CN113063965B - 一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计 - Google Patents

一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计，伺服电路包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络和电源升压转换模块；差动电容转换器的输入端与石英挠性加速度计中石英表头的差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和石英挠性加速度计中石英表头的力矩器线圈4输入端，反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。

Description

一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计
技术领域
本发明属于惯性测量领域，具体属于一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计。
背景技术
加速度计又称为比力敏感器，是以牛顿惯性定律作为理论基础发展形成的惯性领域基础仪器仪表之一。在飞行器、潜航器等各种运载体的导航定位中，通过测量载体位置、速度或加速度均可得到载体运行轨迹，但由于在运动物体内部能够测量的物理量只有加速度，因此加速度计是惯性导航技术的核心信息源。石英挠性加速度计以其结构简单、工艺加工性强、高精度、低成本、低功耗、长寿命等诸多特点，已经成为当今中高精度惯性导航系统的关键器件。此外，石英挠性加速度计广泛应用于飞行器航姿控制、潜航器水下悬停、卫星轨道控制、石油钻井随钻测斜系统、大坝振动监测等军事民生领域。
随着捷联惯性导航系统的快速发展，武器装备的机动性能不断提高，其对加速度计的敏感上限不断扩大。如果载体的加速度接近加速度计的测量量程，会使得加速度计输出二阶以上非线性误差增大，加速度计输出无法真实反映外界输入的运动加速度。因此，进一步提高石英挠性加速度计量程是满足武器装备发展的重要战略手段。
目前，增大石英挠性加速度计量程的主要技术途径包括：增加石英摆片挠性支承约束力、减小电流标度因数以及提高伺服电路供电电源电压三种。增加石英摆片挠性支承约束力会降低石英挠性加速度计输出稳定性。减小电流标度因数的主要方法包括减小石英摆片质量，减小力矩器线圈质量、增大磁感应强度以及减少力矩器线圈绕线匝数等，但上述方法不仅会提高石英挠性加速度计的工艺复杂度，同时会降低石英挠性加速度计测量精度。提高伺服电路供电电源电压是目前提高石英挠性加速度计量程最为有效的方法，石英挠性加速度计普遍供电电源为±15V，要提高伺服电路供电电源电压需要用户重新设计加速度计供电电源系统，不同测量量程需要设计不同供电电源系统，从而降低了石英挠性加速度计适用性。此外，传统石英挠性加速度计伺服电路供电电源最高仅可提高至±30V，伺服电路最大输出电流为140mA，仅可将石英挠性加速度计量程扩展至100g。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种石英挠性加速度计伺服电路及石英挠性加速度计，可将石英挠性加速度计量程扩展至250g以上，满足飞行器快速机动、战术武器高过载、导弹发射等高g值加速度测量需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种石英挠性加速度计伺服电路，包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源和电源升压转换模块；
所述差动电容转换器的输入端与石英挠性加速度计中石英表头的差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和石英挠性加速度计中石英表头的力矩器线圈4输入端，所述反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；
所述二次配电电源用于将外接电源稳压变换后对差动电容转换器与电流积分器进行供电；
所述电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
优选的，所述电源升压转换模块包括功率电感器L1、功率电感器L2、肖特基二极管S1、肖特基二极管S2、N型功率场效应晶体管TN、P型功率场效应晶体管TP、精密运算放大器U1、精密运算放大器U2、精密运算放大器U3、精密运算放大器U4、精密运算放大器U5、精密采样电阻RS1、精密采样电阻RS2、精密采样电阻RS3、精密采样电阻RS4、电阻Re1、电阻Re2、电阻Re3、电阻Re4、电阻Re5、电阻Re6、电阻Re7、电阻Re8、电阻Re9、钽电容CT1和钽电容CT2；
