一種石英加速度計的伺服電路的製作方法

2023-10-10 06:06:44 2

專利名稱：一種石英加速度計的伺服電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量載體的加速度、速度和位置傾角等的石英加速 度計的伺服電路。
背景技術：
石英加速度計的伺服電路，是石英加速度計的關鍵組成部分，石英加速 度計可分為模擬與脈衝伺服兩類。模擬伺服電路結構不同還可分為幾種，但 反饋加矩都是模擬電流。脈衝伺服反饋加矩都是脈衝電流，按反饋加矩方式 不同又分為二元調寬、三元調寬、二元斷續、三元斷續四種。現有的一種模擬伺服電路結構如圖l所示，石英加速度計擺組件感受加速 度產生偏擺，引起差動變化的兩電容之差變化，差動電容檢測器將之轉換成 緩變電壓信號，經前置放大，相位校正後推動功放，產生電流加到電磁力矩 器上形成恢復力矩，以求擺片恢復平衡位置，進而輸出與加速度成正比的模 擬量。現有的石英加速度計的模擬伺服電路通常採用分立器件組成的PCB板級結 構，電路結構較簡單，其所存在的缺點是電容檢測精度差、輸出量程小、電 路一致性差、可靠性差、體積大。受精度、量程和體積等的制約， 一般用在 要求不高的民用領域，無法滿足軍用或具有特殊要求的行業，也無法滿足曰 益小型化的要求。發明內容本發明提供了一種單片集成的石英加速度計的模擬伺服電路，可克服現有模擬伺服電路中存在的上述問題，具有檢測精度高、輸出量程大、噪聲小、 工作溫度範圍寬等特點。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的 一種石英加速度計的伺服電路，其特徵在於，包括集成部分和分立部分， 集成部分包括三角波發生器、差分電容檢測器、積分放大器和跨導放大器； 分立部分包括一個負反饋電路、外時基電容Ctl、外時基電阻Rtl和外偏置電 阻Rb"所述三角波發生器藉助於其中的比較器C控制三角波發生器的電流源 通過時基電容外接埠Ct對外時基電容Ctl進行充放電，產生所需的三角波， 並通過三角波發生器中的射極跟隨器A3輸出到差分電容檢測器；差分電容檢測器接收來自三角波發生器產生的三角波信號，並對連接在檢測埠Cpl、 Cp2 上的加速度計擺組件差動電容Cdl、 Cd2進行充放電，將監測到的差分電容信號轉化成相應的誤差電流信號IC1-IC2輸出到積分放大器的輸入端IN1-，積分放大器將誤差電流信號經積分解調得到緩變電壓信號，經積分放大器中的前置放大器A1、後級放大器A2後推動跨導放大器；跨導放大器通過跨導輸出端 OUT加到石英加速度計的電磁力矩器上形成恢復力矩，實現擺片恢復平衡位 置；所述負反饋電路連接在積分放大器的反相輸入端IN2-和跨導放大器的輸 出反饋端FB之間，形成具有深度負反饋的完整閉環測試系統。上述方案中，所述的三角波發生器內部集成了內時基電阻Rto和內偏置電 阻Rbo，可滿足具有固定頻率要求的應用場合，同時設有連接內時基電阻Rto 的一個時基電阻外接端Rt和連接內偏置電阻Rbo的兩個偏置電阻外接端Bl、 B2，可獨立引出用於連接外時基電阻Rti和外偏置電阻Rbi。所述跨導放大器包括跨導放大電路和設置有結型場效應管的輸出電流採 樣電路，跨導放大電路的輸入端IN+和IN-分別接收積分放大器30的兩個電壓 輸出端0UT2、 0UT3的電壓信號，產生與差分電容量成正比的驅動電流，通過 跨導輸出端OUT加到石英加速度計的電磁力矩器上形成恢復力矩，實現擺片恢 復平衡位置；同時，輸出電流採樣電路產生同輸出電流成比例的輸出電流採樣信號，通過輸出反饋端FB輸出到負反饋電路，形成深度負反饋，構成了高 精度閉環測試系統。