石英音叉陀螺接口電路設(shè)計(jì)淺析
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摘要:石英音叉陀螺是振動(dòng)型角速率傳感器，廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)、飛行器和穩(wěn)定系統(tǒng)等軍用領(lǐng)域，對(duì)其接口電路的現(xiàn)有的研究大部分還處于分立元器件PCB集成階段，難以滿足小尺寸、低功耗的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求。為此，設(shè)計(jì)一款基于ASIC專用芯片的陀螺接口電路，采用石英材料的音叉型敏感器件，實(shí)現(xiàn)高精度角速度測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明該電路在全溫區(qū)具有較好的零偏穩(wěn)定性，標(biāo)度因數(shù)、非線性度、不對(duì)稱度等重要參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到預(yù)期效果。
關(guān)鍵詞：石英音叉陀螺；專用集成電路；接口電路；微機(jī)械；角速度傳感器
1引言
陀螺是慣性導(dǎo)航裝置和全球定位系統(tǒng)中的重要傳感器之一，作為一種慣性敏感器件，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器、航天器、飛行器、汽車安全、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[1]。早期陀螺是利用機(jī)械轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量守恒原理來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)的，精度不高，而且由于體積、價(jià)格、功耗等方面的限制，限制了其在航空、航天、軍事等對(duì)傳感器要求苛刻的環(huán)境應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，微機(jī)械工藝技術(shù)不斷成熟，多種微機(jī)械陀螺相繼面世，使慣性技術(shù)產(chǎn)生了一次飛躍[2]，微石英音叉陀螺便是其中一種。與傳統(tǒng)的慣性陀螺儀相比，石英音叉陀螺具有相當(dāng)高的精度，并以其體積小、價(jià)格低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)滿足了當(dāng)今慣導(dǎo)系統(tǒng)的低成本、小型化的發(fā)展要求，在眾多領(lǐng)域得到青睞，是當(dāng)前微陀螺產(chǎn)品的主流[3]。
2石英音叉陀螺工作原理
微石英音叉陀螺由敏感元件及電路構(gòu)成。其敏感元件具有由一個(gè)單片石英晶體構(gòu)成的雙端音叉結(jié)構(gòu)[4]，一端稱為驅(qū)動(dòng)音叉，另一端稱為檢測(cè)音叉。在叉指上鍍有金屬膜電極，用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)引入和角速率信號(hào)讀取。在驅(qū)動(dòng)電路的激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)音叉在諧振頻率點(diǎn)做恒幅振動(dòng)。敏感元件垂直軸在慣性空間旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生哥氏慣性力，使檢測(cè)音叉在垂直于驅(qū)動(dòng)音叉振動(dòng)平面的方向上產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)的幅度正比于敏感元件在慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度。讀取檢測(cè)音叉上的檢測(cè)信號(hào)，即得到載體在慣性空間的角速度。微石英音叉陀螺電路原理框圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路與敏感元件的驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成閉環(huán)，激勵(lì)驅(qū)動(dòng)音叉使其在諧振點(diǎn)振動(dòng)，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)音叉振蕩幅度與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，依據(jù)檢測(cè)誤差對(duì)驅(qū)動(dòng)音叉進(jìn)行幅度控制，使其維持恒定振幅。檢測(cè)放大電路讀取檢測(cè)音叉電極上的電壓信號(hào)，將微弱信號(hào)放大后送到相敏解調(diào)電路[5]。相敏解調(diào)電路以驅(qū)動(dòng)電路輸出的方波電壓為參考，對(duì)來(lái)自檢測(cè)電路輸出的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)放大，得到與輸入角速率相關(guān)的直流電壓，經(jīng)濾波放大電路濾除雜波和敏感元件頻差造成的頻率響應(yīng)輸出，輸出一個(gè)正比于輸入角速度的直流電壓信號(hào)[6]。
