石英音叉陀螺接口電路設計淺析

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摘要:石英音叉陀螺是振動型角速率傳感器，廣泛應用于精確制導、飛行器和穩定系統等軍用領域，對其接口電路的現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、低功耗的現實應用需求。為此，設計一款基于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，實現高精度角速度測量。測試結果表明該電路在全溫區具有較好的零偏穩定性，標度因數、非線性度、不對稱度等重要參數均滿足設計指標，達到預期效果。

關鍵詞：石英音叉陀螺；專用集成電路；接口電路；微機械；角速度傳感器

1引言

陀螺是慣性導航裝置和全球定位系統中的重要傳感器之一，作為一種慣性敏感器件，廣泛應用于戰略戰術武器、航天器、飛行器、汽車安全、工業自動化等領域[1]。早期陀螺是利用機械轉子的角動量守恒原理來運轉的，精度不高，而且由于體積、價格、功耗等方面的限制，限制了其在航空、航天、軍事等對傳感器要求苛刻的環境應用。隨著集成電路技術的出現和發展，微機械工藝技術不斷成熟，多種微機械陀螺相繼面世，使慣性技術產生了一次飛躍[2]，微石英音叉陀螺便是其中一種。與傳統的慣性陀螺儀相比，石英音叉陀螺具有相當高的精度，并以其體積小、價格低、性能可靠等優點滿足了當今慣導系統的低成本、小型化的發展要求，在眾多領域得到青睞，是當前微陀螺產品的主流[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成。其敏感元件具有由一個單片石英晶體構成的雙端音叉結構[4]，一端稱為驅動音叉，另一端稱為檢測音叉。在叉指上鍍有金屬膜電極，用于驅動信號引入和角速率信號讀取。在驅動電路的激勵下，驅動音叉在諧振頻率點做恒幅振動。敏感元件垂直軸在慣性空間旋轉時產生哥氏慣性力，使檢測音叉在垂直于驅動音叉振動平面的方向上產生振動，該振動的幅度正比于敏感元件在慣性空間旋轉的角速度。讀取檢測音叉上的檢測信號，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。驅動電路與敏感元件的驅動電極構成閉環，激勵驅動音叉使其在諧振點振動，同時將驅動音叉振蕩幅度與基準進行比較，依據檢測誤差對驅動音叉進行幅度控制，使其維持恒定振幅。檢測放大電路讀取檢測音叉電極上的電壓信號，將微弱信號放大后送到相敏解調電路[5]。相敏解調電路以驅動電路輸出的方波電壓為參考，對來自檢測電路輸出的信號進行解調放大，得到與輸入角速率相關的直流電壓，經濾波放大電路濾除雜波和敏感元件頻差造成的頻率響應輸出，輸出一個正比于輸入角速度的直流電壓信號[6]。

3總體設計方案

按照對功能、原理和性能指標的分析進行總體方案設計，包括元器件選型、電路原理圖設計、板卡焊接及組裝、板卡測試、用戶測試、設計輸出等。整體設計流程如圖2所示。通過對國外石英音叉陀螺儀電路發展現狀的調研，可概括出微機械石英陀螺接口電路的發展趨勢為：從PCB集成到芯片集成，從模擬輸出到數字輸出，實用化和批量化應用水平越來越高。石英音叉陀螺處理電路會隨著性能逐步提高的需求，功能逐漸增強，電路的結構會日益復雜。陀螺接口電路結構需采用多個獨立的放大器完成設計，采用分立器件方式的設計將使電路體積增大、可靠性降低，調試也比較繁瑣。為此，本設計采用專用ASIC芯片，可代替除參考基準電壓外的所有功能模塊電路。

4硬件設計

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和調試。專用芯片管腳圖如圖4所示。驅動信號采用閉環正弦波自動幅度控制、相位鎖定電路，實現快速建立閉環自激驅動。敏感檢測提供增益、帶寬自定義調整。石英陀螺接口專用芯片采用低噪聲、低漂移放大器結構設計；角速度輸出放大器采用軌到軌輸出結構設計；外圍電路簡單、使用方便，可完成音叉驅動電路、讀出信號檢測電路、相敏解調電路、低通濾波電路、信號放大電路和誤差補償電路的功能。具體相關參數如下：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25mA；3)信號輸入范圍：0.5mV～VCC；4)信號輸出范圍：-VCC～+VCC；5)驅動信號：正弦波驅動，幅度3.5～4.5V；6)工作溫度：-40℃～+85℃；7)貯存溫度：-55℃～+125℃。