所述功率电感器L1的一端连接电路正电源，功率电感器L1的另一端连接N型功率场效应晶体管TN的漏极和肖特基二极管S1阳极；
N型功率场效应晶体管TN的源极接地，N型功率场效应晶体管TN的栅极连接精密运算放大器U2的输出端；
肖特基二极管S1的阴极连接精密采样电阻RS1的一端和钽电容CT1的正极；精密采样电阻RS1的另一端连接精密采样电阻RS2的一端和电阻Re1的一端；精密采样电阻RS2的另一端与钽电容CT1负极均接地；
电阻Re1的另一端连接电阻Re2的一端与精密运算放大器U1的反相输入端；电阻Re2的另一端连接精密运算放大器U1的输出端和精密运算放大器U2的同相输入端；
精密运算放大器U1的同相输入端连接电阻Re3的一端；电阻Re3的另一端连接正向电压基准输出端；
锯齿波发生器的输出端连接精密运算放大器U2的反相输入端与电阻Re7的一端；电阻Re7的另一端连接精密运算放大器U3的反相输入端与电阻Re9的一端；电阻Re9另一端连接精密运算放大器U3的输出端与精密运算放大器U5的同相输入端；
精密运算放大器U3的同相输入端连接电阻Re8的一端；电阻Re8的另一端接地；精密运算放大器U5的反相输入端连接精密运算放大器U4的输出端与电阻Re5的一端；精密运算放大器U4的同相输入端连接电阻Re4的一端；电阻Re4的另一端连接负向电压基准；
精密运算放大器U4的反相输入端连接电阻Re5的另一端与电阻Re6的一端；电阻Re6的另一端连接精密采样电阻RS3的一端和精密采样电阻RS4的一端；
精密采样电阻RS3的另一端连接S2的阳极与钽电容CT2的负极；钽电容的CT2正极与精密采样电阻RS4的另一端接地；
肖特基二极管S2的阴极连接P型功率场效应晶体管TP的漏极和功率电感器L2的一端；P型功率场效应晶体管TP的栅极连接精密运算放大器U5的输出端，P型功率场效应晶体管TP的源极接地；功率电感器L2的另一端连接负电源。
优选的，所述跨导/补偿放大器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、PNP晶体管T1、PNP晶体管T2、PNP晶体管T4、PNP晶体管T5、PNP晶体管T6、PNP晶体管T7、PNP晶体管T9、NPN晶体管T3、NPN晶体管T10、NPN晶体管T11、NPN晶体管T12、NPN晶体管T13、NPN晶体管T14、NPN晶体管T15和结型场效应晶体管T8；
所述电阻R1的一端、电阻R5的一端和电阻R7的一端均连接电源升压转换模块的正向输出端；
电阻R1另一端连接PNP晶体管T1的发射极；PNP晶体管T1的基极和PNP晶体管T1的集电极均连接PNP晶体管T2的发射极；
PNP晶体管T2的基极和PNP晶体管T2的集电极均连接NPN晶体管T3的集电极，NPN晶体管T3的集电极连接PNP晶体管T4的基极；
NPN晶体管T3的基极连接前级网络放大器Upre的输出端和二极管D1的阳极，NPN晶体管T3的发射极连接电阻R2的一端；
电阻R2的另一端与电阻R3的一端均接地；电阻R3的另一端连接PNP晶体管T9的发射极；PNP晶体管T9的基极连接前级网络中二极管D2的阴极；PNP晶体管T9的集电极分别连接NPN晶体管T10的基极、NPN晶体管T10的集电极与NPN晶体管T12的基极；
NPN晶体管T10的发射极连接NPN晶体管T11的基极和NPN晶体管T11的集电极；NPN晶体管T11的发射极连接电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R5的另一端分别连接PNP晶体管T5的发射极和电阻R6的一端；电阻R6的另一端连接PNP晶体管T6的发射极；PNP晶体管T5的基极连接PNP晶体管T4的发射极，PNP晶体管T5的集电极分别连接PNP晶体管T4的集电极、NPN晶体管T12的集电极与NPN晶体管T13的集电极；
NPN晶体管T12的发射极连接NPN晶体管T13的基极；NPN晶体管T13的发射极分别连接电阻R8的一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R8的另一端连接NPN晶体管T14的发射极；NPN晶体管T14的基极分别连接NPN晶体管T14的集电极、NPN晶体管T15的发射极与结型场效应晶体管T8的源极；
结型场效应晶体管T8的栅极分别连接结型场效应晶体管T8的漏极、PNP晶体管T6的基极、PNP晶体管T6的集电极和PNP晶体管T7的基极；
电阻R7的另一端连接PNP晶体管T7的发射极；PNP晶体管T7的集电极分别连接NPN晶体管T15的集电极、阻容反馈网络中电阻R13的一端、电阻R14的一端和电阻R15的一端；NPN晶体管T15的发射极连接电阻R10的一端；电阻R10另一端连接电源升压转换模块负向输出端。
优选的，所述跨导/补偿放大器的传递函数为
