高精度硅微諧振加速度計頻率測量輸出電路

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

硅微諧振加速度計是一種頻率輸出的MEMS儀表，針對其差動頻率輸出的特點和對靜態與動態高精度測試精度的要求，設計并實現了一種高精度頻率輸出電路，實現了差動頻率的實時相減和靜態與動態頻率信號輸出。對電路及儀表的精度進行了測試，測試結果表明，該電路穩定性可達到1×10-9，全溫范圍內(-40～+70 ℃)非線性優于1×10-7，頻率分辨率可達到1×10-5，測試精度滿足儀表系統精度要求，使儀表更滿足工程應用的條件。根據實際工程應用要求，還對該電路提出了抗干擾設計，進一步提高了該電路的工程應用可靠性。

諧振式；頻率測量；頻率相減；抗干擾

微加速度計作為一種重要的硅微慣性器件，具備了MEMS儀表的眾多優點。由于采用頻率信號輸出，在傳輸過程中信號不易失真，并且無需經過 A/D轉換就可直接與數字系統接口，極大簡化了應用系統的設計，同時還具有抗干擾和高穩定性的特點。由于硅微諧振加速度計采用差動音叉布置方案[1]，雙路頻率信號之差與外界輸入加速度成比例，這一差動過程往往會降低系統的響應時間，同時大幅降低測試效率。因此針對這類高精度頻率信號輸出儀表，需要研究同時具有高精度靜態和動態測試精度的測試方法及測試設備，并兼顧工程應用的便利性。

目前，較為通用的頻率信號測試途徑主要有高精度頻率信號計數器、DSP或FPGA[2]實時采樣處理電路和高速信號采集卡三種。第一種測試方法的靜態測試精度較高，但無法在硅微諧振加速度計輸入加速度成正弦變化時，準確測量正弦交變頻率信號的幅值和頻率；第二種測試方法對于靜態和動態頻率信號均有較好的測試精度，但技術實現途較復雜，電路小型化困難，電路自身發熱量對硅微敏感結構的影響較大；第三種方法適合測試動態變化較快的頻率信號，但限于自身時鐘缺少溫控裝置，同時時鐘頻率不高增加了同步測試誤差，因此靜態測試精度相對較低。

為了實現諧振類儀表的工程化進程，設計并實現一款高精度、小型化并具有雙路頻率信號相減功能的頻率輸出電路就顯得極為必要。

1 差動頻率輸出電路原理

根據文獻報道，實現頻率求差的功能可采用CPLD結合單片機、DSP或者FPGA來實現，電路設計相對復雜，需要包含計數器模塊、微控制器模塊和串行通訊電路模塊，同時與頻率相關的數學運算需要編程實現。這一部分電路無疑增加諧振加速度計組件的規模，大大削弱了硅微器件重量輕體積小的優勢。

諧振加速度計頻率變化的機理可以表示為：

即頻率是相位的微分，頻率的變化等效于單位時間相位的變化。根據這一基本思想，本文提出了一種差動頻率輸出電路，電路由三相時鐘、時序識別網絡及輸出級調整電路三部分構成，基本電路如圖1所示。

圖1 頻差電路原理框圖Fig.1 Schematic of differential frequency circuit

采用 D觸發器級聯實現三相時鐘，實際上是由三相形成電路組成，其電路圖如圖2所示。實際上三相時鐘是一個環形計數器，它把單相的fin信號分成三相方波信號，圖2中三個級聯的D觸發器均為上升沿觸發翻轉，而fin被同步輸入到各個D觸發器的CP端。當觸發器Ι翻轉時，為觸發器Π第二個到來的脈沖翻轉創造條件，以此類推，形成了三相電路工作的波形，同時三相的相移均為120°，如圖3所示。將兩路輸入信號分別經三相時鐘分頻后，以其中任意一個三相時鐘輸出作為時鐘參考，將分頻信號分別與參考信號分別進行與非運算。當兩輸入信號f1和f2無頻差時，M1、M2、M3這三路信號中將會僅有一路輸出一定頻率脈沖，此脈沖的占空比由兩路輸入信號的初始頻率決定，另兩路信號置高，時序關系如圖4所示。

圖2 三相時鐘原理圖Fig.2 Schematic diagram of trinomial clock

圖3 三相時鐘時序圖Fig.3 Scheduling of trinomial clock

圖4 輸入無頻差時M1、M2、M3輸出時序Fig.4 Output of M1, M2, and M3 when without input frequency-difference

