CN112953512B - 一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单片集成的三轴加速度计的闭环数字化电路，包括五组检测电极、五组反馈电极、四个谐振器闭环控制电路、Z轴平板结构控制电路、可编程逻辑门阵列和多路测频控制电路，五组检测电极分别与三轴加速度计表头的四个谐振器和一个平板结构电连接，五组反馈电极的输入端分别与五组检测电极输出端电连接，输出端分别与四个谐振器闭环控制电路和Z轴平板结构控制电路的输入端电连接，四个谐振器闭环控制电路和Z轴平板结构控制电路的输出端与可编程逻辑门阵列和多路测频控制电路电连接。本发明可以准确读出X轴、Y轴、Z轴加速度的大小，该电路结构具有稳定性好、准确性高、精度高、体积小、易于集成等特点。

Description

一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路
技术领域
本发明涉及微光机电系统及惯性导航器件、模拟及数字电路，特别是涉及一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路。
背景技术
单片集成的三轴加速度计是在MEMS(微机电系统)的基础上发展出来的一种微惯性器件。通过MEMS加工技术为基础，实现单片集成的三轴加速度计。该类器件兼具了MEMS器件尺寸小、质量轻、成本低、易集成等优点，是一种非常先进的多轴加速度计。
三轴加速度计的测控电路通常都是以模拟电路为主，主要通过模拟电路输出具体的频率值，然后通过测频器得到谐振器之间的频差，最后通过计算机的计算得到具体的加速度值，由于模拟电路受到温度、湿度外部环境的干扰导致测量时存在较大的误差，这种方法在实际测量中会造成测量结果与真实值之间偏差过大，不是测量加速度的最佳方案。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路及方法。
技术方案：本发明的基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，包括五组检测电极、五组反馈电极、四个谐振器控制电路、Z轴平板结构控制电路、可编程逻辑门阵列和多路测频控制电路算法，五组检测电极和五组反馈电极分别通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连，五组检测电极分别与三轴加速度计表头的四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路连接，五组反馈电极用于将四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的闭环回路信号反馈到三轴加速度计表头，从而使这五路控制电路形成完整的闭环电路，四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的输出端均与可编程逻辑门阵列相连，可编程逻辑门阵列和多路测频控制算法电路连接，可编程逻辑门阵列用于将四个谐振器控制电路的模拟信号转换为数字信号并对其频率进行测量，得到频差，最后输出加速度的大小，同时可编程逻辑门阵列还将Z轴平板结构控制电路输出端输出的模拟信号转换为数字信号，计算频率求出Z轴加速度的大小，最终得到三轴加速度计每个轴的输出加速度数值；多路测频控制算法用于测量第一、第二、第三、第四谐振器闭环控制电路和Z轴平板结构控制电路信号频率的大小。
优选的，五组检测电极分别为：第一谐振器控制电路检测电极Vs1+、Vs1-，第二谐振器控制电路检测电极Vs2+、Vs2-，第三谐振器控制电路检测电极Vs3+、Vs3-，第四谐振器控制电路检测电极Vs4+、Vs4-；Z轴平板结构控制电路检测电极Vsz+、Vsz-；五组反馈电极分别为：第一谐振器控制电路反馈电极Vf1+、Vf1-，第二谐振器控制电路反馈电极Vf2+、Vf2-，第三谐振器控制电路反馈电极Vf3+、Vf3-，第四谐振器控制电路反馈电极Vf4+、Vf4-；Z轴平板结构控制电路反馈电极Vfz+、Vfz-。
优选的，第一谐振器控制电路、第二谐振器控制电路、第三谐振器控制电路和第四谐振器控制电路用于将三轴加速度计表头四个谐振器输出的微弱电压信号进行放大、滤波、调制、解调和反馈处理；
第一谐振器控制电路、第二谐振器控制电路、第三谐振器控制电路和第四谐振器控制电路的电路结构相同，均包括依次串联的环形二极管放大电路、相位控制电路、幅值控制电路、PID控制电路、信号调制控制电路、信号反馈控制电路和频率相位控制电路输出接口，其中环形二极管放大电路的输入端与相应的谐振器控制电路检测电极Vsk+、Vsk-，k＝1、2、3、4，的输出端连接，相位控制电路的另一个输出端与信号调制控制电路的第二输入端连接，信号反馈控制电路的第二输出端与相应的谐振器控制电路反馈电极Vfk+、Vfk-，k＝1、2、3、4，的输入端相连，谐振器控制电路反馈电极Vfk+、Vfk-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；频率相位控制电路输出接口的输出端与可编程逻辑门阵列连接。
优选的，环形二极管放大电路用于将各自控制电路检测电极输出的微弱电压信号进行放大和滤波；其包括环形二极管放大电路运算放大器、环形二极管放大电路放大电阻、环形二极管放大电路第一滤波电阻、环形二极管放大电路第二滤波电阻、环形二极管放大电路第一滤波电容、环形二极管放大电路第二滤波电容和环形二极管放大电路环形二极管，谐振器控制电路检测电极Vsk+和Vsk-，k＝1、2、3、4，将输出的微弱电压信号Vn+和Vn-，n＝a、b、c、d，通过环形二极管放大电路的环形二极管送入环形二极管放大电路运算放大器的输入端VINk+和VINk-，k＝1、2、3、4，环形二极管放大电路环形二极管的第一输入端与GND之间通过并联的环形二极管放大电路第一滤波电阻和环形二极管放大电路第一滤波电容组成的第一低通滤波器连接；环形二极管放大电路环形二极管的第二输入端与GND之间通过并联的环形二极管放大电路第二滤波电阻和环形二极管放大电路第二滤波电容组成的第二低通滤波器连接，第一低通滤波器和第二低通滤波器将相应的谐振器控制电路检测电极输出的微弱电压信号Vn+和Vn-，n＝a、b、c、d，中的无用信号滤掉；环形二极管放大电路运算放大器的同向输入端Vk+和Vk-，k＝1、2、3、4，之间串联一个放大电阻，用于将相应的谐振器控制电路检测电极输入的微弱电压信号Vn+和Vn-进行放大，最后在运算放大器的输出端输出放大滤波后的信号Vn，n＝a、b、c、d。
优选的，相位控制电路用于控制回路中谐振器电压信号的相位；其包括相位控制电路第一运算放大器、相位控制电路第二运算放大器、相位控制电路第三运算放大器、相位控制电路第一放大电阻、相位控制电路第二放大电阻、相位控制电路第一滤波电阻、相位控制电路第一滤波电容、相位控制电路第一相位调节电阻、相位控制电路第一相位调节电容、相位控制电路第二相位调节电容、相位控制电路第一串联电阻和相位控制电路第二串联电阻，环形二极管放大电路输出放大滤波后的信号Vn，n＝a、b、c、d，分成两路，一路送入相应的相位控制电路第一运算放大器，通过串联在相位控制电路第一运算放大器输入端的相位控制电路第一放大电阻以及并联在相位控制电路第一运算放大器输入端和输出端的相位控制电路第二放大电阻进行放大，在相位控制电路第一运算放大器的输出端得到信号Vn，n＝a、b、c、d；另一路通过相位控制电路第一串联电阻进入相位控制电路第二运算放大器的输入端，相位控制电路第一相位调节电阻和相位控制电路第一相位调节电容串联后再与相位控制电路第二级相位调节电容和相位控制电路第二运算放大器并联，相位控制电路第二运算放大器输出与输入信号Vn1相差90°的信号Vn2，n＝a、b、c、d，实现相位调节；相位控制电路第二运算放大器的输出端经相位控制电路的第二串联电阻与相位控制电路第三运算放大器的输出端相连，相位控制电路第一滤波电容与相位控制电路第三运算放大器并联，相位控制电路第一滤波电阻串联在相位控制电路第一运算放大器的输出端和相位控制电路第三运算放大器的输入端之间；相位控制电路第一滤波电阻和相位控制电路第一滤波电容对信号Vn2进行滤波，最终得到滤波后的信号Vdnm，n＝a、b、c、d。