Figure BDA0002989441740000051
式中，K1为芯片内置前级放大器增益；K2为跨导放大器电压-电流变换增益；K3为补偿放大器电流采集增益；K4为阻容反馈网络增益。
优选的，所述电源升压转换模块将±15V外界供电电源升压到±60V。
优选的，所述差动电容转换器和电流积分器均采用LZF15型芯片。
优选的，所述二次配电电源的正极上设置有正向三端稳压器，负极上设置有负向三端稳压器。
一种石英挠性加速度计，包括石英表头和伺服控制电路；
所述石英表头包括石英摆片、力矩器线圈、第一电容极板、表头外壳和第二电容极板；
所述表头外壳内部设置有石英摆片，石英摆片的两侧分别对应设置有第一电容极板和第二电容极板，所述第一电容极板和第二电容极板之间间隙设置；石英摆片上设置有力矩器线圈；
所述伺服控制电路包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源和电源升压转换模块；
所述第一电容极板和第二电容极板形成差动电容传感器，差动电容转换器的输入端与差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和力矩器线圈输入端，所述反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；
所述二次配电电源用于将外接电源稳压变换后对差动电容转换器与电流积分器进行供电；
所述电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种石英挠性加速度计伺服电路，通过电源升压转换模块将±15V外界供电电源升压转换到±60V，为跨导/补偿放大器提供高压供电电源。同时，为保证跨导/补偿放大器电流增益，该模块输出级采用达灵顿放大结构，提高了伺服电路电流驱动能力。因此，在不改变石英表头力矩器线圈匝数时，可使得伺服电路输出电流超过350mA，从而在不改变石英挠性加速度计标度因数条件下，可将石英挠性加速度计量程扩展至250g以上。
本发明提供一种石英挠性加速度计，采用石英挠性加速度计伺服电路与石英表头组合完成大量程石英挠性加速度计，当外界沿石英表头敏感轴方向存在加速度ain作用时，石英表头中差动电容敏感结构中的可动石英摆片偏离中心平衡位置，与上、下极板产生差动电容变化，伺服控制电路中的差动电容转换器将该差动电容转化为电流，由电流积分器积分后输出电压。电压由跨导/补偿放大器转换放大为电流iout输出，电流iout通过石英表头的力矩器磁感线圈，在磁场作用下产生再平衡力矩，用于平衡外界惯性力矩，驱动石英摆片返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器对输出电流iout进行比例采样，输入反馈网络，产生比例积分微分(PID)控制量对加速度计系统链路进行闭环控制，以调节系统动态参数，使石英挠性加速度计系统工作在闭环稳定状态。
附图说明
图1为本发明实施例大电流输出型石英挠性加速度计伺服电路原理框图；
图2为本发明实施例电源升压转换模块电原理图；
图3为本发明实施例跨导/补偿放大器与前级放大器原理框图；
图4为本发明实施例跨导/补偿放大器电原理图。
附图中：1为石英表头；2为伺服控制电路；3为石英摆片；4为力矩器线圈；5为第一电容极板；6为表头外壳；7为第二电容极板。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的大电流输出型石英挠性加速度计伺服电路与专用的石英挠性加速度计表头敏感结构(简称石英表头)组合完成大量程石英挠性加速度计。石英表头由差动电容传感器、力矩器、永磁体、金属外壳等组成。当外界沿石英表头敏感轴方向存在加速度ain作用时，石英表头中差动电容敏感结构中的可动石英摆片偏离中心平衡位置，与上、下极板产生差动电容变化，伺服控制电路中的差动电容转换器将该差动电容转化为电流，由电流积分器积分后输出电压。电压由跨导/补偿放大器转换放大为电流iout输出，电流iout通过石英表头的力矩器磁感线圈，在磁场作用下产生再平衡力矩，用于平衡外界惯性力矩，驱动石英摆片返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器对输出电流iout进行比例采样，输入反馈网络，产生比例积分微分(PID)控制量对加速度计系统链路进行闭环控制，以调节系统动态参数，使石英挠性加速度计系统工作在闭环稳定状态。此外，输出电流的大小与外界加速度成正比，极性取决于加速度的方向。
