一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路。主電路芯片接地端分別通過一電容與正電源輸出端、負電源輸出端連接；正電源輸出端分別經(jīng)R9、R10、R11與晶體管T1、T2、T3連接；T1、T2、T3基極分別與放大器上輸出端連接，T1發(fā)射極經(jīng)R12、R13與T4發(fā)射極連接，T4集電極經(jīng)R14與負電源輸出端連接；T2集電極與T5集電極連接，T5、T6發(fā)射極分別經(jīng)一電阻與負電源輸出端連接；T3集電極與晶體管T6集電極連接；T4、T5、T6基極均分別與放大器下輸出端連接；T3集電極經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)與放大器反相輸入端連接；本發(fā)明可用±5V直流電供電，適合野外作業(yè)，加速度計靜態(tài)功耗可達到小于50mW。
【專利說明】—種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于石英撓性加速度計的伺服電路，尤其是一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路。
【背景技術(shù)】
[0002]石英撓性加速度計主要通過力反饋原理來測量載體的加速度。其主要結(jié)構(gòu)形式是由力矩器、檢測質(zhì)量擺組件、差動電容傳感器以及伺服電路等部分構(gòu)成。加速度計工作過程中，當沿加速度計輸入軸有加速度作用時，檢測質(zhì)量擺組件發(fā)生偏轉(zhuǎn)，伺服電路檢測這一變化，把它變換成相應(yīng)的電流以反饋給力矩器，使檢測質(zhì)量擺組件返回到原來位置，該電流的大小與輸入加速度成比例。
[0003]傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路原理圖參考附圖1，包括三端穩(wěn)壓器、主電路芯片、輸出級芯片和其它外圍器件，其中主電路芯片包括基準三角波發(fā)生器、差動電容檢測器、電流積分器等部分?！?5V直流電源供電經(jīng)正/負穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為±9V電壓為主電路集成芯片供電，輸出級芯片提供與輸入加速度成比例的電流輸出。整個伺服電路正/負向靜態(tài)工作電流平均不低于10mA，即石英撓性加速度計靜態(tài)功耗大于300mW。
[0004]傳統(tǒng)石英撓性加速度計多采用土 15V直流電源供電，隨著石英撓性加速度計在石油工業(yè)、原位測量系統(tǒng)、振動測量和物探領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，這些應(yīng)用場所多使用蓄電池進行野外作業(yè)，要求石英撓性加速度計靜態(tài)功耗小于100mW，傳統(tǒng)石英撓性加速度計無法滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有石英撓性加速度計在低功耗方面現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種可用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路，包括主電路芯片，其特征在于所述主電路芯片的接地端10分別通過一濾波電容Cl與直流電源正電源輸出端連接、通過一濾波電容C2與直流電源負電源輸出端連接，并與該直流電源的接地端連接；所述主電路芯片的正電源輸入端15、負電源輸入端2分別與所述正電源輸出端、負電源輸出端對應(yīng)連接；所述正電源輸出端分別經(jīng)一電阻R9與一晶體管Tl的集電極連接，經(jīng)一電阻RlO與一晶體管T2的發(fā)射極連接，經(jīng)一電阻Rll與一晶體管T3的發(fā)射極連接；所述晶體管T1、T2、T3的基極分別與所述主電路芯片的放大器上輸出端9連接，所述晶體管Tl的發(fā)射極依次經(jīng)電阻R12、R13與一晶體管Τ4的發(fā)射極連接，晶體管Τ4的集電極經(jīng)一電阻R14與所述負電源輸出端連接，R12與R13的連接端與地線連接；所述晶體管Τ2的集電極與一晶體管Τ5的集電極連接，晶體管Τ5的基極經(jīng)一電阻R15與所述負電源輸出端連接；所述晶體管Τ3的集電極與一晶體管Τ6的集電極連接，晶體管Τ6的發(fā)射極經(jīng)一電阻R16與所述負電源輸出端連接；所述晶體管Τ4、Τ5、Τ6的基極均分別與所述主電路芯片的放大器下輸出端7連接；所述晶體管T3的集電極經(jīng)一反饋網(wǎng)絡(luò)與所述主電路芯片的放大器反相輸入端6連接；其中，上述連接為電連接。
