论文总字数：23138字

摘 要

石英振梁加速度计的敏感元件是一个石英谐振梁，其振荡频率的稳定性会直接影响到传感器的分辨率，因此，研究振梁的谐振电路具有重大意义。由于激励电极的简化，石英振梁的阻抗极高，为了提高加速度计谐振信号的稳定性，不仅需要电路噪音低，还要求放大器提供更高的增益和更多的能量，这为电路的设计增加了难度。

本文分析了石英振梁等价电路模型，调查了典型低频弯曲模态谐振电路方案，并结合本课题谐振梁高阻抗的特点，提出谐振电路方案，仿真设计并制作石英振梁加速度计谐振电路，最后结合石英振梁加速度计表头，测试电路效果。利用双门振荡器降低高阻抗石英的起振难度，前置低噪声源极跟随器提高了放大电路的输入阻抗，后接OTA放大器提供足够的正反馈环路增益，为每个芯片供电电源加设滤波电路以消除振铃等大噪音。测试结果表明，电路输出信号为标准方波，短期频率稳定性9.95mHz。

关键词： 石英振梁加速度计；双门振荡器；源极跟随器；OTA放大器；滤波

Study on Oscillator Circuit for High-Impedance Quartz

Vibrating Beam Accelerometer

Abstract

This thesis reports the design, realization and test of an oscillator circuit for a high-impedance quartz vibrating beam accelerometer. The equivalent circuit parameters of quartz vibrating beam are introduced and the impedance characteristics are analyzed. Accordingly, a two-door oscillator is applied so as to make it easier for high-impedance quartz vibrating beam to start oscillation. Besides, an amplifier consisting of OPA660 can provide more gain and lower phase error, which lead to increased steadiness of the oscillation. Experiment results show that, the most important point in how to eliminate ringing and other annoying noises among the circuit output is relatively simpler than people thought --- effective filter of power supply, use several capacitances and put them as close as to the power pin. The circuit can produce steady oscillation signal exactly on the series frequency of the quartz vibrating beam, which is significant for the accuracy of the sensor.

With development of quartz micromachining technology, vibrating micro-beam based micro-sensors such as accelerometer have drawn much attention. However, the significantly high equivalent impedance of the resonator makes it unable to work with a conventional oscillation circuit. Moreover, the steadiness of the oscillation frequency will have direct influence on the scale factor of the sensor, so it is urgent to design a suitable oscillator circuit for the VBA.

KEY WORDS: QVA; two-door oscillator; voltage follower; OTA amplifier; filter; frequency stability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 石英谐振器的研究现状 2

第二章 石英谐振梁电路的原理分析 4

2.1 石英谐振梁的主要特性 4

2.2 石英振梁的谐振电路 6

2.3 石英振荡电路的频率稳定性 7

第三章 系统结构与电路设计 9

3.1 整体框图 9

3.2 对称式门振荡器 9

3.3 电压跟随器 12

3.4 幅度放大器 14

3.5 滤波电路 16

第四章 软件仿真 18

第五章 性能测试 21

结 论 24

致   谢 25

附录1：《企业教师毕业设计指导工作记录》 26

附录2：《企业教师毕业设计指导评价意见表》 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1 引言

很多自动化系统例如汽车、工业机器、飞机都需要大批量的廉价高性能加速度传感器。与其他加速度计相比，微机械加速度计以其精简的结构、成熟的制造工艺、可行的批量生产潜能，达到了这些自动化系统的要求，因而得到大规模发展[[^[1]]]。惯性导航和飞机导航对安全性要求高，需要很精确的加速度测量信号，同时，如果信号是数字的而非模拟的，可以直接进入导航控制器，那么数据处理精度和抑噪性能都将得到大大的提高，因为模拟信号必须先进过模数转换才能被控制器使用，而数模转换器是主要误差的来源[[^[2]]]。微机械谐振加速度计是一种能够将待测的加速度信号转换为谐振器的频率变化量的传感器，因为它直接输出准数字信号，输出信号不需要经过模数转换就能直接进入数字处理系统，此外还有动态范围广、抗干扰能力强、频率稳定性高、体积小、适宜批量生产等优点，因此这种传感器较容易实现高精度测量，考虑到它作为微惯性器件的诸多其他优点，它成为新一代的高精度微机械传感器中的一员，广泛应用于战术导弹的制导、飞行控制、智能炸弹乃至重力测量等领域[^[3]]。

根据谐振器材料，微机械谐振加速度计分为两类：石英加速度计和硅加速度计。石英加速度计最早由Albert在1982年发明出来，随后，研究人员提出大量传感器结构方案，验证了石英传感器具有高稳定性、易于通过压电原理进行激励、直接频率输出和制造难度低等优点。Kass和Snow提出了一种由两个音叉构成的石英加速度计，石英音叉通过悬臂梁与铍铜块相连，铍铜块是检测质量块也是隔离器。这个传感器表现出了优良的非线性并且能够承受高达1500g的冲击。然而，它的灵敏度只有1Hz/g，而且由于金属支撑的限制，无法大批量生产。Norling和Cornelius提出了另一种类似的加速度计，金属支撑上安装了石英双端音叉。以上两种结构都被称为分体式，包含石英音叉谐振梁、金属挠性支撑、检测质量和振荡电子线路。为了解决大批量生产的难题，Le Traon et al提出了一种一体式的差分谐振梁加速度计，在同一片石英上完成振梁、质量块和隔离器的制作，在两个石英谐振器之间有隔离系统，体积更小，更易集成。虽然与双端石英音叉相比，较简单的振梁降低了制造难度，但同时也降低了Q值，并且有锁相的问题。硅加速度计是为了代替石英谐振加速度计而发展起来的，但是石英有压电效应，硅材料不如石英容易起振，Q值也较低，至今还无法与石英振梁加速度计媲美。

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