本发明的大电流输出型石英挠性加速度计伺服电路将±15V外界供电电源通过内部电源升压转换模块升高到±60V，为跨导/补偿放大器提供高压供电电源。同时，为保证跨导/补偿放大器电流增益，该模块输出级采用达灵顿放大结构，提高了伺服电路电流驱动能力。因此，在不改变石英表头力矩器线圈匝数(内阻约为160Ω)时，可使得伺服电路输出电流超过350mA，从而在不改变石英挠性加速度计标度因数(约为1.2～1.4mA/g)条件下，可将石英挠性加速度计量程扩展至250g以上。本发明可满足飞行器快速机动、战术武器高过载、导弹发射等高g值加速度测量需求。
本发明所述的大电流输出型石英挠性加速度计伺服电路包含差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源、电源升压转换模块以及其他外围阻容元件。
差动电容转换器的信号输入端与石英表头中差动电容传感器的信号输出端连接，差动电容转换器的信号输出端与电流积分器的信号输入端连接，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和石英挠性加速度计中石英表头的力矩器线圈4输入端，反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端。
石英表头中力矩器的信号输出端与伺服电路外引脚相连，作为石英挠性加速度计的信号输出端。二次配电电源将外接电源稳压变换后为差动电容转换器与电流积分器模块供电；电源升压转换模块将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
如图1所示，本发明一种石英挠性加速度计，包括石英表头1和伺服控制电路2；石英表头1包括石英摆片3、力矩器线圈4、第一电容极板5、表头外壳6和第二电容极板7；表头外壳6内部设置有石英摆片3，石英摆片3的两侧分别对应设置有第一电容极板5和第二电容极板7，所述第一电容极板5和第二电容极板7之间间隙设置；石英摆片3上设置有力矩器线圈4。
伺服控制电路2包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源和电源升压转换模块；第一电容极板5和第二电容极板7形成差动电容传感器，差动电容转换器的输入端与差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和力矩器线圈4输入端，所述反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；二次配电电源用于将外接电源稳压变换后对差动电容转换器与电流积分器进行供电；电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
当外界沿石英表头敏感轴方向不存在加速度作用时，石英表头中差动电容敏感结构中的可动石英摆片3处于中心平和位置；当外界沿石英表头敏感轴方向存在加速度ain作用时，可动石英摆片偏离中心平衡位置，与石英表头上、下金属极板产生差动电容变化，伺服控制电路中的差动电容转换器将该差动电容转化为电流，由电流积分器积分后输出电压。随后，由跨导/补偿放大器将电压转换放大为电流iout输出，输出电流流经石英表头的力矩器磁感线圈，使得力矩器在磁场作用下产生再平衡磁性力矩，以平衡ain引起的惯性力矩，驱动差动电容敏感结构石英摆片返回平衡位置。同时，跨导/补偿放大器的另外一个输出端输出与电流iout成比例的电流分量进入反馈网络中，产生比例积分微分(PID)控制量，调节跨导/补偿放大器动态增益和系统响应时间，完成加速度计系统链路闭环控制，使石英挠性加速度计系统工作在闭环稳定状态。此外，输出电流iout的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向，从而完成对外界加速度的测量。
本发明中差动电容转换器和电流积分器采用LZF15型芯片，二次配电电源采用7809和7909配对使用，将外界供电电源转换为±9V为LZF15芯片供电。电源升压转换模块将外界供电电源转换为±60V为跨导/补偿放大器模块供电。
本发明所示的电源升压转换模块原理图如图2所示，电源升压转换模块包括功率电感器L1、功率电感器L2、肖特基二极管S1、肖特基二极管S2、N型功率场效应晶体管TN、P型功率场效应晶体管TP、精密运算放大器U1、精密运算放大器U2、精密运算放大器U3、精密运算放大器U4、精密运算放大器U5、精密采样电阻RS1、精密采样电阻RS2、精密采样电阻RS3、精密采样电阻RS4、电阻Re1、电阻Re2、电阻Re3、电阻Re4、电阻Re5、电阻Re6、电阻Re7、电阻Re8、电阻Re9、钽电容CT1和钽电容CT2；
所述功率电感器L1的一端连接电路正电源，功率电感器L1的另一端连接N型功率场效应晶体管TN的漏极和肖特基二极管S1阳极；
N型功率场效应晶体管TN的源极接地，N型功率场效应晶体管TN的栅极连接精密运算放大器U2的输出端；
肖特基二极管S1的阴极连接精密采样电阻RS1的一端和钽电容CT1的正极；精密采样电阻RS1的另一端连接精密采样电阻RS2的一端和电阻Re1的一端；精密采样电阻RS2的另一端与钽电容CT1负极均接地；