[0008]進一步的，所述電阻R11、R16取值范圍均為100 Ω至5k Ω。
[0009]進一步的，所述主電路芯片的放大器調(diào)整端5與放大器上輸出端9之間的電容C4取值范圍為IOpF至150pF ;所述電阻R9、R10、R12、R13、R14、R15取值范圍均為10 Ω至5kQ ；所述主電路放大器的放大器反相輸入端6與放大器下輸出端7之間的電容C5取值范圍為IOOpF 至 1500pF。
[0010]進一步的，所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括電阻R4、R5、R6、R7、R8和電容CIO、Cll ;其中，電阻R5與R6、C11組成的串聯(lián)電路并聯(lián)，且R5與依次串聯(lián)的R7、R8、C10串聯(lián)電路并聯(lián)，且R5與R7、R4組成的串聯(lián)電路并聯(lián)；其中:R4、R5、R8取值范圍均為5k Ω至20k Ω，R6取值范圍為100 Ω至2kQ，R7取值范圍IOkQ至40k Ω，CIO、Cll取值范圍均為0.01 μ F至0.1 μ F。
[0011]進一步的，所述主電路芯片的積分器輸出端8與積分器調(diào)整端12經(jīng)一電容C7連接，積分器輸出端8經(jīng)一并聯(lián)依次經(jīng)電容C8、C6、C9與地線連接，且電容C8的兩端并聯(lián)一電阻R3 ;所述主電路芯片的積分器反向輸入端11經(jīng)該電容C9與地線連接；其中，R3取值范圍為IOkQ至70kQ，C6取值范圍為0.0lyF至0.1 μ F，C7取值范圍為IOpF至150pF，C8取值范圍為IOOpF至1500pF，C9取值范圍為IOpF至150pF。
[0012]進一步的，所述主電路芯片的三角波控制端I經(jīng)一電阻Rl與接地端10連接、三角波形成端16經(jīng)一電容C3與接地端10連接，所述主電路芯片的電流上調(diào)整端3與電流下調(diào)整端4經(jīng)一電阻R2連接；其中，Rl取值范圍為IkQ至IOkQ，R2取值范圍為IOkQ至50k Ω，C3取值范圍為IOpF至150pF。
[0013]本發(fā)明的低功耗伺服電路主要由主電路芯片和電阻、電容、晶體管等器件組成，原理圖參考附圖2，其中主電路芯片和傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路中的主電路芯片組成形式及功能一致。
[0014]所述低功耗伺服電路對傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路供電部分進行了改進，且將傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路輸出級芯片進行重新設(shè)計，改為由小功率晶體管等分立元器件組成。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗且性能完全可以滿足石油、物探等應(yīng)用領(lǐng)域。
[0015]所述低功耗伺服電路和石英撓性加速度計表頭部分進行電氣連接后可實現(xiàn)對載體加速度的測量，其裝配方法與傳統(tǒng)石英撓性加速度計相同。
[0016]根據(jù)本發(fā)明提供的用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路還具有如下附加技術(shù)特征:
[0017]所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路對傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路供電方式進行重新設(shè)計。傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路供電最低不得低于±12V。而所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路供電電壓最低可至土 5V。
[0018]所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路中輸出級不同于傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路輸出級芯片設(shè)計，使用小功率晶體管設(shè)計實現(xiàn)，在輸出電路與反饋網(wǎng)絡(luò)間加入隔離電路，以減小反饋網(wǎng)絡(luò)對輸出電路的影響。
[0019]所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路可由分立元器件搭建而成，也可以依據(jù)使用需要對其進行二次集成。