本發明與已有技術的石英加速度計伺服電路相比，其有益效果在於由於提供了深度負反饋電路，形成了高精度的閉環測試系統，該電路結構 具有非常寬的工作電壓範圍，從士5V 士18V均可正常工作，測量範圍》士50g， 噪聲可達到7mV以下，工作溫度範圍為-55°C 125°C，具有動態範圍大、 線性度好、頻率響應寬、量程大、溫度範圍寬、噪聲小、精度高等特點。本發明石英加速度計伺服電路輸出級跨導放大器內部設計了由電流恆定 且動態電阻非常大的結型場效應管J1為核心的輸出電流採樣電路，可精確地 採樣到與差分電容成比例的輸出電流的大小，並按比例反饋到負反饋電路中， 形成閉環測試系統。有效地消除了對電流輸出級的影響，具有很好的隔離性。本發明石英加速度計伺服電路，通過外接少量的電阻、電容，並和差動電 容傳感器連接在一起，可組成一完整的加速度計，用於測量載體的加速度、 速度和位置傾角等。廣泛應用於姿態控制、慣性測量、水平儀、傾斜儀、慣 性導航、捷聯繫統、振動測試、地質災害防治和鑽井測量等領域，具有廣闊 的應用領域和巨大的市場前景。由於該電路實現了單片集成，外圍只需連接 少量的電阻電容器件，整個伺服電路的體積大大縮小， 一致性也得到極大的 提高。


圖l為現有的一種模擬伺服電路結構框圖。圖中Cdl、 Cd2為差動電容。圖2為本發明石英加速度計伺服電路結構框圖。圖中C為比較器，Al、 A2、 分別為前置放大器、後級放大器；A3為射極跟隨器，Negative Feedback為 深度負反饋電路。圖3為圖2中三角波發生器的電路原理圖。圖4為圖2中跨導放大器的電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述。參見圖2，本發明石英加速度計的一個具體伺服電路結構，包括集成部分 和分立部分，集成部分100包括了三角波發生器10、差分電容檢測器20、積分 放大器30及跨導放大器40。分立部分包括一個負反饋電路200、外接時基電容 Cti、外時基電阻Rti和外偏置電阻Rbi;負反饋電路200連接在積分放大器30 的反相輸入端IN2-和跨導放大器40的輸出反饋端FB之間，形成具有深度負反 饋的完整的閉環測試系統，可精確測量差分電容的微小變化。差分電容檢測器20接收來自三角波發生器電路10產生的三角波信號，對 連接在Cpl和Cp2端的加速度計擺組件差動變化的差動電容Cdl和Cd2進行充放 電，將監測到的差分電容信號轉化成相應的誤差電流Ici-Ic2，輸出到積分放 大器30的輸入端INl-，積分放大器30將IN1-輸入端接收到的電流信號經積分 解調得到緩變電壓信號，經前置放大器A1、後級放大器A2放大及相位校正後 推動跨導放大器40。在積分放大器30中，前置放大器A1、後級放大器A2可分 別設置有補償電路IOI、 102。負反饋電路200由分立的若干電阻及電容組成深 度負反饋電路Negative Feedback,其連接於積分放大器30的反相輸入端IN2-和跨導放大器40的輸出反饋端FB之間構成高精度閉環測試系統，同時對系統進行相位補償，確保滿足系統的動靜態指標要求。參見圖3，三角波發生器10包括電流源電路、比較器C的比較電路、偏置 電路和射極跟隨器A3的電路(D3和R18組成)。其特點是，該電路模塊內部集 成了內時基電阻Rto和內偏置電阻Rbo，可滿足具有固定頻率要求的應用場合， 同時設有連接內時基電阻Rto的一個時基電阻外接端Rt和連接內偏置電阻Rbo 的兩個偏置電阻外接端B1、 B2，可獨立引出用於連接外時基電阻Rti和外偏置 電阻Rbi，以調節流過電阻Rto上的時基電流或電阻Rbo上的偏置電流，以滿足 不同用戶或不同應用領域對振蕩頻率等的不同要求，使其具有較大的可擴展性和應用靈活性。