[0001] 本发明属于微电子机械系统(MEMS)惯性敏感器件石英谐振加速度计技术领域，具体涉及一种基于原子钟锁频的压控再平衡石英谐振加速度计。

[0002] 石英谐振加速度计属于惯性敏感器件的一种，用来测量低频加速度信号，被广泛应用于各类惯性导航控制系统(IMU)中。在这类应用中，石英谐振加速度计以其材料的压电特性和晶格的稳定性，具有结构简单、高精度、高稳定性、高分辨率等优点，在导弹制导、火箭姿态控制、武器平台稳定等对加速度测量有极高要求的领域占主导地位。基于加速度调制频率的石英谐振加速度计输出方波准数字信号，需将方波模拟信号的频率解调为输入加速度表征，频率数字转换过程的精度损失制约石英谐振加速度计高精度加速度测量潜力的发展。因此满足更高精度应用要求的石英谐振加速度计具有重要意义，同时测控系统的简化、集成化同样具有非常重要的意义。

[0003] 薄膜敏感加速度计(Yang X M,Zhang W,Zhao W.Design and Analysis of a Piezoresistive Accelerometer with the Film‑Island Structure[C].Advanced Materials Research.Trans Tech Publications Ltd,2012.)的加速度敏感薄膜在外界加速度输入下产生变形，由于材料的压阻特性，应变引起电阻层阻值发生变化，通过电桥结构反应为输出电压变化，利用模数转换器对模拟电压信号量化为计算机可以直接处理的数字信号，实现加速度数字式测量。该种方式实现的加速度计因为仅有薄膜结构而具有结构简单、加工精度高、环境适应性好等优点，但易受热应力影响，温度稳定性难以满足高精度加速度测量的需求。

[0004] 传统石英谐振加速度计(Han C,Li C,Zhao Y,et al.High‑Stability Quartz Resonant  Accelerometer  With  Micro‑Leverages[J].Journal  of Microelectromechanical Systems,2021.)在敏感输入加速度时质量弹簧系统将惯性力转换为柔性铰链的变形，从而使石英双端固支音叉轴向力发生改变，由于音叉结构的力频特性，导致石英音叉谐振频率发生改变；通常通过双反相器跨阻接法使石英谐振器处于谐振状态，环路外接频率数字转换器解调加速度调制频率信号，输出数字加速度表征。由于单晶石英材料的高稳定性以及大弹性模量，石英谐振加速度计具有量程大、精度高、稳定性优异等特点，且输出准数字信号在传输过程中不易受到干扰，逐渐被高精度加速度测量领域所接受。但由跨阻反相器组成的振荡环路不具有自动控制幅度功能，在追求高信噪比与低零偏不稳定度性能时存在矛盾，且传统频率数字转换器基于复位计数器对待测信号一个周期内的基准时钟上升沿进行计数从而得到待测频率，量化噪声难以抑制且需求更高的基准时钟，增加了后端数字系统的负担与成本。

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

[0027] 如图1所示，一种基于原子钟锁频的压控再平衡石英谐振加速度计，包括原子钟1、分频器2、鉴频鉴相器3、环路控制器4、模数转换器5、压控变容器6、自动幅度控制器7、带有加速度敏感结构的石英谐振器8；加速度计等效于使用由敏感加速度输入的石英谐振器8、压控变容器6、自动幅度控制器7组成的加速度敏感压控振荡器代替锁相环路中的模拟压控振荡器，与鉴频鉴相器3、环路控制器4依次连接组成锁相环路；原子钟1信号通过分频器2与鉴频鉴相器3参考输入端相连，石英谐振器8输入端口与鉴频鉴相器3反馈输入端口相连，模数转换器5量化环路控制器4输出的电压控制信号，作为敏感加速度的数字表征；采用本发明方案能够实现较高的加速度分辨率，并实现数字输出，降低系统集成成本与精度损失。

[0028] 稳定工作时，由石英谐振器8、压控变容器6、自动幅度控制器7组成的振荡环路保持石英谐振器8处于谐振状态；原子钟1输出的时钟信号经过分频器2输入到鉴频鉴相器3的参考输入端，与反馈的振荡环路信号鉴频鉴相后经过环路控制器4产生控制电压作用于压控变容器6上实现频率锁定；

[0029] 当石英谐振器8敏感输入加速度变化时谐振频率发生变化，振荡环路谐振频率跟着发生改变；鉴频鉴相器3检测到反馈信号与参考信号的频率与相位差，经过环路控制器4调节压控变容器6的控制电压，使振荡环路工作频率重新回到参考频率上；环路控制器4输出控制电压量化值表征输入加速度大小，实现加速度数字式测量。

