相电路、滤波电路及电压幅值调节电路；所述选频网络QVBA两端分别与反相器放大及移相电路两端连接，形成闭合振荡回路；所述反相器放大及移相电路输出端与滤波电路输入端相连，对振荡的信号低通滤波；电压幅值调节电路输入端与滤波电路连接后，输出端与数字电路连接。
2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计振荡电路，其特征在于：所述选频网络QVBA中动态电阻R1≥1МΩ。
3.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计振荡电路，其特征在于：所述反相器由一对P型半导体场效应晶体管和N型半导体场效应晶体管组成。
4.根据权利要求3所述的石英振梁加速度计振荡电路，其特征在于：所述反相器两端跨接一个反馈电阻，通过反馈电阻使反相器工作在模拟放大的状态。
5.一种采用如权利要求1所述的石英振梁加速度计振荡电路的调试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(51)测得选频网络的等效模型及参数值；
(52)将反相器放大及移相电路中的反馈电阻Rh用可变电阻Rv替换；
(53)调节可变电阻Rv，使频率振荡在电路的串联谐振点上；
(54)测量可变电阻Rv的阻值，用等值的固定电阻替换。
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