3總體設(shè)計(jì)方案
按照對(duì)功能、原理和性能指標(biāo)的分析進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括元器件選型、電路原理圖設(shè)計(jì)、板卡焊接及組裝、板卡測(cè)試、用戶測(cè)試、設(shè)計(jì)輸出等。整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。通過(guò)對(duì)國(guó)外石英音叉陀螺儀電路發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，可概括出微機(jī)械石英陀螺接口電路的發(fā)展趨勢(shì)為：從PCB集成到芯片集成，從模擬輸出到數(shù)字輸出，實(shí)用化和批量化應(yīng)用水平越來(lái)越高。石英音叉陀螺處理電路會(huì)隨著性能逐步提高的需求，功能逐漸增強(qiáng)，電路的結(jié)構(gòu)會(huì)日益復(fù)雜。陀螺接口電路結(jié)構(gòu)需采用多個(gè)獨(dú)立的放大器完成設(shè)計(jì)，采用分立器件方式的設(shè)計(jì)將使電路體積增大、可靠性降低，調(diào)試也比較繁瑣。為此，本設(shè)計(jì)采用專用ASIC芯片，可代替除參考基準(zhǔn)電壓外的所有功能模塊電路。
4硬件設(shè)計(jì)
4.1陀螺儀專用ASIC芯片
為石英音叉配備的專用接口芯片[7]，其芯片外圍元件少，可大大減少電路板面積，獲得高可靠性和低功耗，也有利于大批量生產(chǎn)和調(diào)試。專用芯片管腳圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用閉環(huán)正弦波自動(dòng)幅度控制、相位鎖定電路，實(shí)現(xiàn)快速建立閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)。敏感檢測(cè)提供增益、帶寬自定義調(diào)整。石英陀螺接口專用芯片采用低噪聲、低漂移放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；角速度輸出放大器采用軌到軌輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；外圍電路簡(jiǎn)單、使用方便，可完成音叉驅(qū)動(dòng)電路、讀出信號(hào)檢測(cè)電路、相敏解調(diào)電路、低通濾波電路、信號(hào)放大電路和誤差補(bǔ)償電路的功能。具體相關(guān)參數(shù)如下：1)芯片電源電壓:5V±10%，滿足4.8～5.2V電源輸入范圍；2)電源最大工作電流：18mA，小于指標(biāo)25mA；3)信號(hào)輸入范圍：0.5mV～VCC；4)信號(hào)輸出范圍：-VCC～+VCC；5)驅(qū)動(dòng)信號(hào)：正弦波驅(qū)動(dòng)，幅度3.5～4.5V；6)工作溫度：-40℃～+85℃；7)貯存溫度：-55℃～+125℃。
4.2負(fù)電源電壓電路
專用ASIC芯片中的放大器需要+5V和-5V的雙電源輸入，因此需要一路負(fù)電源輸入給專用芯片，在此選用TI公司的負(fù)電壓輸出芯片TPS60403，芯片電路圖如圖5所示。TPS60403是一款60mA電荷泵電壓反相器，在較寬輸出電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的典型轉(zhuǎn)換速率。它具有250kHz固定工作頻率，可在輸入電壓范圍為1.6～5.5V的情況下生成非穩(wěn)壓負(fù)輸出電壓。整個(gè)逆變器采用5引腳SOT23封裝，只需三個(gè)外部電容就可以構(gòu)建完整的直流/直流電荷泵逆變器。通過(guò)用ASIC專用芯片取代啟動(dòng)至負(fù)載通常所需的肖特基二極管，進(jìn)一步減小電路板面積，依據(jù)公式為：為抑制負(fù)電源對(duì)電路的干擾、減小輸出紋波[8]，電荷泵芯片輸出Vout后接一階RC濾波。其中f=250kHz，RP=22.1Ω，CP=4.7μF，由上式可計(jì)算得出，該電路負(fù)電源抑制比等于0.006。
4.3電壓基準(zhǔn)電路
專用ASIC芯片需要2.5V基準(zhǔn)電壓來(lái)產(chǎn)生幅度誤差信號(hào)，達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的目的。此處選用AD公司的基準(zhǔn)電壓源ADR421，電路原理圖如圖6所示。ADR421具有出色的噪聲性能、穩(wěn)定性和精度，低噪聲峰值為1.75μV，溫度系數(shù)為3×10-6/℃，電壓調(diào)整率為35×10-6/V，非常適合陀螺儀之類高精密轉(zhuǎn)換場(chǎng)合使用。此外，還可利用調(diào)整引腳，在±0.5%范圍內(nèi)調(diào)整輸出電壓，其他性能不受影響。