[0030] 本实施例加速度计原子钟1为铷原子钟，分频器2为2N分频器，鉴频鉴相器3为三态鉴频鉴相器，环路控制器4为三阶二型环路控制器。

[0031] 本实施例加速度计整体输入信号为输入加速度信号，输出信号为经模数转换器5量化的环路控制器4的输出电压，该值作为输入加速度信号的数字测量值。

[0032] 如图2所示，所述的自动幅度控制器7由幅值检测器71、第一减法器72、PID控制器73、混频器74依次连接而成，幅度检测器71输入端与石英谐振器8驱动端相连，构成反馈控制系统；其中幅值检测器71由整流器711、低通滤波器712连接而成；石英谐振器8输出信号经CV转换后反馈至石英谐振器8驱动端，驱动信号作为自动幅度控制器7的输入信号通过幅值检测器71得到与幅度成正比的电压信号，与参考电压在第一减法器72中比较误差，通过PID控制器73调节负反馈信号并与石英谐振器8输出的调制信号进行混频，混频后信号作为石英谐振器8的驱动信号；通过负反馈消除石英谐振器8驱动信号与参考电压间的误差，实现对石英谐振器8振动幅度的精确控制。

[0033] 所述的整流器711采用全波整流器，也可以采用半波整流器，但需在后端进行放大以达到和全波整流同样的效果；整流器711和低通滤波器712可采用有源与无源器件两种方式实现。

[0034] 压控变容器6利用压控变容二极管实现，也可在石英谐振器8上设计变容结构实现；石英谐振器8采用石英音叉谐振器，石英音叉谐振器在特定的本征模态上产生谐振，将压控变容二极管串接入振荡环路中，通过控制压控变容二极管的控制电压改变电容值，从而实现振荡环路的频率牵引；由石英谐振器8、压控变容器6、自动幅度控制器7组成加速度敏感压控振荡器，模拟锁相环中环形压控振荡器或LC压控振荡器行为。

[0035] 铷原子钟产生高稳定性的频率信号作为加速度计恒定的参考输入信号，使加速度计基准具有原子能级跃迁的精度。2N分频器将高频原子钟信号调频至石英谐振器固有频率附近，提高环路捕获与同步能力。

[0036] 由石英谐振器8、压控变容器6、自动幅度控制器7组成的振荡环路存在大量噪声，特别的1/f噪声对加速度计零偏不稳定度影响很大，其余噪声对白频率噪声均有贡献，且为达到较高信噪比而将石英谐振器激励在较大振幅时幅频效应影响显著，恶化加速度计的稳定性与分辨率。本发明加速度计的结构使关键噪声受锁相环调节，尤其在经过鉴频鉴相器3后的环路控制器4时得到抑制，量化噪声得到有效改善。

[0037] 如图3所示，所述的三态鉴频鉴相器由两个D触发器、延迟器、与门、第二减法器连接而成；参考输入信号Ref(t)与反馈信号Fb(t)输入三态鉴频鉴相器两个D触发器的时钟端，当Ref(t)与Fb(t)相位相同时在与门与延迟器作用下D触发器复位端打开，三态鉴频鉴相器输出端UP和DN均为低电平；当Ref(t)与Fb(t)相位有偏差时，UP端高电平表示Ref(t)超前Fb(t)，DN端高电平表示Fb(t)相位超前Ref(t)；UP端和DN端高电平脉冲宽度表征相位偏差的大小，通过环路控制器输出电压调节振荡环路频率变化的方向与大小。

[0038] 鉴频鉴相器3也可以由XOR鉴相器、模拟乘法器实现，模拟乘法器与XOR鉴相器需额外的辅助电路配合完成相位捕获与同步。

[0039] 如图4所示，所述的环路控制器4可以用有源或无源器件实现，也可替换为更高阶控制器；图4中分别为无源二阶一型(TypeⅠ，order2)、二阶二型(TypeⅡ，order 2)、三阶一型(TypeⅠ，order 3)、三阶二型(TypeⅡ，order 3)环路控制器及其传输函数，其中Iin为电流输入，Vout为电压输出，s为拉普拉斯变换复频率，R、L、C分别表示电阻、电感与电容，下标数字代表不同的器件参数。不同阶数与类型的环路控制器具有不同的响应特征，对系统带宽、响应、误差等性能具有关键影响。

[0040] 所述的分频器2也可以采用奇数或小数分频器。

[0041] 所述的石英谐振器8以及加速度敏感结构为现有常见形式，对本发明加速度计系统具有互换性。

[0042] 本发明电路可以由分立器件模拟电路芯片实现，也可以通过专用集成电路技术实现。