优选的，幅值控制电路用于控制回路中谐振器电压信号的幅值；其包括幅值控制电路运算放大器、幅值控制电路第一放大电阻、幅值控制电路第二放大电阻、幅值控制电路第三放大电阻、幅值控制电路第一幅值二极管、幅值控制电路第二幅值二极管，相位控制电路输出的信号Vdnm，n＝a、b、c、d，送入幅值控制电路的输入端，首先Vdam信号进入第一放大电阻，然后分成三路，一路通过幅值控制电路第二放大电阻，进入幅值控制电路第二幅值二极管的输入端；另一路进入幅值控制电路第一幅值二极管的输入端；第三路进入幅值控制电路运算放大器的输入端；幅值控制电路第三放大电阻并联在幅值控制电路第二幅值二极管的输出端和幅值控制电路第二放大电阻的输入端之间；通过放大电阻对Vdnm信号进行放大，然后将得到的信号送入由幅值控制电路第一幅值二极管和幅值控制电路第二幅值二极管组成的电路进行幅值绝对值运算，在幅值控制电路输出端检测到幅值输出信号Van，n＝a、b、c、d。
优选的，PID控制电路用于调节回路中的电压稳定性；其包括PID控制电路运算放大器、PID控制电路PID调节电阻、PID控制电路PID调节第一电容、PID控制电路PID调节第二电容、PID控制电路直流电压源，幅值控制电路输出的信号Van，n＝a、b、c、d，送入PID控制电路的输入端，首先将信号Van通过PID控制电路直流电压源叠加一个恒定的直流电压，得到输出信号Van5，然后将输出信号Van5送入PID控制电路运算放大器的输入端，PID控制电路PID调节电阻和PID控制电路PID调节第一电容串联后再与PID控制电路PID调节第二电容和PID控制电路运算放大器并联，实现PID调节，然后在PID控制电路输出端得到经过PID调节后的输出信号Vpidn，n＝a、b、c、d。
优选的，信号调制控制电路用于将相位控制电路的信号与幅值控制电路的信号进行调制，得到固定相位和幅值的电压信号；其包括两输入单输出的乘法器，将相位控制电路的输出信号Vdnm，送入第一输入端，n＝a、b、c、d，将相应的PID控制电路的输出信号Vpidn送入第二输入端，n＝a、b、c、d，然后信号调制控制电路的输出端输出Vdnm和Vpidn相乘之后的输出信号Vgk，k＝1、2、3、4，至信号反馈控制电路的输入端。
优选的，信号反馈控制电路用于将信号调制控制电路的信号反馈到三轴加速度计的反馈电极上去，从而形成闭环自激震荡回路；其包括信号反馈控制电路运算放大器、信号反馈控制电路第一反向电阻、信号反馈控制电路第二反向电阻、信号反馈控制电路第一直流电压源、信号反馈控制电路第二直流电压源，信号反馈控制电路第一反向电阻串联在信号反馈控制电路运算放大器的输入端，信号反馈控制电路第二反向电阻并联在信号反馈控制电路运算放大器的输入端和输出端之间，信号调制控制电路的输出信号Vgk，k＝1、2、3、4，送入信号反馈电路的输入端，通过信号反馈控制电路运算放大器、信号反馈控制电路第一反向电阻和信号反馈控制电路第二反向电阻组成的反相器，在第一输出端输出信号VF1，并通过与信号反馈控制电路并联的第一直流电压源后输入到相应的谐振器反馈电极Vfk+，k＝1、2、3、4，在第二输出端输出信号VF2，并通过信号反馈控制电路第二直流电压源后输入到相应的谐振器反馈电极Vfk-，k＝1、2、3、4，然后反馈到三轴加速度计的表头。
优选的，Z轴平板结构控制电路包括依次串联的Z轴平板结构环形二极管放大电路、Z轴平板结构PID控制电路和Z轴平板结构反馈控制电路和Z轴平板结构控制电路频率电压输出接口，Z轴平板结构反馈控制电路的另一输出端通过Z轴平板结构控制电路反馈电极Vfz+、Vfz-与三轴加速度计表头相连；Z轴平板结构控制电路频率电压输出接口的输出端与可编程逻辑门阵列连接；
其中，Z轴环形二极管放大电路包括Z轴环形二极管放大电路运算放大器、Z轴环形二极管放大电路放大电阻、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容和Z轴环形二极管放大电路环形二极管，通过Z轴平板结构控制电路检测电极Vsz+、Vsz-，将输出的微弱电压信号Vz+和Vz-通过Z轴环形二极管放大电路环形二极管送入Z轴环形二极管放大电路运算放大器的输入端VINz+和VINz-，Z轴环形二极管放大电路环形二极管第一输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻和Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容组成的第九低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路环形二极管的第二输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻和Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容组成的第十低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路运算放大器的同向输入端Vz+和Vz-之间串联一个Z轴环形二极管放大电路放大电阻，用于将Z轴平板结构控制电路检测电极输入的微弱电压信号Vz+和Vz-进行放大，最后在Z轴环形二极管放大电路运算放大器的输出端，输出放大滤波后的信号Vz；第九和第十低通滤波器将Z轴平板结构控制电路检测电极输出的微弱电压信号Vz+和Vz-中的无用信号滤掉，输出放大滤波后的信号Vz。
有益效果：与现有技术相比，本发明的闭环数字化电路，将模拟电路与数字化电路相结合，结合现场可编程逻辑门阵列及多路测频算法，将各个轴的频率差数字化，对原有模拟电路进行改进，提高了三轴加速度计的输出稳定性；跟模拟三轴加速度计电路和频率检测方法相比，具有稳定性好、准确性高、精度高、体积小、易于集成等特点。
附图说明
图1是本发明电路的总体电路结构框图；
图2是本发明电路中三轴加速度计结构框图；
图3是本发明电路中环形二极管放大电路结构示意图；其中，(a)是第一谐振器环形二极管放大电路结构示意图，(b)是第二谐振器环形二极管放大电路结构示意图，(c)是第三谐振器环形二极管放大电路结构示意图，(d)是第四谐振器环形二极管放大电路结构示意图，(e)是Z轴环形二极管放大电路结构示意图；
图4是本发明电路中相位控制电路图；其中，(a)是第一谐振器相位控制电路结构示意图，(b)是第二谐振器相位控制电路结构示意图，(c)是第三谐振器相位控制电路结构示意图，(d)是第四谐振器相位控制电路结构示意图；
图5是本发明电路中幅值控制电路图；其中，(a)是第一谐振器幅值控制电路结构示意图，(b)是第二谐振器幅值控制电路结构示意图，(c)是第三谐振器幅值控制电路结构示意图，(d)是第四谐振器幅值控制电路结构示意图；
图6是本发明电路中PID控制电路结构示意图；其中，(a)是第一谐振器PID控制电路结构示意图，(b)是第二谐振器PID控制电路结构示意图，(c)是第三谐振器PID控制电路结构示意图，(d)是第四谐振器PID控制电路结构示意图；
图7是本发明电路中信号调制控制电路结构示意图；其中，(a)是第一谐振器信号调制控制电路结构示意图，(b)是第二谐振器信号调制控制电路结构示意图，(c)是第三谐振器信号调制控制电路结构示意图，(d)是第四谐振器信号调制控制电路结构示意图；
图8是本发明电路中信号反馈控制电路结构示意图；其中，(a)是第一谐振器信号反馈控制电路结构示意图，(b)是第二谐振器信号反馈控制电路结构示意图，(c)是第三谐振器信号反馈控制电路结构示意图，(d)是第四谐振器信号反馈控制电路结构示意图；
图9(a)是多路测频算法电路原理示意图；
图9(b)是可编程逻辑门阵列锁相环结构产生稳定的基准时钟频率信号示意图；
图9(c)是基准时钟频率信号fA计数模块结构示意图；