5實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
對(duì)設(shè)計(jì)的陀螺儀接口電路進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試項(xiàng)包括全溫測(cè)試、三溫測(cè)試和標(biāo)度因數(shù)系列測(cè)試。
5.1全溫測(cè)試
全溫測(cè)試溫度范圍為-40℃～+50℃，升降溫速率1℃/min，高溫恒溫96min，低溫恒溫96min，循環(huán)次數(shù)為2次。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)得到全溫變化量測(cè)試指標(biāo)為：全溫峰峰值：2.925mV；三階STD：0.097mV。從全溫測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線上可以看出，陀螺儀在高低溫恒溫區(qū)均未出現(xiàn)零偏階躍現(xiàn)象，測(cè)試合格。
5.2三溫測(cè)試
三溫測(cè)試按如下條件進(jìn)行：常溫測(cè)試25±0.5℃；低溫工作-40±0.5℃；高溫工作50±0.5℃。先以小于3℃/min的速度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，恒溫保持1.5h；然后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)3610s，斷電0.5h，每個(gè)溫度點(diǎn)采集7次數(shù)據(jù)，每次測(cè)試之間斷電30min；最后以一個(gè)小于3℃/min的速度恢復(fù)至室溫。設(shè)定陀螺儀靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率為1Hz，啟動(dòng)陀螺儀靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)采集陀螺儀輸出和溫度信號(hào)輸出。圖8為三溫測(cè)試的結(jié)果曲線圖。取第11s到3610s的數(shù)據(jù)作為原始樣本，計(jì)算零偏、零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性，測(cè)試指標(biāo)如表1。
5.3標(biāo)度因數(shù)系列測(cè)試
標(biāo)度因數(shù)系列參數(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)得?？蓽y(cè)參數(shù)包括標(biāo)度因數(shù)、標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性、標(biāo)度因數(shù)非線性和標(biāo)度因數(shù)不對(duì)稱性。轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試步驟為：①將陀螺儀通過(guò)專用工裝固定在速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，使陀螺儀敏感軸與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸平行；②設(shè)定陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率為1Hz；③按照標(biāo)度因數(shù)測(cè)試速率轉(zhuǎn)臺(tái)的速率設(shè)置點(diǎn)的要求設(shè)置單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速；④啟動(dòng)陀螺儀靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)采集陀螺儀的輸出，測(cè)試完成后對(duì)陀螺儀斷電，斷電冷卻30min；⑤重復(fù)步驟③和④7次。標(biāo)度因數(shù)系列測(cè)試結(jié)果如表2所示。
6結(jié)束語(yǔ)
研究完成了基于ASIC芯片的陀螺接口電路設(shè)計(jì)，并調(diào)試出陀螺儀樣機(jī)，性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果良好。ASIC芯片可替代傳統(tǒng)分立器件的設(shè)計(jì)，大大減少了器件數(shù)量，提高陀螺儀的可靠性與穩(wěn)定性。在后續(xù)研究中，可進(jìn)一步嘗試進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化元器件替代，包括阻容器件，盡量選擇溫漂系數(shù)小、等級(jí)更高的芯片，繼續(xù)提高陀螺儀的參數(shù)指標(biāo)。
作者:李亮 于圣武 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所 南京微盟電子有限公司