马晓雷1,刘 军1,王 冬2
(1.军械工程学院光纤技术研究所,河北石家庄050003;
2.中国人民解放军96623部队,山东莱芜271100)
摘 要 针对捷联惯导系统加速度计信号采集的高精度要求,提出了一种采用I-F变换技术对加速度计进行高精度数据采集的方法,对其工作原理、构成及提高精度的方法等问题进行了分析和讨论。实验证明,该系统满足了捷联惯导系统的精度要求,具有普遍的实用价值。
关键词 捷联惯导系统;加速度计;电流/频率转换;高精度
中图分类号 TN927+·2 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2007)12-0015-03
0 引言
加速度计是捷联惯导系统中重要的惯性敏感元件,其输出信号通常为模拟量,必须转换成数字量才能与导航计算机通信。随着加速度计分辨率的提高,加速度计的输出信号呈现微弱的特点,加速度测量系统对数据采集电路的精度要求越来越高。因此,设计合适的数据采集电路就显得尤其重要[3] 。
1 技术指标
由于加速度计的用途和使用环境不同,对I-F变换电路的技术指标有不同的要求,通常将根据需要进行设计。本文研究的系统应用背景要求实时、高精度、宽动态范围,加速度计的工作范围为10 -4~±25 g,具体参数如表1所示。
针对加速度计的具体参数设计I-F变换电路的主要技术指标如下:
输入电流:0.8μA~±40 mA;
非线性:<1×10 -4;
标度因数:30 000±300 Hz/mA;
工作温度范围:-40℃~60℃。
2 电路结构和原理
2.1 电路结构
I-F变换电路由I/V变换电路、方向选择开关、精密恒流电路、积分器、双向比较器、基准电源、触发器和符号判断电路等部分组成。其原理如图1所示。
I/V变换电路由高速精密运放和精密电阻组成,输入电流I in与反馈电阻R 1进行电压变换,输出电压Vout1的变换关系如下:
方向选择开关由模拟开关、高速精密运放和精密电阻组成,它们共同构成两路运算电路,在TTL电平的控制下能够实现输出电压Vout2的等幅换向。高精度恒流源由高精度运放和精密电阻构成,Vout2经恒流源电路产生恒定电流对积分电容C积分产生比较电压V in。基准电源±2.5 V由集成电压芯片REF1004I-2.5提供。双向比较器由2个相同的比较器A 1、A 2构成,其中A 1的IN+为门限电压U T1,A 2的IN-为门限电压U T2。触发器采用集成双J-K主从触发器,在双向比较器输出信号的控制下产生TTL电平控制方向选择开关。符号判断电路根据输入电流Iin的方向确定脉冲输出门电路的选通。
2.2 工作原理
加表输出的电流信号I in经I/V变换变为电压信号Vout1,经过方向选择、恒流模块后还原为I in与成比例的电流信号KI in,方向选择开关通过改变Vout2的方向来改变KI in的方向。KI in对积分器电容C充电,电容电压UC升高,当大于阈值电压U T1时,比较器输出发生翻转。同时J-K触发器获得一个触发脉冲,其输出端Q控制方向选择电路,改变KI in方向,电容器放电,电容电压UC降低,当小于阈值电压U T1时,比较器输出发生翻转恢复原来状态,这个过程中产生了一个计数脉冲。此时J-K触发器不获得触发脉冲,输出端不发生反转,KI in方向不变,电容器继续放电,电压UC降低,当小于阈值电压U T2时,比较器输出发生翻转。同时J-K触发器获得一个触发脉冲,其输出端Q控制方向选择电路,K I in改变方向,电容器充电,电容电压UC升高,当大于阈值电压U T2时,比较器输出发生翻转恢复原来状态,这个过程中产生了一个计数脉冲。此时J-K触发器不获得触发脉冲,输出端不发生翻转,KI in方向不变,电容器继续充电,电压UC升高
上述过程完成了一个电容充放电循环周期,KI in方向改变2次,产生2个计数脉冲。同时电压Vout1经符号判断电路产生脉冲选通信号,控制脉冲输出电路实现正负脉冲的选择输出。I-F电路工作时序如图2所示