[0020]所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路構(gòu)成形式即可決定其低功耗特性，調(diào)整外圍器件參數(shù)不會改變電路功耗，但可以對石英撓性加速度計噪聲、帶寬等技術(shù)指標進行調(diào)整。
[0021]所述用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路設(shè)計充分考慮與傳統(tǒng)石英撓性加速度計表頭的兼容性，不需要對原石英撓性加速度計表頭進行結(jié)構(gòu)設(shè)計更改。
[0022]按照本發(fā)明提供的一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0023]本發(fā)明的加速度計伺服電路尺寸只有直徑約2.54cm，使用所述低功耗伺服電路后的石英撓性加速度計，最低可使用土 5V直流電源供電，采用本發(fā)明的石英撓性加速度計靜態(tài)功耗可達到小于50mW，使得石英撓性加速度計首次應(yīng)用于電池供電的野外作業(yè)場所。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是傳統(tǒng)石英撓性加速度計伺服電路的工作原理圖。
[0025]圖2是本發(fā)明的一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路的工作原理圖。
[0026]其中，1-三角波控制端、2-負電源輸入端、3-電流上調(diào)整端、4-電流下調(diào)整端、5-放大器調(diào)整端、6-放大器反相輸入端、7-放大器下輸出端、8-積分器輸出端、9-放大器上輸出端、10-接地端、11-積分器反向輸入端、12-積分器調(diào)整端、13-解調(diào)器正輸入端、14-解調(diào)器負輸入端、15-正電源輸入端、16-三角波形成端。
【具體實施方式】
[0027]—種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路的【具體實施方式】為:
[0028]參考附圖2，一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路包括:主電路芯片和電阻、電容、晶體管等器件。其中主電路芯片包括基準三角波發(fā)生器、差動電容檢測器、電流積分器等部分。
[0029]具體實施過程:伺服電路由外加直流電源供電，Cl、C2為電源濾波電容，石英撓性加速度計表頭部分的差動電容傳感器敏感到由外界加速度造成的電容值變化。差動電容檢測器把所述電容變化轉(zhuǎn)換成電流信號。基準三角波發(fā)生器為差動電容檢測器提供一個隨時間均勻增長的電壓信號，RU R2和C3為基準三角波發(fā)生器的外圍器件，調(diào)節(jié)三角波的幅值和頻率，其中Rl取值范圍為IkQ至IOkQ，R2取值范圍為IOkQ至50k Ω，C3取值范圍為IOpF至150pF。電流積分器把來自差動電容檢測器的電流信號變換成電壓，R3、C6、C7、C8和C9為電流積分器的外圍器件，可調(diào)節(jié)石英撓性加速度計的頻率特性，其中R3取值范圍為IOk Ω至70k Ω，C6取值范圍為0.01 μ F至0.1 μ F，C7取值范圍為IOpF至150pF，C8取值范圍為IOOpF至1500pF，C9取值范圍為IOpF至150pF。輸出級電路中經(jīng)晶體管T1、T2、T4、Τ5，電阻R9、R10、R12、R13、R14、R15和電容C4、C5把主電路芯片輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，以加給石英撓性加速度計表頭部分的力矩器，該電流與輸入加速度成正比，其中R9、R10、R12、R13、R14、R15取值范圍均為10 Ω至5kQ，C4取值范圍為IOpF至150pF，C5取值范圍為IOOpF至1500pF。電阻R4、R5、R6、R7、R8和電容CIO、Cll組成反饋網(wǎng)絡(luò)，改變參數(shù)可以改變電路的頻率特性，對加速度計動、靜態(tài)進行調(diào)整，R4、R5、R8取值范圍均為5kΩ至20kQ，R6取值范圍為100 Ω至2kQ，R7取值范圍IOkQ至40k Ω，CIO、Cll取值范圍均為0.01 μ F至0.1 μ F。晶體管Τ3、Τ6、Rll和R16將輸出電路與反饋網(wǎng)絡(luò)相隔離，以減小反饋網(wǎng)絡(luò)對輸出電路的影響，Rll、R16取值范圍均為100 Ω至5k Ω。