參見圖4，跨導放大器40包括跨導放大電路和由電流恆定且動態電阻很大的結型場效應管J1為核心的輸出電流採樣電路兩部分，跨導放大電路的輸入 端IN+和IN-分別接收積分放大器30的兩個電壓輸出端0UT2、 0UT3的電壓信號， 產生與差分電容量成正比的驅動電流，通過跨導輸出端OUT加到石英加速度計 的電磁力矩器上形成恢復力矩，以求擺片恢復平衡位置。同時，輸出電流採 樣電路產生同輸出電流成比例的輸出電流採樣信號，通過輸出反饋端FB輸出 到負反饋電路200，形成深度負反饋，構成了高精度閉環測試系統，使輸出信 號穩定，同時對系統進行相位補償；進而輸出與加速度成正比的模擬電壓信 號，從而實現對載體的加速度、速度和位置傾角等的精確測量和控制。
權利要求
1. 一種石英加速度計的伺服電路，其特徵在於，包括集成部分和分立部分，集成部分包括三角波發生器、差分電容檢測器、積分放大器和跨導放大器；分立部分包括一個負反饋電路、外時基電容、外時基電阻和外偏置電阻；所述三角波發生器藉助於其中的比較器控制三角波發生器的電流源通過時基電容外接埠對外時基電容進行充放電，產生所需的三角波，並通過三角波發生器中的射極跟隨器輸出到差分電容檢測器；差分電容檢測器接收來自三角波發生器產生的三角波信號，並對連接在檢測埠上的加速度計擺組件差動電容進行充放電，將監測到的差分電容信號轉化成相應的誤差電流信號Ic1-Ic2輸出到積分放大器的輸入端，積分放大器將誤差電流信號經積分解調得到緩變電壓信號，經積分放大器中的前置放大器、後級放大器後推動跨導放大器；跨導放大器通過跨導輸出端加到石英加速度計的電磁力矩器上形成恢復力矩，實現擺片恢復平衡位置；所述負反饋電路連接在積分放大器的反相輸入端和跨導放大器的輸出反饋端之間，形成具有深度負反饋的完整閉環測試系統。
2. 如權利要求l所述的石英加速度計的伺服電路，其特徵在於，所述的 三角波發生器內部集成了內時基電阻和內偏置電阻，可滿足具有固定頻率要 求的應用場合，同時設有連接內時基電阻的一個時基電阻外接端和連接內偏 置電阻的兩個偏置電阻外接端，可獨立引出用於連接外時基電阻和外偏置電 阻。
3. 如權利要求l所述的石英加速度計的伺服電路，其特徵在於，所述跨 導放大器包括跨導放大電路和設置有結型場效應管的輸出電流採樣電路，跨 導放大電路的兩個輸入端分別接收積分放大器的兩個電壓輸出端的電壓信 號，產生與差分電容量成正比的驅動電流，通過跨導輸出端加到石英加速度 計的電磁力矩器上形成恢復力矩，實現擺片恢復平衡位置；同時，輸出電流 採樣電路產生同輸出電流成比例的輸出電流採樣信號，通過輸出反饋端FB輸出到負反饋電路，形成深度負反饋，構成了高精度閉環測試系統。
全文摘要
本發明公開了一種石英加速度計的伺服電路，包括集成部分和分立部分，集成部分包括三角波發生器、差分電容檢測器、積分放大器和跨導放大器；分立部分包括負反饋電路、外時基電容、外時基電阻和外偏置電阻；三角波發生器通過射極跟隨器輸出三角波到差分電容檢測器；差分電容檢測器對加速度計擺組件差動電容進行充放電，將監測到的差分電容信號轉化成相應的誤差電流信號輸出到積分放大器，經積分放大器的積分解調得到緩變電壓信號後推動跨導放大器；再經跨導輸出端加到石英加速度計的電磁力矩器上形成恢復力矩，實現擺片恢復平衡位置；負反饋電路連接在積分放大器的反相輸入端和跨導放大器的輸出反饋端之間，形成具有深度負反饋的完整閉環測試系統。
文檔編號G01P15/125GK101266260SQ20081001788
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者劉胤強, 向宏莉, 溫富剛, 陳廣哲 申請人:中國航天時代電子公司第七七一研究所