图9(d)是被测频率信号fa计数模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，包括可编程逻辑门阵列1、多路测频控制算法电路2、第一谐振器控制电路检测电极(Vs1+、Vs1-)4、第二谐振器控制电路检测电极(Vs2+、Vs2-)5、第三谐振器控制电路检测电极(Vs3+、Vs3-)6、第四谐振器控制电路检测电极(Vs4+、Vs4-)7、Z轴平板结构控制电路检测电极(Vsz+、Vsz-)8、第一谐振器控制电路反馈电极(Vf1+、Vf1-)9、第二谐振器控制电路反馈电极(Vf2+、Vf2-)10、第三谐振器控制电路反馈电极(Vf3+、Vf3-)11、第四谐振器控制电路反馈电极(Vf4+、Vf4-)12、Z轴平板结构控制电路反馈电极(Vfz+、Vfz-)13、第一谐振器控制电路、第二谐振器控制电路、第三谐振器控制电路、第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路，其中，第一至第四谐振器控制电路检测电极、Z轴平板结构控制电路检测电极的输入端以及第一至第四谐振器控制电路反馈电极、Z轴平板结构控制电路反馈电极的输出端均分别通过三轴加速度计表头3内部连线与三轴加速度计表头相连，并且均匀分布在三轴加速度计的四周；第一至第四谐振器控制电路检测电极、Z轴平板结构控制电路检测电极的输出端分别与第一至第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的输入端相连；五组反馈电极(即第一至第四谐振器控制电路反馈电极和Z轴平板结构控制电路反馈电极)用于将第一至第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的闭环回路信号反馈到三轴加速度计表头，从而使这五路控制电路(第一至第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路)形成完整的闭环电路，第一至第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的输出端与可编程逻辑门阵列的输入端连接，可编程逻辑门阵列的输出端与多路测频控制算法电路连接，可编程逻辑门阵列用于将第一至第四谐振器控制电路的模拟信号转换为数字信号并对其频率进行测量，得到频差，最后输出加速度的大小，同时可编程逻辑门阵列还将Z轴平板结构控制电路输出端输出的模拟信号转换为数字信号，计算频率求出Z轴加速度的大小，最终得到三轴加速度计每个轴的输出加速度数值；多路测频控制算法电路用于测量第一至第四谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路信号频率的大小。
如图1所示，第一谐振器控制电路包括依次串联的第一谐振器环形二极管放大电路141、第一谐振器相位控制电路142、第一谐振器幅值控制电路143、第一谐振器PID控制电路144、第一谐振器信号调制控制电路145、第一谐振器信号反馈控制电路146和第一谐振器频率相位控制电路输出接口147，其中第一谐振器环形二极管放大电路的输入端与第一谐振器控制电路检测电极Vs1+、Vs1-的输出端连接；第一谐振器相位控制电路的另一个输出端与第一谐振器信号调制控制电路的第二输入端连接，第一谐振器信号反馈控制电路146的第二输出端与第一谐振器控制电路反馈电极Vf1+、Vf1-的输入端相连，第一谐振器控制电路反馈电极Vf1+、Vf1-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；第一谐振器频率相位控制电路输出接口147的输出端与可编程逻辑门阵列1连接。
第二谐振器控制电路包括依次串联的第二谐振器环形二极管放大电路151、第二谐振器相位控制电路152、第二谐振器幅值控制电路153、第二谐振器PID控制电路154、第二谐振器信号调制控制电路155、第二谐振器信号反馈控制电路156和第二谐振器频率相位控制电路输出接口157，第二谐振器环形二极管放大电路151的输入端与第二谐振器控制电路检测电极Vs2+、Vs2-的输出端连接；第二谐振器相位控制电路的另一个输出端与第二谐振器信号调制控制电路的第二输入端连接，第二谐振器信号反馈控制电路156的第二输出端与第二谐振器控制电路反馈电极Vf2+、Vf2-的输入端相连，第二谐振器控制电路反馈电极Vf2+、Vf2-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；第二谐振器频率相位控制电路输出接口157的输出端与可编程逻辑门阵列1连接。
第三谐振器控制电路包括依次串联的第三谐振器环形二极管放大电路161、第三谐振器相位控制电路162、第三谐振器幅值控制电路163、第三谐振器PID控制电路164、第三谐振器信号调制控制电路165、第三谐振器信号反馈控制电路166和第三谐振器频率相位控制电路输出接口167，第三谐振器环形二极管放大电路161的输入端与第三谐振器检测电极Vs3+、Vs3-的输出端连接；第三谐振器相位控制电路162的另一个输出端与第三谐振器信号调制控制电路的第二输入端连接，第三谐振器信号反馈控制电路166的第二输出端与第三谐振器控制电路反馈电极Vf3+、Vf3-的输入端相连，第三谐振器控制电路反馈电极Vf3+、Vf3-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；第三谐振器频率相位控制电路输出接口167的输出端与可编程逻辑门阵列1连接。
第四谐振器控制电路包括依次串联的第四谐振器环形二极管放大电路171、第四谐振器相位控制电路172、第四谐振器幅值控制电路173、第四谐振器PID控制电路174、第四谐振器信号调制控制电路175、第四谐振器信号反馈控制电路176和第四谐振器频率相位控制电路输出接口177，第四谐振器环形二极管放大电路171的输入端与第四谐振器检测电极Vs4+、Vs4-的输出端连接；第四谐振器相位控制电路172的另一个输出端与第四谐振器信号调制控制电路的第二输入端连接，第四谐振器信号反馈控制电路176的第二输出端与第四谐振器控制电路反馈电极Vf4+、Vf4-的输入端相连，第四谐振器控制电路反馈电极Vf4+、Vf4-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；第四谐振器频率相位控制电路输出接口177的输出端与可编程逻辑门阵列1连接。
Z轴平板结构控制电路包括依次串联的Z轴平板结构环形二极管放大电路181、Z轴平板结构PID控制电路182、Z轴平板结构反馈控制电路183和Z轴平板结构控制电路频率电压输出接口184。Z轴平板结构环形二极管放大电路181的输入端与Z轴平板结构控制电路检测电极Vz+和Vz-的输出端连接；Z轴平板结构反馈控制电路183的第二输出端与Z轴平板结构控制电路反馈电极Vz+、Vz-的输入端相连，Z轴平板结构控制电路反馈电极Vz+、Vz-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；Z轴模拟电压信号输出接口184的输出端与可编程逻辑门阵列1连接。
如图2所示，三轴加速度计表头由四个谐振器和一个平板结构组成。其中平板结构由两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组。四个谐振器分别通过杠杆结构安装于三轴加速度计结构的四个顶角的外侧，电极通过玻璃基底上的信号引线与主结构相连。其中第一谐振器401位于整个结构的左上角，第二谐振器402位于整个结构的右上角，第三谐振器403位于整个结构的右下角，第四谐振器404位于整个结构的左下角，Z轴平板结构405位于整个结构的中心。三轴加速度计表头封装外分布着五组检测电极和五组反馈电极，分别为：第一谐振器控制电路检测电极4、第二谐振器控制电路检测电极5、第三谐振器控制电路检测电极6、第四谐振器控制电路检测电极7、Z轴平板结构控制电路检测电极8、第一谐振器控制电路反馈电极9、第二谐振器控制电路反馈电极10、第三谐振器控制电路反馈电极11、第四谐振器控制电路反馈电极12和Z轴平板结构控制电路反馈电极13。