4.2負電源電壓電路

專用ASIC芯片中的放大器需要+5V和-5V的雙電源輸入，因此需要一路負電源輸入給專用芯片，在此選用TI公司的負電壓輸出芯片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實現超過90%的典型轉換速率。它具有250kHz固定工作頻率，可在輸入電壓范圍為1.6～5.5V的情況下生成非穩壓負輸出電壓。整個逆變器采用5引腳SOT23封裝，只需三個外部電容就可以構建完整的直流/直流電荷泵逆變器。通過用ASIC專用芯片取代啟動至負載通常所需的肖特基二極管，進一步減小電路板面積，依據公式為：為抑制負電源對電路的干擾、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，由上式可計算得出，該電路負電源抑制比等于0.006。

4.3電壓基準電路

專用ASIC芯片需要2.5V基準電壓來產生幅度誤差信號，達到穩定驅動的目的。此處選用AD公司的基準電壓源ADR421，電路原理圖如圖6所示。ADR421具有出色的噪聲性能、穩定性和精度，低噪聲峰值為1.75μV，溫度系數為3×10-6/℃，電壓調整率為35×10-6/V，非常適合陀螺儀之類高精密轉換場合使用。此外，還可利用調整引腳，在±0.5%范圍內調整輸出電壓，其他性能不受影響。

5實驗應用

對設計的陀螺儀接口電路進行測試實驗。測試項包括全溫測試、三溫測試和標度因數系列測試。

5.1全溫測試

全溫測試溫度范圍為-40℃～+50℃，升降溫速率1℃/min，高溫恒溫96min，低溫恒溫96min，循環次數為2次。測試結果如圖7所示。實驗得到全溫變化量測試指標為：全溫峰峰值：2.925mV；三階STD：0.097mV。從全溫測試數據和曲線上可以看出，陀螺儀在高低溫恒溫區均未出現零偏階躍現象，測試合格。

5.2三溫測試

三溫測試按如下條件進行：常溫測試25±0.5℃；低溫工作-40±0.5℃；高溫工作50±0.5℃。先以小于3℃/min的速度達到預設溫度，恒溫保持1.5h；然后開始采集數據3610s，斷電0.5h，每個溫度點采集7次數據，每次測試之間斷電30min；最后以一個小于3℃/min的速度恢復至室溫。設定陀螺儀靜態測試系統采樣頻率為1Hz，啟動陀螺儀靜態測試系統同時采集陀螺儀輸出和溫度信號輸出。圖8為三溫測試的結果曲線圖。取第11s到3610s的數據作為原始樣本，計算零偏、零偏穩定性、零偏重復性，測試指標如表1。

5.3標度因數系列測試

標度因數系列參數通過轉臺測得。可測參數包括標度因數、標度因數重復性、標度因數非線性和標度因數不對稱性。轉臺測試步驟為：①將陀螺儀通過專用工裝固定在速率轉臺上，使陀螺儀敏感軸與轉臺旋轉軸平行；②設定陀螺儀轉臺測試系統的數據采樣頻率為1Hz；③按照標度因數測試速率轉臺的速率設置點的要求設置單軸速率轉臺轉速；④啟動陀螺儀靜態測試系統采集陀螺儀的輸出，測試完成后對陀螺儀斷電，斷電冷卻30min；⑤重復步驟③和④7次。標度因數系列測試結果如表2所示。

6結束語

研究完成了基于ASIC芯片的陀螺接口電路設計，并調試出陀螺儀樣機，性能參數測試結果良好。ASIC芯片可替代傳統分立器件的設計，大大減少了器件數量，提高陀螺儀的可靠性與穩定性。在后續研究中，可進一步嘗試進行國產化元器件替代，包括阻容器件，盡量選擇溫漂系數小、等級更高的芯片，繼續提高陀螺儀的參數指標。

作者:李亮 于圣武 單位:中國電子科技集團公司第四十七研究所 南京微盟電子有限公司