石英挠性摆式加速度计闭环检测电路设计

摘   要： 设计了一种用于石英挠性加速度计系统中的闭环检测电路。开发了基于单载波调制的电容检测电路和伺服驱动电路，在功率放大电路前引入校正环节，提高加速度计系统的动静态性能。实验结果表明，电容检测电路线性度好，分辨力可达到10-16 F量级，可检测到的上限差值电容约为7 pF。对加速度计表头进行了重力场翻滚试验，采用四点法对实验结果进行分析,得到了加速度计输出表达式。
关键词：石英挠性加速度计；电容检测；单载波调制
       石英挠性摆式加速度计具有精度高、体积小、长期稳定性好等优点，广泛应用于高精度惯性导航以及国民经济各个领域[1-2]。与微机械（MEMS）加速度传感器相比，其精度更高(已达到10-6 g)。
     在既定石英表头的情况下，电容检测是决定加速度计最小分辨力的关键因素。之前国内的石英加速度计闭环回路广泛采用某型号集成检测芯片实现，但是随着对加速度计分辨力要求的不断提高，需要开发更高精度的再平衡回路，同时，传统的回路是一个固定的设计，不易根据实际应用调节系统参数指标。目前，国内设计高精度电容检测芯片还有一定难度，而市场上的电容检测芯片(如AD公司)也很难应用在石英表头上。国内某科研单位采用分立器件开发的电容闭环电路达到了很好的效果。本单位展开这方面的研究，试图继续挖掘采用分立器件的闭环电路的潜力。
     本论文采用了单载波调制的电容检测方法，分析了检测电路的噪声特性，设计了信号放大电路以及驱动回路。最后，对加速度计表头进行了重力场测试，并给出了测试结果。
1 石英挠性加速度计电容检测原理
     如图1所示，石英加速度计采用差动电容的信号传感形式，石英摆在外界加速度作用下会发生一定的偏角，使得△C≠0，对此微小电容信号放大后，利用加矩电路将挠性摆实时拉回平衡位置，以减小非线性，提高分辨力，增大加速度计的量程和动态范围。力矩器平衡时的电流即代表被测加速度。
   
       电容检测电路主要有开关型和交流电桥调制解调法[3-4]。开关型电路对电子器件要求高，并且有较大的开关噪声。而调制解调法具有检测精度高、信噪比高等优点，广泛应用于精密电容测量领域。对于差动电容的检测，调制解调法又分为单载波和双载波型，鉴于双载波检测对两载波信号的对称要求很高，本文最终选择单载波调制来实现电容检测。
     单载波调制法又可分为全桥和半桥检测法，本设计采用半桥检测，即双路积分型(图2)。参考文献[4]对其进行了详细的噪声分析,该部分电路噪声主要包括电压噪声、电流噪声以及电阻热噪声。要减小检测电路的噪声且保证两路放大的一致性，需采用低噪声低漂移的精密运算放大器[3-4]。同时，为减小大反馈电阻的热噪声，采用T型网络代替单个电阻Rf（图2）[4]。
   
   
2 闭环检测电路的硬件实现
     图2所示电路输出Vo1为经放大后的微小电容调制信号，需要对其解调以得到与电容变化对应的直流信号，信号解调电路主要包括乘法器与低通滤波部分。电容检测部分与驱动网络共同组成加速度计闭环电路（结构见图3）。
   
   2.1 移相电路
     由于载波激励信号通过差动电容调制放大电路后会产生相角偏移，从而降低解调电路的输出幅值，为使信号经过乘法器后幅值为最大，采用移相器使两个要相乘的信号相位保持一致。
     移相器电路增益定为1，放大器采用B-B公司的UAF42滤波器芯片自带的运算放大器，该放大器偏置电流低，带宽满足激励信号，符合作为移相器的运算放大器要求。
2.2 乘法器
     乘法器相敏解调具有线性度好、失真小的特点，适合对微弱信号的解调。本方案乘法器选用AD公司的AD734，其精度高（0.1%）、噪声性能优良以及带宽为10 MHz，成为本设计的首选。同时，大的带宽也有助于选择更合适的调制信号频率。电路结构见参考文献[6]，采用正弦波调制，则由式(1)得到乘法器输出见式(2)[5-6]。
  
2.4 驱动电路
     驱动电路将电容检测输出的微弱电压信号放大，驱动表头内的线圈使摆片重新回到摆角为零的状态，使加速度计系统成为一个锁定回路。为满足加速度计的动静态指标，闭环回路必须引入校正环节，根据回路各部分传递函数，利用Matlab计算出各阻容参数，使回路具有一定的幅值和相角裕度。本设计采用PID校正电路。功放芯片采用OPA548，另外，在力矩器线圈下端串接一精密采样电阻，便于将平衡电流转换为电压读出来，电路结构见图4。