當兩路輸入信號具有一定頻差時，由于頻率是相位的微分，兩路輸入信號一路為基準，另一路波形超前或者滯后。此時，M1、M2、M3三路信號將輸出一定相位關系的脈沖，脈沖頻率與輸入信號的頻差成正比。

M1、M2、M3三路信號分別攜帶著兩路輸入信號的頻差關系（時序上體現為相位關系），這三路信號也是整個頻差電路重要的中間信號，它們的時序關系直接決定了時序識別網絡能否正確輸出輸入信號的頻差。當兩路輸入信號f1和f2經過三相時鐘電路，輸出信號QA1、QB1、QC1、QA2、QB2、QC2按照圖1送到M1、M2、M3端，得到如圖5所示波形。

圖5 輸入有頻差時時序關系圖Fig.5 Sequential relationship when with input frequency-difference

當f1＞f2時，兩路的時鐘信號將出現相對移動，此時，M1、M2、M3出現“0”狀態的次序為：M1→M2→M3→M1……，這個時序關系可用表1來表示。

同理當f1＜f2時，M1、M2、M3出現“0”狀態的次序為：M1→M3→M2→M1……，這個時序關系可用表2來表示。

表1 M1、M2、M3的時序關系(I)Tab.1 Sequential relationship of M1, M2, and M3 (I)

表2 M1、M2、M3的時序關系(II)Tab.2 Sequential relationship of M1, M2, and M3 (II)

對于前一種脈沖順序，僅正通道由脈沖輸出；對于后一種則僅有負通道有脈沖輸出。

時序識別網絡是該電路的主要部分，利用RS觸發器的狀態保持功能，根據RS觸發器的特性表3可知：當R/S端無輸入時，觸發v器將保持上一個狀態，也就是說圖1中1、2、3端將根據M1、M2、M3翻轉時序順序分別保持上一個狀態，且三路信號相位差恒定。當1、2、3任意一端為高時，將輸出一個脈沖，該脈沖的頻率就是電路輸入信號的頻差，如圖 7所示。這樣的時序關系與我們設計這款電路的基本原理依據相輔相成，兩路信號的頻差就是信號的相位差在單位時間的變化量，由于采用了三相時鐘對輸入信號進行了相位和頻率的等分，也就增加了對頻差信號的采樣率，保證了信號的完整性。前向通路采用了三相時鐘，時序識別網絡采用三路RS觸發器進行信號的相位的識別，如果前向通路采用4相時鐘即就是4分頻，則相應地采用四路RS觸發器進行識別。但是分頻倍數越多，分頻信號相位差越小，分頻精度就越高，電路就越復雜，在設計時可權衡系統需求和精度要求來進行電路設計。

圖6 時序識別網絡原理圖Fig.6 Schematic of sequential identifying network

表3 RS觸發器狀態表Tab.3 States of RS trigger

圖7 有頻差時時序識別網絡時序Fig.7 Scheduling of sequential identifying network when with frequency differences

2 差頻電路抗干擾設計

在測試過程中設備通斷電或較強電磁干擾產生時，將會通過地線將干擾脈沖引入至諧振加速度計電路系統中，也就是在諧振加速度輸出頻率信號上將會疊加某些脈沖干擾，并隨有用信號一起進入差頻電路部分，形成有用信號上升沿或下降沿的抖動。由于數字器件均為邊緣觸發，則將在輸出端產生正負通道相等的脈沖輸出，從而影響了電路的測量精度和穩定性。因此，需要對電路進行抗干擾能力的設計。

利用單穩態觸發器外來脈沖觸發下能夠由穩態轉到暫態，暫態維持一段時間后將自動返回到穩定狀態，而暫態維持時間的長短取決于電路本身的參數這一特點，對頻差電路進行抗干擾設計，改進后的原理如圖8所示。

圖8 采取抗干擾措施差頻電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of anti-jamming design

當擾動信號頻率較高時，引入到諧振加速度計輸出頻率信號，則這個信號的相位抖動將會很劇烈，且波動幅度較大，此時經三相時鐘分頻的三路信號的上升沿或下降沿就會同時產生幅度較大左右波動，根據電路的原理，當任意兩路信號邊緣在正常相位差以外的相位波動同時到達同電平時，將會有一個脈沖輸出，而這個脈沖是我們不需要的，故通過設置單穩態觸發器的保持時間。將分頻后兩兩邏輯與非輸出信號高電平持續時間縮短，使信號間邊緣時間差拉大，保證信號間邊緣有足夠的相位差。