第一至第四谐振器控制电路用于将三轴加速度计表头四个谐振器输出的微弱电压信号进行放大、滤波、调制、解调，反馈等处理；第一至第四谐振器环形二极管放大电路均用于将各自控制电路检测电极输出的微弱电压信号进行放大和滤波。
如图3中(a)所示，第一谐振器环形二极管放大电路141包括第一谐振器环形二极管放大电路运算放大器U1、第一谐振器环形二极管放大电路放大电阻R1、第一谐振器环形二极管放大电路第一滤波电阻R2、第一谐振器环形二极管放大电路第二滤波电阻R3、第一谐振器环形二极管放大电路第一滤波电容C1、第一谐振器环形二极管放大电路第二滤波电容C2和第一谐振器环形二极管放大电路环形二极管U2。通过第一谐振器控制电路检测电极Vs1+和Vs1-，将输出的微弱电压信号Va+和Va-通过第一谐振器环形二极管放大电路环形二极管U2送入第一谐振器环形二极管放大电路运算放大器U1的输入端VIN1+和VIN1-，第一谐振器环形二极管放大电路环形二极管U2的第一输入端与GND之间通过并联的第一谐振器环形二极管放大电路第一滤波电阻R2和第一谐振器环形二极管放大电路第一滤波电容C1组成的第一低通滤波器连接；第一谐振器环形二极管放大电路环形二极管U2的第二输入端与GND之间通过并联的第一谐振器环形二极管放大电路第二滤波电阻R3和第一谐振器环形二极管放大电路第二滤波电容C2组成的第二低通滤波器连接，第一低通滤波器和第二低通滤波器将第一谐振器控制电路检测电极输出的微弱电压信号Va+和Va-中的无用信号滤掉；第一谐振器环形二极管放大电路运算放大器U1的同向输入端V1+和V1-之间串联一个第一谐振器环形二极管放大电路放大电阻R1，用于将第一谐振器控制电路检测电极输入的微弱电压信号Va+和Va-进行放大，最后在第一谐振器环形二极管放大电路运算放大器U1的输出端，输出放大滤波后的信号Va。
如图3中(b)至(d)所示，第二谐振器环形二极管放大电路151包括第二谐振器环形二极管放大电路运算放大器U3、第二谐振器环形二极管放大电路放大电阻R4、第二谐振器环形二极管放大电路第一滤波电阻R5、第二谐振器环形二极管放大电路第二滤波电阻R6、第二谐振器环形二极管放大电路第一滤波电容C3、第二谐振器环形二极管放大电路第二滤波电容C4和第二谐振器环形二极管放大电路环形二极管U4。第三谐振器环形二极管放大电路161包括第三谐振器环形二极管放大电路运算放大器U5、第三谐振器环形二极管放大电路放大电阻R7、第三谐振器环形二极管放大电路第一滤波电阻R8、第三谐振器环形二极管放大电路第二滤波电阻R9、第三谐振器环形二极管放大电路第一滤波电容C5、第三谐振器环形二极管放大电路第二滤波电容C6和第三谐振器环形二极管放大电路环形二极管U6。第四谐振器环形二极管放大电路171包括第四谐振器环形二极管放大电路运算放大器U7、第四谐振器环形二极管放大电路放大电阻R10、第四谐振器环形二极管放大电路第一滤波电阻R11、第四谐振器环形二极管放大电路第二滤波电阻R12、第四谐振器环形二极管放大电路第一滤波电容C7、第四谐振器环形二极管放大电路第二滤波电容C8和第四谐振器环形二极管放大电路环形二极管U8。第二谐振器环形二极管放大电路151、第三谐振器环形二极管放大电路161、第四谐振器环形二极管放大电路171的电路连接关系和原理与第一谐振器环形二极管放大电路141相同，这里不再赘述。
如图3(e)所示，Z轴环形二极管放大电路181包括Z轴环形二极管放大电路运算放大器U9、Z轴环形二极管放大电路放大电阻R13、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻R14、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻R15、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容C9、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容C10和Z轴环形二极管放大电路环形二极管U10。通过Z轴平板结构控制电路检测电极Vsz+、Vsz-，将输出的微弱电压信号Vz+和Vz-通过Z轴环形二极管放大电路环形二极管U10送入Z轴环形二极管放大电路运算放大器U9的输入端VINz+和VINz-，Z轴环形二极管放大电路环形二极管U10第一输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻R14和Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容C9组成的第九低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路环形二极管U10的第二输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻R15和Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容C10组成的第十低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路运算放大器U9的同向输入端Vz+和Vz-之间串联一个Z轴环形二极管放大电路放大电阻R13，用于将Z轴平板结构控制电路检测电极输入的微弱电压信号Vz+和Vz-进行放大，最后在Z轴环形二极管放大电路运算放大器U9的输出端，输出放大滤波后的信号Vz；第九和第十低通滤波器将Z轴平板结构控制电路检测电极输出的微弱电压信号Vz+和Vz-中的无用信号滤掉。
第一谐振器相位控制电路142、第二谐振器相位控制电路152、第三谐振器相位控制电路162、第四谐振器相位控制电路172用于控制回路中谐振器电压信号的相位，且第一至第四谐振器相位控制电路的电路结构相同，如图4所示。
如图4中(a)所示，第一谐振器相位控制电路142包括第一谐振器相位控制电路第一运算放大器U11、第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12、第一谐振器相位控制电路第三运算放大器U13、第一谐振器相位控制电路第一放大电阻R16、第一谐振器相位控制电路第二放大电阻R17、第一谐振器相位控制电路第一滤波电阻R18、第一滤波电容C12、第一谐振器相位控制电路第一相位调节电阻R19、第一相位调节电容C13、第二相位调节电容C14、第一谐振器相位控制电路第一串联电阻R114和第一谐振器相位控制电路的第二串联电阻R115。第一谐振器环形二极管放大电路输出放大滤波后的信号Va分成两路，一路送入第一谐振器相位控制电路第一运算放大器U11，通过串联在U11输入端的第一谐振器相位控制电路第一放大电阻R16以及并联在U11输入端和输出端的第一谐振器相位控制电路第二放大电阻R17进行放大，在第一谐振器相位控制电路第一运算放大器U11的输出端得到信号Va1；另一路通过第一谐振器相位控制电路第一串联电阻R114进入第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12的输入端，第一相位调节电阻R19和第二相位调节电容C14串联后再与第一相位调节电容C13和第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12并联，第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12输出与输入信号Va1相差90°的信号Va2，实现相位调节；第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12的输出端经第一谐振器相位控制电路的第二串联电阻R115与第一谐振器相位控制电路第三运算放大器U13的输出端相连，第一滤波电容C12与第一谐振器相位控制电路第三运算放大器U13并联，第一谐振器相位控制电路第一滤波电阻R18串联在第一谐振器相位控制电路第一运算放大器U11的输出端和第一谐振器相位控制电路第三运算放大器U13的输入端之间；第一谐振器相位控制电路第一滤波电阻R18和第一滤波电容C12对信号Va2进行滤波，通过合成，最终得到滤波后的信号Vdam。其中，第一谐振器相位控制电路第一运算放大器U11、第一谐振器相位控制电路第一放大电阻R16和第一谐振器相位控制电路第二放大电阻R17用于实现信号的放大；第一谐振器相位控制电路第二运算放大器U12、第一相位调节电容C13、第一谐振器相位控制电路第一相位调节电阻R19和第二相位调节电容C14用于实现相位调节；第一滤波电容C12和第一谐振器相位控制电路第一滤波电阻R18用于实现滤波。