由以上分析可知,I-F变换的基本原理是:输入电流Iin的连续积分使得比较电压V in不断变化(即电容电压UC),经ΔT时间后V in达到阈值电压,产生脉冲信号。当电容值和基准电压确定后,电流的大小决定积分时间,进而决定脉冲频率。脉冲频率f反映输入电流I in的大小,实现了I-F变换。
3 影响精度的因素
假设输入电流恒定不变,在一个变换周期内电流提供的积分电荷量为:
由上式可知,影响脉冲频率f的因素是C和ΔU,其中ΔU=U T1-I T2。选择高精度的基准电压是提高转换精度的关键。而且在电路设计和制作中也会遇到影响转换精度的因素,下面针对具体因素提出了几种保证转换精度的措施:
①要保证ΔU的精度和长期稳定性,要求稳压管长期稳定性好,温度系数小。微功耗参考电压REF1004I-2.5能够提供高精度±2.5 V基准电压,不需要电阻分压,避免了因电阻的精度和稳定性而引起的误差;
②积分电容器存在的漏电流也是产生积分误差的来源之一,选用漏电阻大的电容器,如薄膜电容和聚苯乙烯电容器等可减少这种误差;
③当输入电流很小时,在变换过程中信号极易受到干扰,运算放大器的失调电压、失调电流和偏置电流将带来误差,且运放的转换速率也是影响转换精度的关键因素。为此,运算放大器宜选用一种高输入阻抗、高速精密运算放大器,减少其失调电流和偏置电流;
④在电路设计和制作中采用抗干扰措施。首先,为了消除振荡与噪声的影响,在靠近集成芯片的电源引脚接入旁路电容,特别是对于精密运算放大器还要注意防止地线的耦合。其次,数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强。对信号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件,对地线来说,PCB板对外界只有一个结点,而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连,因此应在PCB板与外界连接处通过瓷珠连接数字地和模拟地[1,2] 。
4 实验数据
用基准恒流源给I-F电路各通道分别加入±35 mA、±30 mA、±25 mA、±20 mA、±15 mA、±10 mA、±5 mA、±2 mA、±1 mA、±0. 8 mA、±0.4 mA、±0.2 mA电流,用计数器分别测算对应输出的标度因数Fn,线性度为:
式中,σF为输出标度因数Fn的标准偏差; 为输出标度因数Fn的平均值。
用基准恒流源给I-F电路各通道分别加入±0.2 mA、±0.1 mA、±10μA、±1μA、±100 nA电流,用计数器分别测算对应输出脉冲的频率F,线性度为:
式中,In为输入电流值; 为输出标度因数Fn的平均值。
I-F变换电路的标度因数线性测试曲线如图3所示,负电流仅代表电流方向,这里只给出正电流时的曲线,测得标度因数的非线性度小于5×10 -5。
5 结束语
通过实验结果验证了本系统设计的合理性,实现了加速度计输出信号的高精度采集,克服了数字输出电路以采样方式进行而丢失信息的问题。从输入特性来看,该电路的最大与最小输入电流比值为50 000,可见输入范围非常宽,满足了载体在大过载情况下加速度信号的测量。对于高精度加速度计信号采集具有积极的参考价值。
参考文献
[1]何希才.运算放大器应用电路设计[M].北京:科学出版社,2007.
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[3]孟俊芳.弹载惯导系统中的加速度计I/F变换电路[J].航空兵器,1998(3):13-16.
[4]贾苹.捷联系统中加速度计的信号采集[J].武汉理工大学学报,2003,27(2):260-262.
[5]牛清红.用A/D和FPGA实现的加速度计数据读出系统[J].中国惯性技术学报,2006,14(1):63-66.
作者简介
马晓雷 男,(1980-),军械工程学院研究生。主要研究方向:光纤技术。