电阻Re1的另一端连接电阻Re2的一端与精密运算放大器U1的反相输入端；电阻Re2的另一端连接精密运算放大器U1的输出端和精密运算放大器U2的同相输入端；
精密运算放大器U1的同相输入端连接电阻Re3的一端；电阻Re3的另一端连接正向电压基准输出端；
锯齿波发生器的输出端连接精密运算放大器U2的反相输入端与电阻Re7的一端；电阻Re7的另一端连接精密运算放大器U3的反相输入端与电阻Re9的一端；电阻Re9另一端连接精密运算放大器U3的输出端与精密运算放大器U5的同相输入端；
精密运算放大器U3的同相输入端连接电阻Re8的一端；电阻Re8的另一端接地；精密运算放大器U5的反相输入端连接精密运算放大器U4的输出端与电阻Re5的一端；精密运算放大器U4的同相输入端连接电阻Re4的一端；电阻Re4的另一端连接负向电压基准；
精密运算放大器U4的反相输入端连接电阻Re5的另一端与电阻Re6的一端；电阻Re6的另一端连接精密采样电阻RS3的一端和精密采样电阻RS4的一端；
精密采样电阻RS3的另一端连接S2的阳极与钽电容CT2的负极；钽电容的CT2正极与精密采样电阻RS4的另一端接地；
肖特基二极管S2的阴极连接P型功率场效应晶体管TP的漏极和功率电感器L2的一端；P型功率场效应晶体管TP的栅极连接精密运算放大器U5的输出端，P型功率场效应晶体管TP的源极接地；功率电感器L2的另一端连接负电源。
对于正向电源升压单元，当运算放大器U2输出为高电平时，N型功率场效应晶体管TN导通，第一肖特基二极管S1截止，第一功率电感器L1两端电压VL1≈VCC，输入电源电能转化为磁能储存在电感器中，后级负载通过电容放电维持功率需求；当运算放大器U2输出为低电平时，N型功率场效应晶体管TN关断，第一肖特基二极管S1导通，第一功率电感器L1电流减小，电压极性反相，电容C开始充电，第一功率电感器L1两端电压VL1≈VCC-Vout+。在一个开关周期T内，电感电压总伏秒为：
∫0 TVL1(t)dt＝VCCDT+(VCC-Vout+)(1-D)T
其中D为TN晶体管导通时间占空比，根据伏秒定理，
D·T·VCC+(VCC-Vout+)(1-D)T＝0
Figure BDA0002989441740000121
占空比D≤1，因此Vout+>Vin+，电路完成升压功能。
同时，输出电压Vout+通过第一精密采样电阻RS1、精密采样电阻RS2进行分压采样，采样电压
Figure BDA0002989441740000122
由第一运算放大器U1构成的误差放大器对采样电压Vmea与正向基准电压Vref进行差值放大，输出电压Verror与锯齿波发生器输出电压Vsaw通过运算放大器U2进行比较放大，产生PWM波，从而驱动N型功率场效应晶体管TN导通与关断，调节输出电压Vout+幅值。针对输出电压Vout+动态调节过程，当输出电压Vout+输出增大时，采样电压Vmea增大，输出电压Verror减小，使得PWM波占空比D减小，N型功率场效应晶体管TN导通时间减小，输出电压Vout+降低；当输出电压Vout+输出减小时，采样电压Vmea减小，输出电压Verror增大，使得PWM波占空比D增大，N型功率场效应晶体管TN导通时间增大，输出电压Vout+降低，以上动态过程使得输出电压Vout+稳定在设定电压值。负向电源升压单元原理与正向电源升压单元相同，特殊部分在于，正、负向电源升压单元共用锯齿波发生器，P型功率场效应晶体管TP需要负向电压进行关断，因此，本发明中第三运算放大器U3构成单倍反相放大器，对锯齿波发生器输出电压Vsaw进行单倍反相放大，从而易于产生0～100％可变占空比的负向PWM波，完成对P型功率场效应晶体管TP的导通关断控制。
本发明所示的跨导/补偿放大器部分传递函数原理框图如图3所示，其电原理图其中K1为LZF15芯片内置前级放大器增益；K2为跨导放大器电压-电流变换增益；K3为补偿放大器电流采集增益；K4为阻容反馈网络增益。
如图4所示，跨导/补偿放大器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、PNP晶体管T1、PNP晶体管T2、PNP晶体管T4、PNP晶体管T5、PNP晶体管T6、PNP晶体管T7、PNP晶体管T9、NPN晶体管T3、NPN晶体管T10、NPN晶体管T11、NPN晶体管T12、NPN晶体管T13、NPN晶体管T14、NPN晶体管T15和结型场效应晶体管T8。
阻容反馈网络包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C1、电容C2；前级网络包括精密运算放大器Upre、第一精密电阻Rpre1、精密电阻Rpre2、二极管D1、二极管D2。