如图4中(b)至(d)所示，第二谐振器相位控制电路152包括第二谐振器相位控制电路第一运算放大器U14、第二谐振器相位控制电路第二运算放大器U15、第二谐振器相位控制电路第三运算放大器U16、第二谐振器相位控制电路第一放大电阻R20、第二谐振器相位控制电路第二放大电阻R21、第二谐振器相位控制电路第一滤波电阻R22、第一滤波电容C15、第二谐振器相位控制电路第一相位调节电阻R23、第一相位调节电容C16、第二相位调节电容C17、第二谐振器相位控制电路第一串联电阻R117和第二谐振器相位控制电路的第二串联电阻R118。第三谐振器相位控制电路162包括第三谐振器相位控制电路第一运算放大器U17、第三谐振器相位控制电路第二运算放大器U18、第三谐振器相位控制电路第三运算放大器U19、第三谐振器相位控制电路第一放大电阻R24、第三谐振器相位控制电路第二放大电阻R25、第三谐振器相位控制电路第一滤波电阻R26、第一滤波电容C18、第三谐振器相位控制电路第一相位调节电阻R27、第一相位调节电容C19、第二相位调节电容C20、第三谐振器相位控制电路第一串联电阻R221和第三谐振器相位控制电路的第二串联电阻R222。第四谐振器相位控制电路172包括第四谐振器相位控制电路第一运算放大器U20、第四谐振器相位控制电路第二运算放大器U21、第四谐振器相位控制电路第三运算放大器U22、第四谐振器相位控制电路第一放大电阻R28、第四谐振器相位控制电路第二放大电阻R29、第四谐振器相位控制电路第一滤波电阻R30、第一滤波电容C21、第四谐振器相位控制电路第一相位调节电阻R31、第一相位调节电容C22、第二相位调节电容C23、第四谐振器相位控制电路第一串联电阻R255和第四谐振器相位控制电路第二串联电阻R256。第二谐振器相位控制电路152、第三谐振器相位控制电路162和第四谐振器相位控制电路172的电路连接关系及原理与第一谐振器相位控制电路142相同，这里不再赘述。
第一谐振器幅值控制电路143、第二谐振器幅值控制电路153、第三谐振器幅值控制电路163、第四谐振器幅值控制电路173用于控制回路中谐振器电压信号的幅值。
如图5中(a)所示，第一谐振器幅值控制电路143包括第一谐振器幅值控制电路运算放大器U23、第一谐振器幅值控制电路第一放大电阻R32、第一谐振器幅值控制电路第二放大电阻R33、第一谐振器幅值控制电路第三放大电阻R34、第一谐振器幅值控制电路第一幅值二极管U24、第二幅值二极管U25。第一谐振器相位控制电路输出的信号Vdam送入第一谐振器幅值控制电路的输入端，首先Vdam信号进入第一放大电阻R32，然后分成三路，一路通过第一谐振器幅值控制电路第二放大电阻R33，进入第一谐振器幅值控制电路第二幅值二极管U25的输入端；另一路进入第一谐振器幅值控制电路第一幅值二极管U24的输入端；第三路进入第一谐振器幅值控制电路运算放大器U23的输入端；第一谐振器幅值控制电路第三放大电阻R34并联在U25输出端和R33输入端之间，通过放大电阻对Vdam信号进行放大，然后将得到的信号送入由两个二极管U24、U25组成的电路进行幅值绝对值运算，在第一谐振器幅值控制电路输出端检测到幅值输出信号Vaa。
如图5中(b)至(d)所示，第二谐振器幅值控制电路153包括第二谐振器幅值控制电路运算放大器U26、第二谐振器幅值控制电路第一放大电阻R35、第二谐振器幅值控制电路第二放大电阻R36、第二谐振器幅值控制电路第三放大电阻R37、第二谐振器幅值控制电路第一幅值二极管U27和第二幅值二极管U28。第三谐振器幅值控制电路163包括第三谐振器幅值控制电路运算放大器U29、第三谐振器幅值控制电路第一放大电阻R38、第三谐振器幅值控制电路第二放大电阻R39、第三谐振器幅值控制电路第三放大电阻R40、第三谐振器幅值控制电路第一幅值二极管U30和第二幅值二极管U31。第四谐振器幅值控制电路173包括第四谐振器幅值控制电路运算放大器U32、第四谐振器幅值控制电路第一放大电阻R41、第四谐振器幅值控制电路第二放大电阻R42、第四谐振器幅值控制电路第三放大电阻R43、第四谐振器幅值控制电路第一幅值二极管U33和第二幅值二极管U34。第二谐振器幅值控制电路153、第三谐振器幅值控制电路163和第四谐振器幅值控制电路173的电路连接关系及原理与第一谐振器幅值控制电路143相同，这里不再赘述。
PID控制电路包括第一谐振器PID控制电路144、第二谐振器PID控制电路154、第三谐振器PID控制电路164、第四谐振器PID控制电路174用于调节回路中的电压稳定性。
如图6中(a)所示，第一谐振器PID控制电路144包括第一谐振器PID控制电路运算放大器U35、第一谐振器PID控制电路PID调节电阻R44、第一谐振器PID控制电路PID调节第一电容C24、第一谐振器PID控制电路PID调节第二电容C25、第一谐振器PID控制电路直流电压源U36，第一谐振器幅值控制电路输出的信号Vaa，送入第一谐振器PID控制电路的输入端，首先将信号Vaa通过第一谐振器PID控制电路直流电压源U36叠加一个恒定的直流电压，得到输出信号Vaa5，然后将输出信号Vaa5送入第一谐振器PID控制电路运算放大器U35的输入端，第一谐振器PID控制电路PID调节电阻R44和第一谐振器PID控制电路PID调节第一电容C24串联后再与第一谐振器PID控制电路PID调节第二电容C25和第一谐振器PID控制电路运算放大器U35并联，实现PID调节，然后在第一谐振器PID控制电路输出端得到经过PID调节后的输出信号Vpida。
如图6中(b)至(d)所示，第二谐振器PID控制电路154包括第二谐振器PID控制电路运算放大器U37、第二谐振器PID控制电路PID调节电阻R45、第二谐振器PID控制电路PID调节第一电容C26、第二谐振器PID控制电路PID调节第二电容C27和第二谐振器PID控制电路直流电压源U38。第三谐振器PID控制电路164包括第三谐振器PID控制电路运算放大器U39、第三谐振器PID控制电路PID调节电阻R46、第三谐振器PID控制电路PID调节第一电容C28、第三谐振器PID控制电路PID调节第二电容C29和第三谐振器PID控制电路直流电压源U40。第四谐振器PID控制电路174包括第四谐振器PID控制电路运算放大器U41、第四谐振器PID控制电路PID调节电阻R47、第四谐振器PID控制电路PID调节第一电容C30、第四谐振器PID控制电路PID调节第二电容C31和第四谐振器PID控制电路直流电压源U42。第二谐振器PID控制电路154、第三谐振器PID控制电路164和第四谐振器PID控制电路174的电路连接关系以及原理同第一谐振器信号反馈控制电路144相同，这里不再赘述。
第一谐振器信号调制控制电路145、第二谐振器信号调制控制电路155、第三谐振器信号调制控制电路165、第四谐振器信号调制控制电路175用于将相位控制电路的信号与幅值控制电路的信号得到某一固定相位和幅值的电压信号。
如图7中(a)所示，第一谐振器信号调制控制电路145包括两输入单输出的乘法器U43，将第一谐振器相位控制电路的输出信号Vdam送入第一输入端，将第一谐振器PID控制电路的输出信号Vpida送入第二输入端，然后第一谐振器信号调制控制电路的输出端输出Vdam和Vpida相乘之后的输出信号Vg1至第一谐振器信号反馈控制电路的输入端。
如图7中(b)所示，第二谐振器信号调制控制电路155包括两输入单输出的乘法器U44，将第二谐振器相位控制电路的输出信号Vdbm送入第一输入端，将第二谐振器PID控制电路的输出信号Vpidb送入第二输入端，然后第二谐振器信号调制控制电路的输出端输出Vdbm和Vpidb相乘之后的输出信号Vg2至第二谐振器信号反馈控制电路的输入端。