[0030]表1為本發(fā)明實施后與傳統(tǒng)石英撓性加速度計的靜態(tài)功耗試驗結(jié)果對比。實驗隨機取3只加速度計表頭，在同等環(huán)境條件下分別連接本發(fā)明發(fā)明低功耗伺服電路和傳統(tǒng)加速度計伺服電路進行靜態(tài)功耗(工作狀態(tài)最低功耗)測試。試驗表明，本發(fā)明低功耗伺服電路較傳統(tǒng)加速度計伺服電路的靜態(tài)功耗大為降低。
[0031]表1靜態(tài)指標對比
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種用于石英撓性加速度計的低功耗伺服電路，包括主電路芯片，其特征在于所述主電路芯片的接地端(10)分別通過一濾波電容Cl與直流電源正電源輸出端連接、通過一濾波電容C2與直流電源負電源輸出端連接，并與該直流電源的接地端連接；所述主電路芯片的正電源輸入端(15)、負電源輸入端(2)分別與所述正電源輸出端、負電源輸出端對應(yīng)連接；所述正電源輸出端分別經(jīng)一電阻R9與一晶體管Tl的集電極連接，經(jīng)一電阻RlO與一晶體管T2的發(fā)射極連接，經(jīng)一電阻RlI與一晶體管T3的發(fā)射極連接；所述晶體管T1、T2、T3的基極分別與所述主電路芯片的放大器上輸出端(9)連接，所述晶體管Tl的發(fā)射極依次經(jīng)電阻R12、R13與一晶體管Τ4的發(fā)射極連接，晶體管Τ4的集電極經(jīng)一電阻R14與所述負電源輸出端連接，R12與R13的連接端與地線連接；所述晶體管Τ2的集電極與一晶體管Τ5的集電極連接，晶體管Τ5的基極經(jīng)一電阻R15與所述負電源輸出端連接；所述晶體管Τ3的集電極與一晶體管Τ6的集電極連接，晶體管Τ6的發(fā)射極經(jīng)一電阻R16與所述負電源輸出端連接；所述晶體管Τ4、Τ5、Τ6的基極均分別與所述主電路芯片的放大器下輸出端(7)連接；所述晶體管Τ3的集電極經(jīng)一反饋網(wǎng)絡(luò)與所述主電路芯片的放大器反相輸入端(6)連接；其中，上述連接為電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的低功耗伺服電路，其特征在于所述電阻R11、R16取值范圍均為100 Ω 至 5kQ。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低功耗伺服電路，其特征在于所述主電路芯片的放大器調(diào)整端(5)與放大器上輸出端(9)之間的電容C4取值范圍為IOpF至150pF ;所述電阻R9、R10、R12、R13、R14、R15取值范圍均為10Ω至5kQ ;所述主電路放大器的放大器反相輸入端(6)與放大器下輸出端(7)之間的電容C5取值范圍為IOOpF至1500pF。
4.如權(quán)利要求3所述的低功耗伺服電路，其特征在于所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括電阻R4、R5、R6、R7、R8和電容CIO、Cll ;其中，電阻R5與R6、Cll組成的串聯(lián)電路并聯(lián)，且R5與依次串聯(lián)的R7、R8、C10串聯(lián)電路并聯(lián)，且R5與R7、R4組成的串聯(lián)電路并聯(lián)；其中:R4、R5、R8取值范圍均為5k Ω至20kQ，R6取值范圍為100 Ω至2kQ，R7取值范圍IOkQ至40kQ，CIO、Cll取值范圍均為0.01 μ F至0.1 μ F。
5.如權(quán)利要求4所述的低功耗伺服電路，其特征在于所述主電路芯片的積分器輸出端(8)與積分器調(diào)整端(12)經(jīng)一電容C7連接，積分器輸出端(8)經(jīng)一并聯(lián)依次經(jīng)電容CS、C6、C9與地線連接，且電容CS的兩端并聯(lián)一電阻R3 ;所述主電路芯片的積分器反向輸入端(11)經(jīng)該電容C9與地線連接；其中，R3取值范圍為IOkQ至70kQ，C6取值范圍為0.0lyF至0.1 μ F，C7取值范圍為IOpF至150pF，C8取值范圍為IOOpF至1500pF，C9取值范圍為IOpF 至 150pF。
6.如權(quán)利要求5所述的低功耗伺服電路，其特征在于所述主電路芯片的三角波控制端(I)經(jīng)一電阻Rl與接地端(10)連接、三角波形成端(16)經(jīng)一電容C3與接地端(10)連接，所述主電路芯片的電流上調(diào)整端(3)與電流下調(diào)整端(4)經(jīng)一電阻R2連接；其中，Rl取值范圍為IkQ至IOkQ，R2取值范圍為IOkQ至50kQ，C3取值范圍為IOpF至150pF。
【文檔編號】G01P15/08GK103675317SQ201310627056
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】于皓, 周峰, 于湘濤, 吳楠, 付秀娟, 彭福英, 任敬坤 申請人:航天科工慣性技術(shù)有限公司