所述电阻R1的一端、电阻R5的一端和电阻R7的一端均连接电源升压转换模块的正向输出端；
电阻R1另一端连接PNP晶体管T1的发射极；PNP晶体管T1的基极和PNP晶体管T1的集电极均连接PNP晶体管T2的发射极；
PNP晶体管T2的基极和PNP晶体管T2的集电极均连接NPN晶体管T3的集电极，NPN晶体管T3的集电极连接PNP晶体管T4的基极；
NPN晶体管T3的基极连接前级网络放大器Upre的输出端和二极管D1的阳极，NPN晶体管T3的发射极连接电阻R2的一端；
电阻R2的另一端与电阻R3的一端均接地；电阻R3的另一端连接PNP晶体管T9的发射极；PNP晶体管T9的基极连接前级网络中二极管D2的阴极；PNP晶体管T9的集电极分别连接NPN晶体管T10的基极、NPN晶体管T10的集电极与NPN晶体管T12的基极；
NPN晶体管T10的发射极连接NPN晶体管T11的基极和NPN晶体管T11的集电极；NPN晶体管T11的发射极连接电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R5的另一端分别连接PNP晶体管T5的发射极和电阻R6的一端；电阻R6的另一端连接PNP晶体管T6的发射极；PNP晶体管T5的基极连接PNP晶体管T4的发射极，PNP晶体管T5的集电极分别连接PNP晶体管T4的集电极、NPN晶体管T12的集电极与NPN晶体管T13的集电极；
NPN晶体管T12的发射极连接NPN晶体管T13的基极；NPN晶体管T13的发射极分别连接电阻R8的一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R8的另一端连接NPN晶体管T14的发射极；NPN晶体管T14的基极分别连接NPN晶体管T14的集电极、NPN晶体管T15的发射极与结型场效应晶体管T8的源极；
结型场效应晶体管T8的栅极分别连接结型场效应晶体管T8的漏极、PNP晶体管T6的基极、PNP晶体管T6的集电极和PNP晶体管T7的基极；
电阻R7的另一端连接PNP晶体管T7的发射极；PNP晶体管T7的集电极分别连接NPN晶体管T15的集电极、阻容反馈网络中电阻R13的一端、电阻R14的一端和电阻R15的一端；NPN晶体管T15的发射极连接电阻R10的一端；电阻R10另一端连接电源升压转换模块负向输出端。
电阻R15的另一端接地；电阻R14的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地；电阻R13的另一端分别连接电阻R12的一端、电阻R11的一端和精密运算放大器Upre的同相输入端；电阻R12的另一端连接电容C1的一端；电容C1的另一端接地；电阻R11的另一端接地；精密运算放大器Upre的输出端分别连接二极管D1的阳极与T3基极；二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极；二极管D2的阴极同时连接精密电阻Rpre2的一端；精密电阻Rpre2的另一端连接7909三端稳压器的输出端；精密电阻Rpre1的一端连接电流积分器的输出端，精密电阻Rpre1的另一端连接精密运算放大器Upre的反相输入端。
该部分传递函数
Figure BDA0002989441740000141
低频状态下，/>
Figure BDA0002989441740000142
为满足深度负反馈条件，需要K1K2K3K4＞＞1，从而使/>
Figure BDA0002989441740000143
因此，为保证跨导/补偿放大器部分在±60V电压下具备足够大的增益，同时提高H(s)增益，需要增大K2同时减小K3。因此，在电流输出级采用第四PNP晶体管T4、第四PNP晶体管T5(第十二NPN晶体管T12、第十三NPN晶体管T13)组成达灵顿放大结构，保证输出级三温下足够的电流增益，其中第一PNP晶体管T1、PNP晶体管T2(第十NPN晶体管T10、第十一NPN晶体管T11)基极与集电极短接，为达灵顿结构提供直流偏置，从而保证/>
Figure BDA0002989441740000151
增大第一电阻R1(第四电阻R4)同时减小电阻R2(第三电阻R3)、第五电阻R5(第九电阻R9)可以提高跨导放大器电压-电流变换增益；跨导/补偿放大器采用“双踪”电路形式，使跨导放大部分K2与补偿放大部分K3相互隔离，消除反馈网络对电路输出级的影响。补偿放大器电流采集为比例衰减，因此单晶体管PNP晶体管T7(第十五NPN晶体管T15)具有足够大的电流增益，可以保证/>
Figure BDA0002989441740000152
增大电阻R7(第十电阻R10)同时减小第五电阻R5(第九电阻R9)可以减小补偿放大器电流采集增益。