如图7中(c)所示，第三谐振器信号调制控制电路165包括两输入单输出的乘法器U45，将第三谐振器相位控制电路的输出信号Vdcm送入第一输入端，将第三谐振器PID控制电路的输出信号Vpidc送入第二输入端，然后第三谐振器信号调制控制电路的输出端输出Vdcm和Vpidc相乘之后的输出信号Vg3至第三谐振器信号反馈控制电路的输入端。
如图7中(d)所示，第四谐振器信号调制控制电路175包括两输入单输出的乘法器U46，将第四谐振器相位控制电路的输出信号Vddm送入第一输入端，将第四谐振器PID控制电路的输出信号Vpidd送入第二输入端，然后第四谐振器信号调制控制电路的输出端输出Vddm和Vpidd相乘之后的输出信号Vg4至第四谐振器信号反馈控制电路的输入端。
第一谐振器信号反馈控制电路146、第二谐振器信号反馈控制电路156、第三谐振器信号反馈控制电路166、第四谐振器信号反馈控制电路176用于将谐振器信号调制控制电路的信号反馈到三轴加速度计的反馈电极上去，从而形成闭环自激震荡回路。
如图8中(a)所示，第一谐振器信号反馈控制电路146包括第一谐振器信号反馈控制电路运算放大器U47、第一谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R48、第一谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R49、第一谐振器信号反馈控制电路第一直流电压源U48、第一谐振器信号反馈控制电路第二直流电压源U49。第一谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R48串联在第一谐振器信号反馈控制电路运算放大器U47的输入端，第一谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R49并联在第一谐振器信号反馈控制电路运算放大器U47的输入端和输出端之间，第一谐振器信号调制控制电路的输出信号Vg1送入第一谐振器信号反馈电路的输入端，通过第一谐振器信号反馈控制电路运算放大器U47、第一谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R48和第一谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R49组成的反相器，在第一输出端输出信号VF1，并通过与第一谐振器信号反馈控制电路并联的第一直流电压源U48后输入到第一谐振器反馈电极Vf1+，在第二输出端输出信号VF2，并通过第一谐振器信号反馈控制电路第二直流电压源U49后输入到第一谐振器反馈电极Vf1-，然后反馈到三轴加速度计的表头。
如图8中(b)至(c)所示，第二谐振器信号反馈控制电路156包括第二谐振器信号反馈控制电路运算放大器U50、第二谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R50、第二谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R51、第二谐振器信号反馈控制电路第一直流电压源U51、第二谐振器信号反馈控制电路第二直流电压源U52。第三谐振器信号反馈控制电路166包括第三谐振器信号反馈控制电路运算放大器U53、第三谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R52、第三谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R53、第三谐振器信号反馈控制电路第一直流电压源U54、第三谐振器信号反馈控制电路第二直流电压源U55。第四谐振器信号反馈控制电路176包括第四谐振器信号反馈控制电路运算放大器U56、第四谐振器信号反馈控制电路第一反向电阻R54、第四谐振器信号反馈控制电路第二反向电阻R55、第四谐振器信号反馈控制电路第一直流电压源U57、第四谐振器信号反馈控制电路第二直流电压源U58。第二谐振器信号反馈控制电路156、第三谐振器信号反馈控制电路166和第四谐振器信号反馈控制电路176的电路连接关系同第一谐振器信号反馈控制电路146相同，这里不再赘述。
本实施例中，Z轴平板结构PID控制电路182包括Z轴平板结构PID控制电路运算放大器UZ1、Z轴平板结构PID控制电路PID调节电阻RZ1、Z轴平板结构PID控制电路PID调节第一电容CZ1、Z轴平板结构PID控制电路PID调节第二电容CZ2、Z轴平板结构PID控制电路直流电压源UZ2组成。Z轴平板结构环形二极管放大滤波电路输出的信号Vz，送入Z轴平板结构PID控制电路的输入端，首先将信号Vz通过Z轴平板结构PID控制电路直流电压源UZ2叠加一个恒定的直流电压，得到输出信号Vz5，然后将输出信号Vz5送入Z轴平板结构PID控制电路运算放大器UZ1的输入端，Z轴平板结构PID控制电路运算放大器的输入端和输出端之间并联的Z轴平板结构PID控制电路PID调节电阻RZ1、Z轴平板结构PID控制电路PID调节第一电容CZ1、Z轴平板结构PID控制电路PID调节第二电容CZ2进行PID调节，然后在Z轴平板结构PID控制电路输出端得到经过PID调节后的输出信号Vpidz。
Z轴平板结构反馈控制电路183包括Z轴平板结构反馈控制电路运算放大器UZ3、Z轴平板结构反馈控制电路第一反向电阻RZ2、Z轴平板结构反馈控制电路第二反向电阻RZ3、Z轴平板结构反馈控制电路第一直流电压源UZ4、Z轴平板结构反馈控制电路第二直流电压源UZ5。Z轴平板结构反馈控制电路的输出信号Vpidz送入Z轴平板结构反馈控制电路的输入端，通过Z轴平板结构反馈控制电路运算放大器UZ3与Z轴平板结构反馈控制电路第一反向电阻RZ2、Z轴平板结构反馈控制电路第二反向电阻RZ3相互并联组成的反相器，在第一输出端的输出信号VZ1并通过并联Z轴平板结构反馈控制电路第一直流电压源UZ4后输入到第一谐振器反馈电极Vz+，第二输出端的输出信号VZ2通过并联Z轴平板结构反馈控制电路第二直流电压源UZ5后输入到Z轴反馈电极Vz-，然后反馈到三轴加速度计的表头。
可编程逻辑门阵列用于将三轴加速度计四个谐振器回路和Z轴平板结构控制电路的模拟信号转换为数字信号并对其频率进行测量，多路测频控制算法电路用于测量四个谐振器回路和Z轴平板结构控制电路数字信号频率的大小，计算得到三个轴的加速度具体数值。
其中第一谐振器频率相位控制电路输出接口、第二谐振器相位控制电路输出接口、第三谐振器相位控制电路输出接口、第四谐振器相位控制电路输出接口，用于将相位控制电路输出的信号Vdam、Vdba、Vdcm、Vddm送入可编程逻辑门阵列中进行测频。
其中Z轴平板结构控制电路的模拟电压信号通过可编程逻辑门阵列转换成数字信号，通过多路测频控制算法电路最后计算出Z轴的加速度大小。
可编程逻辑门阵列由1.2V、2.5V、5V三个电源模块、50M晶振模块、串行配置结构、可编程逻辑单元和可编程输入输出(I/O)。
第一谐振器频率相位控制电路输出接口输出的第一谐振器频率为的正弦波信号、第二谐振器相位控制电路输出接口输出的第二谐振器频率为的正弦波信号、第三谐振器相位控制电路输出接口输出的第三谐振器频率为的正弦波信号、第四谐振器相位控制电路输出接口输出的第四谐振器频率为的正弦波信号。
多路测频控制算法电路用于测量谐振器的频率。多路测频控制算法电路由波形转换模块、测频控制电路模块组成，其中波形转换模块包括第一谐振器波形转换模块、第二谐振器波形转换模块、第三谐振器波形转换模块、第四谐振器波形转换模块，多路测频控制算法电路包括X轴双路测频电路系统和Y轴双路测频电路系统和Z轴单路测频控制电路。
