CN101592677A - 一种用于石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路 - Google Patents

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Abstract

一种石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路，包括：差动电容检测电路，三角波发生电路，前置滤波放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路及驱动放大电路、及数字信号处理电路；三角波发生电路连接差动电容检测电路输入端，差动电容检测电路连接石英挠性加速度计表头机械部分的差动电容，差动电容检测电路与前置滤波放大电路连接，前置滤波放大电路与A/D转换电路相连，数字信号处理电路连接A/D转换电路，数字信号处理电路输出的数字量经输出端连接到导航计算机，同时数字信号处理电路输出的数字量经过输出端连接到D/A转换电路，D/A转换电路连接驱动放大电路，驱动放大电路输出的电流信号经过驱动放大电路的输出端连接石英挠性加速度计表头机械部分的力矩线圈。

Description

一种用于石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路
技术领域：
本发明涉及一种用于测量载体加速度的石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路，属于检测电路技术领域。
背景技术：
目前石英挠性加速度计是由表头机械部分，模拟伺服电路部分两部分组成，其中表头机械部分由力矩线圈，石英摆片，上下力矩器组成；而模拟伺服电路部分由差动电容检测电路，积分电路，以及跨导补偿放大电路组成。其中，有加速度输入时，石英摆片偏离平衡位置，于是表头机械部分的差动电容值发生变化。模拟伺服电路部分的差动电容检测电路将差动电容转换为幅值与之对应的电流脉冲，后续的积分电路和放大电路将电流脉冲转换为直流电流，这一电流反馈到力矩线圈中，产生的电磁力矩将石英挠性片拉回到无加速度时的平衡位置，那么反馈电流的大小就反映了加速度的值。
目前加速度计采用模拟电流反馈的形式，输出模拟电流的大小和输入的加速度成正比，输出的模拟电流通过数字转换电路，变成脉冲或数字信号送给导航计算机以实现导航解算。理论上，数字转换电路的精度应该远高于石英挠性加速度计的精度，但现实中远没有达到这一要求，数字转换电路精度不高几乎成了石英挠性加速度计系统精度进一步提高的瓶颈。目前模拟电流反馈的伺服电路检测精度能达到10-5g量级，基本能够满足中高精度的导航系统的使用，但由于数字转换电路的限制，最终得到的精度往往远低于这个量级。
随着模拟石英挠性加速度计精度的提高，导航系统对数字转换电路的精度要求越来越高。现有的数字转换方案，精度很难高于石英挠性加速度计的精度，这样会造成石英挠性加速度计精度的浪费，使石英挠性加速度计的高精度失去意义。
由于石英挠性加速度计输出信息是导航系统的最原始测量基准，大量的计算中要使用加速度测量数据，其测量误差会造成误差积累，同时由于信息耦合，还会导致石英挠性加速度计的数据精度在计算中失去效用，使导航系统的整体精度下降，所提供的导航信息可信度降低。
发明内容：
本发明提供了一种石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路，以克服现有模拟电流反馈输出后再经过数字电路转换带来精度损失问题。具有检测精度高，适用范围广泛，直接数字输出等优点。
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：该石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路包括以下几个部分：差动电容检测电路，三角波发生电路，前置滤波放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路及驱动放大电路、及数字信号处理电路。
它们的连接关系如下：
三角波发生电路输出的三角波连接到差动电容检测电路输入端，差动电容检测电路的输入端连接石英挠性加速度计表头机械部分的差动电容，差动电容检测电路的输出端与前置滤波放大电路的输入端连接，前置滤波放大电路的输出端与A/D转换电路的输入端相连，数字信号处理电路的输入端连接A/D转换电路的数字输出端，数字信号处理电路输出的数字量经过输出端连接到导航计算机的输入端，同时数字信号处理电路输出的数字量经过输出端连接到D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接到驱动放大电路的输入端，驱动放大电路输出的反馈电流信号经过驱动放大电路的输出端连接到石英挠性加速度计表头机械部分的力矩线圈的输入端，力矩线圈的输出端经过电阻接地。
检测电路的工作过程如下：差动电容检测电路接收来自三角波发生电路产生的三角波信号，将检测到的差分电容C1和C2的变化转化为相应的误差电流IC输出，前置滤波放大电路对差动电容检测电路输出的误差电流IC经过转换、滤波、和放大后进入A/D转换电路，A/D转换电路对前置滤波放大电路的输出信号进行采集并转换为离散的数字量，数字信号处理电路对A/D转换电路输出的离散的误差数字量进行累加后，输出反馈数字信号，该反馈数字信号大小与差动电容检测电路输出的误差电流ΔI成正比。该反馈数字信号经过D/A转换电路变为模拟反馈电压，模拟反馈电压经过驱动放大电路转换为模拟反馈电流信号，该模拟反馈电流信号作用在石英挠性加速度计表头机械部分的力矩器的输入端，产生电磁力矩，使石英摆片处于无加速度输入的平衡位置。从而实现系统闭环工作。另外按照约定的协议，数字信号处理电路部分输出数字量与导航计算机通信，输出检测到的加速度的数字量。