本发明的大电流输出型石英挠性加速度计伺服电路将外界供电电源通过内部升压电源模块升高至±60V，为跨导/补偿放大器提供高压供电电源。为保证跨导/补偿放大器足够高的电流增益，电流输出级采用达灵顿晶体管结构，极大程度提高了伺服电路电流驱动能力。同时，对跨导/补偿放大器电路进行调整：增大第一电阻R1(第四电阻R4)、电阻R7(第十电阻R10)，减小电阻R2(第三电阻R3)、第五电阻R5(第九电阻R9)可以在增大跨导/补偿放大器中跨导放大器电压-电流变换增益(K2)同时减小补偿放大器电流采集增益(K3)，保证石英挠性加速度计在高过载状态下正常稳定工作。本发明在不改变石英挠性加速度计表头传感器力矩器线圈匝数(内阻约为160Ω)时，伺服电路输出电流超过350mA，从而在不改变石英挠性加速度计标度因数(约为1.2～1.4mA/g)条件下，可将石英挠性加速度计量程扩展至250g以上。本发明可满足飞行器快速机动、战术武器高过载、导弹发射等高g值加速度测量需求。

Claims (8)

1.一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源和电源升压转换模块；
所述差动电容转换器的输入端与石英挠性加速度计中石英表头的差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和石英挠性加速度计中石英表头的力矩器线圈(4)输入端，所述反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；
所述二次配电电源用于将外接电源稳压变换后对差动电容转换器与电流积分器进行供电；
所述电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
2.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述电源升压转换模块包括功率电感器L1、功率电感器L2、肖特基二极管S1、肖特基二极管S2、N型功率场效应晶体管TN、P型功率场效应晶体管TP、精密运算放大器U1、精密运算放大器U2、精密运算放大器U3、精密运算放大器U4、精密运算放大器U5、精密采样电阻RS1、精密采样电阻RS2、精密采样电阻RS3、精密采样电阻RS4、电阻Re1、电阻Re2、电阻Re3、电阻Re4、电阻Re5、电阻Re6、电阻Re7、电阻Re8、电阻Re9、钽电容CT1和钽电容CT2；
所述功率电感器L1的一端连接电路正电源，功率电感器L1的另一端连接N型功率场效应晶体管TN的漏极和肖特基二极管S1阳极；
N型功率场效应晶体管TN的源极接地，N型功率场效应晶体管TN的栅极连接精密运算放大器U2的输出端；
肖特基二极管S1的阴极连接精密采样电阻RS1的一端和钽电容CT1的正极；精密采样电阻RS1的另一端连接精密采样电阻RS2的一端和电阻Re1的一端；精密采样电阻RS2的另一端与钽电容CT1负极均接地；
电阻Re1的另一端连接电阻Re2的一端与精密运算放大器U1的反相输入端；电阻Re2的另一端连接精密运算放大器U1的输出端和精密运算放大器U2的同相输入端；
精密运算放大器U1的同相输入端连接电阻Re3的一端；电阻Re3的另一端连接正向电压基准输出端；
锯齿波发生器的输出端连接精密运算放大器U2的反相输入端与电阻Re7的一端；电阻Re7的另一端连接精密运算放大器U3的反相输入端与电阻Re9的一端；电阻Re9另一端连接精密运算放大器U3的输出端与精密运算放大器U5的同相输入端；
精密运算放大器U3的同相输入端连接电阻Re8的一端；电阻Re8的另一端接地；精密运算放大器U5的反相输入端连接精密运算放大器U4的输出端与电阻Re5的一端；精密运算放大器U4的同相输入端连接电阻Re4的一端；电阻Re4的另一端连接负向电压基准；
精密运算放大器U4的反相输入端连接电阻Re5的另一端与电阻Re6的一端；电阻Re6的另一端连接精密采样电阻RS3的一端和精密采样电阻RS4的一端；
精密采样电阻RS3的另一端连接S2的阳极与钽电容CT2的负极；钽电容的CT2正极与精密采样电阻RS4的另一端接地；
肖特基二极管S2的阴极连接P型功率场效应晶体管TP的漏极和功率电感器L2的一端；P型功率场效应晶体管TP的栅极连接精密运算放大器U5的输出端，P型功率场效应晶体管TP的源极接地；功率电感器L2的另一端连接负电源。
3.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述跨导/补偿放大器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、PNP晶体管T1、PNP晶体管T2、PNP晶体管T4、PNP晶体管T5、PNP晶体管T6、PNP晶体管T7、PNP晶体管T9、NPN晶体管T3、NPN晶体管T10、NPN晶体管T11、NPN晶体管T12、NPN晶体管T13、NPN晶体管T14、NPN晶体管T15和结型场效应晶体管T8；