多路测频控制算法电路首先通过波形转换模块将正弦波转换为0-3.3V的方波，其中第一谐振器频率相位控制电路输出接口连接到第一谐振器波形转换模块，第二谐振器相位控制电路输出接口连接到第二谐振器波形转换模块、第三谐振器相位控制电路输出接口连接到第三谐振器波形转换模块、第四谐振器相位控制电路输出接口连接到第四谐振器波形转换模块。将第一谐振器波形转换模块输出的方波信号S'1、第二谐振器波形转换模块输出的方波信号S'2、第三谐振器波形转换模块输出的方波信号S'3、第四谐振器波形转换模块的方波信号S'4同时送入测频控制电路模块。测频控制电路模块采用多周期同步计数法，多周期同步计数法是先设定预置闸门信号，闸门信号开启后，等待被测频率信号的上升沿到来，系统控制相应的触发器电路触发计数脉冲，计数器分别对系统时钟信号和被测频率信号进行计数，预置闸门关闭后，计数器继续工作，等待被测频率信号的上升沿到来停止计数，从而完成测频，其原理如图9(a)所示。设基准时钟频率信号的计数结果是NA，被测频率信号的计数结果是Na，则在实际闸门时间内有NA·TA＝Na·Ta，得到被测信号频率为：fa＝Na/Na·TA。基准时钟频率信号的产生采用可编程逻辑门阵列锁相环结构，可编程逻辑门阵列锁相环结构可以产生稳定的基准时钟频率信号fA，如图9(b)所示。其中输入信号为xi(t)＝Aisin(wit+θi(t))，输出信号为xo(t)＝Aosin(wot+θo(t))。其中Ai、Ao为电压幅度，wi为输入信号载波角速度，wo为压控振荡器的自由振荡角速度，θi(t)为输入信号瞬时相位，θo(t)是压控振荡器输出信号瞬时相位。由于锁相环能保持输入输出频率信号频差恒定，因此可以用锁相环的输出作为基准时钟频率信号的输出。将锁相环结构输出的基准时钟频率信号fA和被测频率信号fa送入多周期同步计数法的计数模块。其中基准时钟频率信号fA计数模块如图9(c)所示，被测频率信号fa计数模块如图9(d)所示。被测信号fa计数模块计数模式如下，预置闸门信号开启后，等待被测频率信号fa的上升沿，计数触发电路触发计数脉冲，预置闸门关闭后，计数器继续工作，等待被测信号fa的上升沿到来停止计数，计数结果为Na，同时实际闸门信号Gate产生。基准时钟频率信号fA和实际闸门信号Gate通过D触发器实现同步，输入计数器进行计数，得到标准信号计数值NA与指示信号一并输出。将计数结果和输出指示信号一并送入计算模块进行频率计算。先将计数结果Na和NA及指示信号送入计算模块便可以计算出被测频率信号的频率。将第一谐振器波形转换模块输出的方波信即被测频率信号S'1和第二谐振器波形转换模块输出的方波信号即被测频率信号S'2同时送入X轴双路测频电路系统，先将被测频率信号S'1和被测频率信号S'2分别计数，得到计数结果
Figure BDA0002926386090000191
和
Figure BDA0002926386090000192
将计数结果与系统基准时钟频率信号的计数结果N1和N2比较并计算得到第一谐振器和第二谐振器的频率，两个频率相减可以得到X轴的加速度。将第三谐振器波形转换模块输出的方波信号即被测频率信号S'3和第四谐振器波形转换模块输出的方波信号即被测频率信号S'4同时送入Y轴双路测频电路系统，先将被测频率信号S'3和被测频率信号S'4分别计数，得到计数结果
Figure BDA0002926386090000201
和
Figure BDA0002926386090000202
将计数结果与基准时钟频率信号的计数结果N3和N4比较并计算得到第三谐振器和第四谐振器的频率，两个频率相减可以得到Y轴的加速度。Z轴单路测频控制电路系统将Z轴平板结构控制电路模拟电压信号输出接口连接到可编程逻辑门阵列，通过多路测频控制算法电路将Z轴电压信号V1转换为数字信号N5，最后计算出Z轴加速度。

Claims (10)

1.一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：包括五组检测电极、五组反馈电极、四个谐振器控制电路、Z轴平板结构控制电路、可编程逻辑门阵列(1)和多路测频控制电路算法(2)，五组检测电极和五组反馈电极分别通过三轴加速度计表头(3)内部连线与三轴加速度计表头相连，五组检测电极分别与三轴加速度计表头的四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路连接，五组反馈电极用于将四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的闭环回路信号反馈到三轴加速度计表头，从而使这五路控制电路形成完整的闭环电路，四个谐振器控制电路和Z轴平板结构控制电路的输出端均与可编程逻辑门阵列(1)相连，可编程逻辑门阵列(1)和多路测频控制算法电路(2)连接，可编程逻辑门阵列用于将四个谐振器控制电路的模拟信号转换为数字信号并对其频率进行测量，得到频差，最后输出加速度的大小，同时可编程逻辑门阵列还将Z轴平板结构控制电路输出端输出的模拟信号转换为数字信号，计算频率求出Z轴加速度的大小，最终得到三轴加速度计每个轴的输出加速度数值；多路测频控制算法用于测量第一、第二、第三、第四谐振器闭环控制电路和Z轴平板结构控制电路信号频率的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：五组检测电极分别为：第一谐振器控制电路检测电极Vs1+、Vs1-(4)，第二谐振器控制电路检测电极Vs2+、Vs2-(5)，第三谐振器控制电路检测电极Vs3+、Vs3-(6)，第四谐振器控制电路检测电极Vs4+、Vs4-(7)；Z轴平板结构控制电路检测电极Vsz+、Vsz-(8)；五组反馈电极分别为：第一谐振器控制电路反馈电极Vf1+、Vf1-(9)，第二谐振器控制电路反馈电极Vf2+、Vf2-(10)，第三谐振器控制电路反馈电极Vf3+、Vf3-(11)，第四谐振器控制电路反馈电极Vf4+、Vf4-(12)；Z轴平板结构控制电路反馈电极Vfz+、Vfz-(13)。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：第一谐振器控制电路、第二谐振器控制电路、第三谐振器控制电路和第四谐振器控制电路用于将三轴加速度计表头四个谐振器输出的微弱电压信号进行放大、滤波、调制、解调和反馈处理；
第一谐振器控制电路、第二谐振器控制电路、第三谐振器控制电路和第四谐振器控制电路的电路结构相同，均包括依次串联的环形二极管放大电路、相位控制电路、幅值控制电路、PID控制电路、信号调制控制电路、信号反馈控制电路和频率相位控制电路输出接口，其中环形二极管放大电路的输入端与相应的谐振器控制电路检测电极Vsk+、Vsk-，k＝1、2、3、4，的输出端连接，相位控制电路的另一个输出端与信号调制控制电路的第二输入端连接，信号反馈控制电路的第二输出端与相应的谐振器控制电路反馈电极Vfk+、Vfk-，k＝1、2、3、4，的输入端相连，谐振器控制电路反馈电极Vfk+、Vfk-的输出端通过三轴加速度计表头内部连线与三轴加速度计表头相连；频率相位控制电路输出接口的输出端与可编程逻辑门阵列连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：环形二极管放大电路用于将各自控制电路检测电极输出的微弱电压信号进行放大和滤波；其包括环形二极管放大电路运算放大器、环形二极管放大电路放大电阻、环形二极管放大电路第一滤波电阻、环形二极管放大电路第二滤波电阻、环形二极管放大电路第一滤波电容、环形二极管放大电路第二滤波电容和环形二极管放大电路环形二极管，谐振器控制电路检测电极Vsk+和Vsk-，k＝1、2、3、4，将输出的微弱电压信号Vn+和Vn-，n＝a、b、c、d，通过环形二极管放大电路的环形二极管送入环形二极管放大电路运算放大器的输入端VINk+和VINk-，k＝1、2、3、4，环形二极管放大电路环形二极管的第一输入端与GND之间通过并联的环形二极管放大电路第一滤波电阻和环形二极管放大电路第一滤波电容组成的第一低通滤波器连接；环形二极管放大电路环形二极管的第二输入端与GND之间通过并联的环形二极管放大电路第二滤波电阻和环形二极管放大电路第二滤波电容组成的第二低通滤波器连接，第一低通滤波器和第二低通滤波器将相应的谐振器控制电路检测电极输出的微弱电压信号Vn+和Vn-，n＝a、b、c、d，中的无用信号滤掉；环形二极管放大电路运算放大器的同向输入端Vk+和Vk-，k＝1、2、3、4，之间串联一个放大电阻，用于将相应的谐振器控制电路检测电极输入的微弱电压信号Vn+和Vn-进行放大，最后在运算放大器的输出端输出放大滤波后的信号Vn，n＝a、b、c、d。