本发明和已有技术的石英挠性加速度计模拟伺服电路相比，其优点在于：
由于采用数字输出，便于与导航计算机相连，实现通讯，以满足实时、高精度、宽动态范围应用的需求，数据输出格式灵活，为整个导航系统提供了便利条件。
采用数字闭环能够避免传统的模拟数字转换带来的误差，有效地消除了数字转换电路引入的误差。避免加速度计表头机械部分的精度损失。
采用数字闭环的数字滤波和数字补偿算法灵活，可以更好的实现系统误差的补偿，消除外界环境变化而引入的误差。
附图说明
图1为原石英挠性加速度计组成示意图，包括机械部分和模拟电路部分
图2为原石英挠性加速度计的数字化方案示意图
图3为数字闭环石英挠性加速度计的示意图
图4为差动电容检测电路的原理图
图5为本发明石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路的结构框图
图6为本发明石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路中数字信号处理电路部分的信号处理流程图
图7为本发明石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路的原理图
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
参照图5，本发明石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路包括差动电容检测电路，前置滤波放大电路、A/D转换电路、数字信号处理电路、三角波发生电路、D/A转换电路、驱动放大电路。其中，前置滤波放大电路、A/D转换电路、三角波发生电路、D/A转换电路、驱动放大电路的型号参数以及详细原理图见图7所示，差动电容检测电路的详细原理图如图4所示，数字信号处理电路的信号处理流程图如图6所示。
差动电容检测电路接收来自三角波发生电路产生的三角波信号，将检测到的差分电容的变化转化为相应的误差电流输出，误差电流经过前置滤波放大电路，转换为电压信号，进入A/D转换电路，A/D转换电路对前置滤波放大电路的输出信号进行采集并转换为离散的误差数字量，数字信号处理电路对输入的离散数字量进行累加，输出反馈数字信号，反馈数字信号送至D/A转换电路变为模拟反馈电压，该模拟反馈电压经驱动放大电路后，形成模拟反馈电流信号，加在石英挠性加速度计表头机械部分的力矩器上，产生电磁力矩，使石英摆片处于无加速度输入的平衡位置。实现系统闭环工作。同时按照约定的协议，和采集计算机通信，输出检测到的加速度的数字量。
前置滤波放大电路对输出信号进一步放大、转换和滤波，通过前置放大器放大后的信号，进入滤波电路。前置滤波器部分根据输入信号和噪声的频域分布特点，对于噪声进行抑制，该部分的目的在于提高信号的信噪比。
A/D转换电路是模拟电路和数字电路的接口，A/D转换电路中的模数转换芯片采用ADS7835，A/D转换电路将前置滤波放大电路输出的连续模拟信号，转换为离散的数字信号，提供给后续的数字信号处理电路。
数字信号处理电路是检测电路的核心，完成的功能有：信号的调制和解调，根据特定的控制算法形成反馈数字波，送至D/A转换电路变为模拟反馈波，经驱动放大电路加在力矩器上，实现系统闭环工作。同时还要提供时序信号，协调整个系统同步工作。同时按照约定的协议，和采集计算机通信，将数字量输出到导航计算机。采用数字闭环的方案可以方便灵活的实现上述功能。
D/A转换及驱动电路的作用是将数字信号处理电路形成的反馈数字信号，转化为模拟反馈电流信号，加至力矩器。本发明中D/A转换电路中的数模转换芯片为DAC7631，D/A转换电路输出的模拟反馈电压UO，经驱动放大电路变为模拟反馈电流信号IO。驱动放大电路采用可控双向恒流源，它的恒定输出电流的大小和方向由外加的电压控制，反馈电流I＝UO/RO，驱动放大电路接受D/A输出的模拟反馈电压信号，产生与输入模拟反馈电压成正比的模拟电流反馈信号，通过运算放大器的输出端加到石英挠性加速度计的电磁力矩器RL上形成恢复力矩，使石英摆片回到平衡位置。
三角波发生电路通过数字电路的输出数字三角波，经过D/A转换电路后，转换为模拟三角波，模拟三角波经过运算放大器的放大后，输出满足需要的三角波信号，作为差动电容检测电路的驱动信号。
通过上述的描述，最终该系统实现对载体加速度的精确测量，同时能够输出和输入加速度成正比的数字信号到导航计算机。避免模拟闭环方案中由于数字转换电路带来的精度损失，实现闭环反馈控制的同时，直接输出数字量到导航计算机，提高系统的精度和抗干扰能力，适用范围广泛，能够满足实时、高精度、宽动态范围应用的需求，为整个导航系统提供了便利条件。

Claims (1)

1、一种石英挠性加速度计的数字闭环伺服电路，其特征在于：该电路包括以下几个部分：差动电容检测电路，三角波发生电路，前置滤波放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路及驱动放大电路、及数字信号处理电路；
三角波发生电路输出的三角波连接到差动电容检测电路输入端，差动电容检测电路的输入端连接石英挠性加速度计表头机械部分的差动电容，差动电容检测电路的输出端与前置滤波放大电路的输入端连接，前置滤波放大电路的输出端与A/D转换电路的输入端相连，数字信号处理电路的输入端连接A/D转换电路的数字输出端，数字信号处理电路输出的数字量经过输出端连接到导航计算机的输入端，同时数字信号处理电路输出的数字量经过输出端连接到D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接到驱动放大电路的输入端，驱动放大电路输出的电流信号经过驱动放大电路的输出端连接到石英挠性加速度计表头机械部分的力矩线圈的输入端。
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