（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

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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(tài)與動態(tài)高精度測試精度的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種高精度頻率輸出電路，實現(xiàn)了差動頻率的實時相減和靜態(tài)與動態(tài)頻率信號輸出。對電路及儀表的精度進行了測試，測試結(jié)果表明，該電路穩(wěn)定性可達到1×10-9，全溫范圍內(nèi)(-40～+70 ℃)非線性優(yōu)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(tǒng)精度要求，使儀表更滿足工程應(yīng)用的條件。根據(jù)實際工程應(yīng)用要求，還對該電路提出了抗干擾設(shè)計，進一步提高了該電路的工程應(yīng)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(yōu)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(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換就可直接與數(shù)字系統(tǒng)接口，極大簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，同時還具有抗干擾和高穩(wěn)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(tǒng)的響應(yīng)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(tài)和動態(tài)測試精度的測試方法及測試設(shè)備，并兼顧工程應(yīng)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(shù)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(tài)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(tài)和動態(tài)頻率信號均有較好的測試精度，但技術(shù)實現(xiàn)途較復(fù)雜，電路小型化困難，電路自身發(fā)熱量對硅微敏感結(jié)構(gòu)的影響較大；第三種方法適合測試動態(tài)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(tài)測試精度相對較低。

為了實現(xiàn)諧振類儀表的工程化進程，設(shè)計并實現(xiàn)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(jù)文獻報道，實現(xiàn)頻率求差的功能可采用CPLD結(jié)合單片機、DSP或者FPGA來實現(xiàn)，電路設(shè)計相對復(fù)雜，需要包含計數(shù)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(guān)的數(shù)學(xué)運算需要編程實現(xiàn)。這一部分電路無疑增加諧振加速度計組件的規(guī)模，大大削弱了硅微器件重量輕體積小的優(yōu)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(jù)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(wǎng)絡(luò)及輸出級調(diào)整電路三部分構(gòu)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(fā)器級聯(lián)實現(xiàn)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(huán)形計數(shù)器，它把單相的fin信號分成三相方波信號，圖2中三個級聯(lián)的D觸發(fā)器均為上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，而fin被同步輸入到各個D觸發(fā)器的CP端。當(dāng)觸發(fā)器Ι翻轉(zhuǎn)時，為觸發(fā)器Π第二個到來的脈沖翻轉(zhuǎn)創(chuàng)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(jīng)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(dāng)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(guān)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(dāng)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(guān)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(guān)系（時序上體現(xiàn)為相位關(guān)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(guān)系直接決定了時序識別網(wǎng)絡(luò)能否正確輸出輸入信號的頻差。當(dāng)兩路輸入信號f1和f2經(jīng)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(guān)系圖Fig.5 Sequential relationship when with input frequency-difference

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

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

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

表2 M1、M2、M3的時序關(guān)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(wǎng)絡(luò)是該電路的主要部分，利用RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持功能，根據(jù)RS觸發(fā)器的特性表3可知：當(dāng)R/S端無輸入時，觸發(fā)v器將保持上一個狀態(tài)，也就是說圖1中1、2、3端將根據(jù)M1、M2、M3翻轉(zhuǎn)時序順序分別保持上一個狀態(tài)，且三路信號相位差恒定。當(dāng)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(guān)系與我們設(shè)計這款電路的基本原理依據(jù)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(wǎng)絡(luò)采用三路RS觸發(fā)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(yīng)地采用四路RS觸發(fā)器進行識別。但是分頻倍數(shù)越多，分頻信號相位差越小，分頻精度就越高，電路就越復(fù)雜，在設(shè)計時可權(quán)衡系統(tǒng)需求和精度要求來進行電路設(shè)計。

圖6 時序識別網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.6 Schematic of sequential identifying network

表3 RS觸發(fā)器狀態(tài)表Tab.3 States of RS trigger

圖7 有頻差時時序識別網(wǎng)絡(luò)時序Fig.7 Scheduling of sequential identifying network when with frequency differences

2 差頻電路抗干擾設(shè)計

在測試過程中設(shè)備通斷電或較強電磁干擾產(chǎn)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(tǒng)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(shù)字器件均為邊緣觸發(fā)，則將在輸出端產(chǎn)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(wěn)定性。因此，需要對電路進行抗干擾能力的設(shè)計。

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外來脈沖觸發(fā)下能夠由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到暫態(tài)，暫態(tài)維持一段時間后將自動返回到穩(wěn)定狀態(tài)，而暫態(tài)維持時間的長短取決于電路本身的參數(shù)這一特點，對頻差電路進行抗干擾設(shè)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(dāng)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(jīng)三相時鐘分頻的三路信號的上升沿或下降沿就會同時產(chǎn)生幅度較大左右波動，根據(jù)電路的原理，當(dāng)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(shè)置單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(xù)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(shù)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(tài)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(shù)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(jīng)過反復(fù)調(diào)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?？紤]到混合集成工藝較一次集成成本低且工藝流程簡單，設(shè)計、實現(xiàn)周期也較短，我們采用了混合集成工藝設(shè)計并生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(shù)據(jù)Tab.4 Resolution test of differential frequency output circuit

采用信號發(fā)生器作為穩(wěn)定的信號源，設(shè)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(wěn)定性，測試數(shù)據(jù)顯示差頻輸出的穩(wěn)定性達到 1×10-9量級。

表5 差頻輸出電路穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，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(jié)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(tǒng)的要求。

表6 全溫非線性測試數(shù)據(jù)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(jié) 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(shè)計方法及設(shè)計關(guān)鍵，提出了一種可實時進行雙路頻率差計算的電路設(shè)計思路。為了避免測試系統(tǒng)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(shè)計并實現(xiàn)。通過一系列的指標測試表明，該電路的性能滿足儀表系統(tǒng)要求。另外，針對工程化應(yīng)用要求，采用混合集成工藝設(shè)計并生產(chǎn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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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(chǔ)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