5.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：相位控制电路用于控制回路中谐振器电压信号的相位；其包括相位控制电路第一运算放大器、相位控制电路第二运算放大器、相位控制电路第三运算放大器、相位控制电路第一放大电阻、相位控制电路第二放大电阻、相位控制电路第一滤波电阻、相位控制电路第一滤波电容、相位控制电路第一相位调节电阻、相位控制电路第一相位调节电容、相位控制电路第二相位调节电容、相位控制电路第一串联电阻和相位控制电路第二串联电阻，环形二极管放大电路输出放大滤波后的信号Vn，n＝a、b、c、d，分成两路，一路送入相应的相位控制电路第一运算放大器，通过串联在相位控制电路第一运算放大器输入端的相位控制电路第一放大电阻以及并联在相位控制电路第一运算放大器输入端和输出端的相位控制电路第二放大电阻进行放大，在相位控制电路第一运算放大器的输出端得到信号Vn，n＝a、b、c、d；另一路通过相位控制电路第一串联电阻进入相位控制电路第二运算放大器的输入端，相位控制电路第一相位调节电阻和相位控制电路第一相位调节电容串联后再与相位控制电路第二级相位调节电容和相位控制电路第二运算放大器并联，相位控制电路第二运算放大器输出与输入信号Vn1相差90°的信号Vn2，n＝a、b、c、d，实现相位调节；相位控制电路第二运算放大器的输出端经相位控制电路的第二串联电阻与相位控制电路第三运算放大器的输出端相连，相位控制电路第一滤波电容与相位控制电路第三运算放大器并联，相位控制电路第一滤波电阻串联在相位控制电路第一运算放大器的输出端和相位控制电路第三运算放大器的输入端之间；相位控制电路第一滤波电阻和相位控制电路第一滤波电容对信号Vn2进行滤波，最终得到滤波后的信号Vdnm，n＝a、b、c、d。
6.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：幅值控制电路用于控制回路中谐振器电压信号的幅值；其包括幅值控制电路运算放大器、幅值控制电路第一放大电阻、幅值控制电路第二放大电阻、幅值控制电路第三放大电阻、幅值控制电路第一幅值二极管、幅值控制电路第二幅值二极管，相位控制电路输出的信号Vdnm，n＝a、b、c、d，送入幅值控制电路的输入端，首先Vdam信号进入第一放大电阻，然后分成三路，一路通过幅值控制电路第二放大电阻，进入幅值控制电路第二幅值二极管的输入端；另一路进入幅值控制电路第一幅值二极管的输入端；第三路进入幅值控制电路运算放大器的输入端；幅值控制电路第三放大电阻并联在幅值控制电路第二幅值二极管的输出端和幅值控制电路第二放大电阻的输入端之间；通过放大电阻对Vdnm信号进行放大，然后将得到的信号送入由幅值控制电路第一幅值二极管和幅值控制电路第二幅值二极管组成的电路进行幅值绝对值运算，在幅值控制电路输出端检测到幅值输出信号Van，n＝a、b、c、d。
7.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：PID控制电路用于调节回路中的电压稳定性；其包括PID控制电路运算放大器、PID控制电路PID调节电阻、PID控制电路PID调节第一电容、PID控制电路PID调节第二电容、PID控制电路直流电压源，幅值控制电路输出的信号Van，n＝a、b、c、d，送入PID控制电路的输入端，首先将信号Van通过PID控制电路直流电压源叠加一个恒定的直流电压，得到输出信号Van5，然后将输出信号Van5送入PID控制电路运算放大器的输入端，PID控制电路PID调节电阻和PID控制电路PID调节第一电容串联后再与PID控制电路PID调节第二电容和PID控制电路运算放大器并联，实现PID调节，然后在PID控制电路输出端得到经过PID调节后的输出信号Vpidn，n＝a、b、c、d。
8.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：信号调制控制电路用于将相位控制电路的信号与幅值控制电路的信号进行调制，得到固定相位和幅值的电压信号；其包括两输入单输出的乘法器，将相位控制电路的输出信号Vdnm，送入第一输入端，n＝a、b、c、d，将相应的PID控制电路的输出信号Vpidn送入第二输入端，n＝a、b、c、d，然后信号调制控制电路的输出端输出Vdnm和Vpidn相乘之后的输出信号Vgk，k＝1、2、3、4，至信号反馈控制电路的输入端。
9.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：信号反馈控制电路用于将信号调制控制电路的信号反馈到三轴加速度计的反馈电极上去，从而形成闭环自激震荡回路；其包括信号反馈控制电路运算放大器、信号反馈控制电路第一反向电阻、信号反馈控制电路第二反向电阻、信号反馈控制电路第一直流电压源、信号反馈控制电路第二直流电压源，信号反馈控制电路第一反向电阻串联在信号反馈控制电路运算放大器的输入端，信号反馈控制电路第二反向电阻并联在信号反馈控制电路运算放大器的输入端和输出端之间，信号调制控制电路的输出信号Vgk，k＝1、2、3、4，送入信号反馈电路的输入端，通过信号反馈控制电路运算放大器、信号反馈控制电路第一反向电阻和信号反馈控制电路第二反向电阻组成的反相器，在第一输出端输出信号VF1，并通过与信号反馈控制电路并联的第一直流电压源后输入到相应的谐振器反馈电极Vfk+，k＝1、2、3、4，在第二输出端输出信号VF2，并通过信号反馈控制电路第二直流电压源后输入到相应的谐振器反馈电极Vfk-，k＝1、2、3、4，然后反馈到三轴加速度计的表头。
10.根据权利要求1所述的一种基于单片集成的三轴加速度计的数字化控制电路，其特征在于：Z轴平板结构控制电路包括依次串联的Z轴平板结构环形二极管放大电路(181)、Z轴平板结构PID控制电路(182)和Z轴平板结构反馈控制电路(183)和Z轴平板结构控制电路频率电压输出接口(184)，Z轴平板结构反馈控制电路(183)的另一输出端通过Z轴平板结构控制电路反馈电极Vfz+、Vfz-与三轴加速度计表头相连；Z轴平板结构控制电路频率电压输出接口的输出端与可编程逻辑门阵列连接；
其中，Z轴环形二极管放大电路包括Z轴环形二极管放大电路运算放大器、Z轴环形二极管放大电路放大电阻、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻、Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容、Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容和Z轴环形二极管放大电路环形二极管，通过Z轴平板结构控制电路检测电极Vsz+、Vsz-，将输出的微弱电压信号Vz+和Vz-通过Z轴环形二极管放大电路环形二极管送入Z轴环形二极管放大电路运算放大器的输入端VINz+和VINz-，Z轴环形二极管放大电路环形二极管第一输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第一滤波电阻和Z轴环形二极管放大电路第一滤波电容组成的第九低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路环形二极管的第二输入端与GND之间通过并联的Z轴环形二极管放大电路第二滤波电阻和Z轴环形二极管放大电路第二滤波电容组成的第十低通滤波器连接；Z轴环形二极管放大电路运算放大器的同向输入端Vz+和Vz-之间串联一个Z轴环形二极管放大电路放大电阻，用于将Z轴平板结构控制电路检测电极输入的微弱电压信号Vz+和Vz-进行放大，最后在Z轴环形二极管放大电路运算放大器的输出端，输出放大滤波后的信号Vz；第九和第十低通滤波器将Z轴平板结构控制电路检测电极输出的微弱电压信号Vz+和Vz-中的无用信号滤掉，输出放大滤波后的信号Vz。
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