目前硅微諧振加速度計標度因數大概在 400 Hz/g，分辨率約為20 μg，最小分辨率下輸出頻差為0.008 Hz，而全量程加速度輸入的頻率變化約 10 kHz，頻率輸出電路的動態精度小于 106，這對頻率輸出電路的分辨率和抗干擾能力提出了較高要求。

3 差動頻率輸出電路性能測試

由于上述差頻電路是采用數字電路原理，且選取的芯片具有較強的通用性，電路邏輯嚴密，經過反復調試和實驗證明電路原理也很成熟可靠，因此該電路極易集成。考慮到混合集成工藝較一次集成成本低且工藝流程簡單，設計、實現周期也較短，我們采用了混合集成工藝設計并生產了該電路的陶瓷封裝芯片。

目前我們的諧振式硅微加速度計閾值可達到 25 μg，標度因數為200 Hz/g時，差頻輸出電路必須能夠達到5×10-3的分辨率，通過測試該電路至少可以達到1×10-5的分辨率。

圖9 二次集成產品外觀效果Fig. 9 The appearance of integrated circuit

表4 差頻輸出電路分辨率測試數據Tab.4 Resolution test of differential frequency output circuit

采用信號發生器作為穩定的信號源，設定一路信號頻率固定另一路頻率可變，測試了該差頻電路的穩定性，測試數據顯示差頻輸出的穩定性達到 1×10-9量級。

表5 差頻輸出電路穩定性測試數據Tab.5 Stability test of differential frequency output circuit

該電路作為諧振加速度計電路輸出環節，它的性能會直接影響用戶對儀表本身性能指標的認知，該電路的線性度決定了能否獲得準確的且與輸入加速度成正比的頻率信號。從電路常溫及高低溫非線性度測試結果可知，電路非線性度達到 3.3×10-8，高低溫條件下非線性度均在1×10-7以下。綜合目前諧振加速度計的非線性度指標，該電路的性能指標符合諧振加速度計電路系統的要求。

表6 全溫非線性測試數據Tab.6 Non-linear vs. temperature

圖10 差頻輸出電路常溫非線性Fig.10 Nonlinearity of circuit at normal temperature

4 結 論

針對諧振加速度計差動頻率輸出的特點，介紹了頻率測量電路的設計方法及設計關鍵，提出了一種可實時進行雙路頻率差計算的電路設計思路。為了避免測試系統外加干擾對儀表測試精度的影響，文中對差頻電路進行了抗干擾設計并實現。通過一系列的指標測試表明，該電路的性能滿足儀表系統要求。另外，針對工程化應用要求，采用混合集成工藝設計并生產了該電路的陶瓷封裝芯片，進一步為諧振加速度計滿足工程化應用奠定了基礎。

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高精度硅微諧振加速度計頻率測量輸出電路

張 玲，王 巖，邢朝洋

High-precision frequency output circuit for silicon micromechanical resonant accelerometer

ZHANG Ling, WANG Yan, XING Chao-yang
(Beijing Aerospace Control Device Institute, Beijing 100039, China)

The silicon micromechanical resonant accelerometer is an MEMS instrument with frequency output. In view of the differential frequency’s output characteristics and in order to satisfy the requirement of static and dynamic high-accuracy test, a high-accuracy frequency exportation circuit was designed, which realized the real-time subtraction of differential frequency and the output of static or dynamic frequency signal. The accuracy test of the circuit and the gauge shows that the circuit stability can reach 1×10-9, the non-linearity is better than 1×10-7in full temperature range of -40～+70 ℃, and the resolution can reach ≥1×10-5. The test accuracy satisfies the accuracy requirements of the gauge system, thus the engineering application condition be more easily satisfied. In addition, according to the requirements of engineering application, an anti-jamming design was put forward, which further improve the reliability.

resonant; frequency measurement; frequency subtraction; anti-jamming

1005-6734(2014)06-0820-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.06.022

文獻標志碼：

2014-07-17；

2014-11-07

國防基礎科研項目支持（A0320110013）

張玲（1981—），女，工程師，研究方向為MEMS儀表。E-mail：lingzhang_2000@sina.com