所述电阻R1的一端、电阻R5的一端和电阻R7的一端均连接电源升压转换模块的正向输出端；
电阻R1另一端连接PNP晶体管T1的发射极；PNP晶体管T1的基极和PNP晶体管T1的集电极均连接PNP晶体管T2的发射极；
PNP晶体管T2的基极和PNP晶体管T2的集电极均连接NPN晶体管T3的集电极，NPN晶体管T3的集电极连接PNP晶体管T4的基极；
NPN晶体管T3的基极连接前级网络放大器Upre的输出端和二极管D1的阳极，NPN晶体管T3的发射极连接电阻R2的一端；
电阻R2的另一端与电阻R3的一端均接地；电阻R3的另一端连接PNP晶体管T9的发射极；PNP晶体管T9的基极连接前级网络中二极管D2的阴极；PNP晶体管T9的集电极分别连接NPN晶体管T10的基极、NPN晶体管T10的集电极与NPN晶体管T12的基极；
NPN晶体管T10的发射极连接NPN晶体管T11的基极和NPN晶体管T11的集电极；NPN晶体管T11的发射极连接电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R5的另一端分别连接PNP晶体管T5的发射极和电阻R6的一端；电阻R6的另一端连接PNP晶体管T6的发射极；PNP晶体管T5的基极连接PNP晶体管T4的发射极，PNP晶体管T5的集电极分别连接PNP晶体管T4的集电极、NPN晶体管T12的集电极与NPN晶体管T13的集电极；
NPN晶体管T12的发射极连接NPN晶体管T13的基极；NPN晶体管T13的发射极分别连接电阻R8的一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端连接电源升压转换模块负向输出端；
电阻R8的另一端连接NPN晶体管T14的发射极；NPN晶体管T14的基极分别连接NPN晶体管T14的集电极、NPN晶体管T15的发射极与结型场效应晶体管T8的源极；
结型场效应晶体管T8的栅极分别连接结型场效应晶体管T8的漏极、PNP晶体管T6的基极、PNP晶体管T6的集电极和PNP晶体管T7的基极；
电阻R7的另一端连接PNP晶体管T7的发射极；PNP晶体管T7的集电极分别连接NPN晶体管T15的集电极、阻容反馈网络中电阻R13的一端、电阻R14的一端和电阻R15的一端；NPN晶体管T15的发射极连接电阻R10的一端；电阻R10另一端连接电源升压转换模块负向输出端。
4.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述跨导/补偿放大器的传递函数为
Figure QLYQS_1
式中，K1为芯片内置前级放大器增益；K2为跨导放大器电压-电流变换增益；K3为补偿放大器电流采集增益；K4为阻容反馈网络增益。
5.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述电源升压转换模块将±15V外界供电电源升压到±60V。
6.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述差动电容转换器和电流积分器均采用LZF15型芯片。
7.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计伺服电路，其特征在于，所述二次配电电源的正极上设置有正向三端稳压器，负极上设置有负向三端稳压器。
8.一种石英挠性加速度计，其特征在于，包括石英表头(1)和伺服控制电路(2)；
所述石英表头(1)包括石英摆片(3)、力矩器线圈(4)、第一电容极板(5)、表头外壳(6)和第二电容极板(7)；
所述表头外壳(6)内部设置有石英摆片(3)，石英摆片(3)的两侧分别对应设置有第一电容极板(5)和第二电容极板(7)，所述第一电容极板(5)和第二电容极板(7)之间间隙设置；石英摆片(3)上设置有力矩器线圈(4)；
所述伺服控制电路(2)包括差动电容转换器、电流积分器、前置放大器、跨导/补偿放大器、反馈网络、二次配电电源和电源升压转换模块；
所述第一电容极板(5)和第二电容极板(7)形成差动电容传感器，差动电容转换器的输入端与差动电容传感器输出端连接，差动电容转换器的输出端连接电流积分器的输入端，电流积分器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接跨导/补偿放大器的输入端，跨导/补偿放大器的输出端分别连接反馈网络的输入端和力矩器线圈(4)输入端，所述反馈网络的输出端连接前置放大器的输入端；
所述二次配电电源用于将外接电源稳压变换后对差动电容转换器与电流积分器进行供电；
所述电源升压转换模块用于将外接电源升压变换后为跨导/补偿放大器供电。
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