CN101661047A

CN101661047A - 一种捷联惯导加速度计输出转换装置

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Publication number: CN101661047A
Application number: CN200910073003A
Authority: CN
Inventors: 孙枫; 高宇; 张鑫; 徐博; 周广涛; 陈世同; 于强; 高洪涛; 吴磊; 程建华
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101661047B

Abstract

一种捷联惯导加速度计输出转换装置，它由I/V转换模块、模拟滤波模块、A/D转换模块以及参考电压模块组成；所述的I/V转换模块将输入的电流信号转换为电压信号并传入模拟滤波模块，模拟滤波模块将电压信号除去高频噪声，并输入A/D转换模块，最终A/D转换模块根据参考电压模块输入的参考电压将电压信号去转换成数字信号。本发明的装置稳定性强、精度高、使用效果好、推广性强。

Description

一种捷联惯导加速度计输出转换装置

(一)技术领域

本发明提供的是一种加速度计输出转换装置。

(二)背景技术

加速度计是惯性导航系统的基本测量元件之一，可以用来测量载体的运动加速度，并通过对加速度积分，从而知道载体的速度和位置等信息。目前，加速度计广泛应用于航空、航海、航天及武器的制导和控制。作为惯性导航系统的核心器件，加速度计的精度直接影响整个系统的精度。这里加速度计的精度包括其本身的精度和对其输出进行转换单元的精度。

石英挠性加速度计是已经发展十分成熟的一种加速度计，具有精度和灵敏度高、功耗小、热稳定性好、机械迟滞和弹性后效小、易于小型化等特点，在惯性导航系统、大地测量系统中有广泛的用途。对于高精度的石英挠性加速度计来说，一般都是输出模拟的电流信号。

加速度计输出转换单元的作用是将加速度计输出的模拟信号转换为数字信号，并且转换后的精度应尽量不损害加速计原有的精度。惯性导航系统对加速计的性能要求是综合了加速度计本身以及加速计输出转换单元的性能后的总体指标。因此，加速度计输出转换单元的精度也会直接影响整个系统的精度。目前，国内的加速度计输出转换单元多采用I/F转换电路、或者16位A/D转换器。I/F转换电路往往用分立器件搭建，有体积和功耗较大，精度也不高的缺点。16位A/D转换器的理论精度都不能超过15ppm，有一些采用24位A/D转换器来设计转换单元的文献，但是精度往往不高，总体精度在10ppm量级或者更差，这些都主要受限与A/D转换芯片得性能。随着加速度计和微电子技术的发展，这种技术已越来越不能符合惯性导航系统的要求。现在A/D转换芯片及运放等其他元器件性能的提高，为高精度的加速度计输出转换单元的研究提供了必要的技术基础。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的捷联惯导加速度计输出转换装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明中的高精度捷联惯导加速度计输出转换单元，其电路由I/V转换模块、模拟滤波模块、A/D转换模块以及参考电压模块组成。所述的I/V转换模块将输入的电流信号转换为电压信号并传入模拟滤波模块；模拟滤波模块将电压信号除去高频噪声，并输入A/D转换模块；最终A/D转换模块根据参考电压模块输入的参考电压将电压信号去转换成数字信号。

所述I/V转换模块主要由运算放大器和采样电阻构成，采样电阻跨接在运算放大器的负输入端和输出端；电容与采样电阻并联后跨接在运算放大器的负输入端和输出端；运算放大器正输入端加2.5V的参考电压；输出加速度计的输出电流由运算放大器的负输入端输入I/V转换模块，输出电流经过采样电阻转换成电压信号。

所述模拟滤波模块输入电压通过第二电阻、第三电阻输入到运算放大器正输入端，第二电容跨接在第二电阻与第三电阻的连接端与运算放大器的输出端；第三电容一端接运算放大器的正输入端，一端接地；第五电阻接在运算放大器的负输入端和输出端；第四电阻连接运算放大器的负输入端和地。

所述A/D转换模块中选用的是A/D转换芯片LTC2445；滤波器模块的输出电压由A/D转换芯片LTC2445的CH1脚输入，COM、CH0脚接2.5V参考电压，EXT、Vcc脚接5V电源，CH5、REF+脚接5V参考电压，SDI脚为速度选择信号，CS脚接片选信号，SD0脚为数字信号输出，SCK时钟输入信号；其中，SDI、CS、SD0、SCK脚通过接光电耦合器TPL113隔离，与导航解算计算机通信。

所述的参考电压模块中，LTZ1000的1脚通过第十二电阻与4脚相连，2脚通过第一二极管接地，3脚输出7V参考电压，4脚输出通过第四电阻接地，5脚通过第五电阻与3脚相连，6脚与三个并联电阻第七电阻、第八电阻、第十电阻相连，其中第七电阻另一端接3脚，第八电阻另一端接地，第十电阻另一端接LT1013的INB-脚，8脚接第六电阻后与3脚相连；LT1013的OA脚通过第二二极管接LTZ1000的3脚，INA-脚接LTZ1000的4脚，INA+脚接LTZ1000的5脚，同时通过第六电容接地，INB+脚通过第四电容接地，INB-脚接第十一电阻后与第五电容相连，第五电容另一端接LTZ1000的1脚，OB脚接第九电阻后接三极管的基极，V+脚接15V电压；三极管的集电极接15V电压，发射极接LTZ1000的1脚。

本发明能够实现高精度的加速度计输出转换功能，其主要性能指标如下：零偏温度系数1uV/℃，零偏24小时稳定性2uV，噪声1uVrms@100Hz/s，可以满足捷联惯导系统中对高精度的加速度计输出转换的要求。

(四)附图说明

图1为本发明的加速度计输出转换单元原理图。

图2为本发明的I/V转换模块电路图。

图3为本发明的滤波器电路图。

图4为本发明的A/D转换模块电路图。

图5为本发明的光电耦合器电路图。

图6为本发明的参考电压电路图。

图7为本发明的数据输出速率在110Hz/s时数据直方图。

图8为本发明的零偏的温度效应。

图9为本发明的零偏随时间的变化。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

惯导系统中，由三个加速度计分别测量XYZ三个垂直方向的加速度，输出与加速度成正比的电流信号。加速度计输出转换单元的功能是将加速度计输出的模拟信号转换为数字信号，每个方向的转换单元都是主要由I/V转换模块、模拟滤波模块、A/D转换模块以及参考电压模块组成。加速度计输出转换单元将加速度计输出的电流信号在I/V转换模块中经采样电阻转换为电压信号并传入模拟滤波模块，在模拟滤波模块中除去高频噪声，送入A/D转换模块，转换成数字信号，最后输出给导航计算机解算。

下面取转换单元的X方向的设计对各模块单元进行详细描述。

一、加速度计

惯性导航系统对加速计的性能要求是综合了加速度计本身以及加速计输出转换单元性能后的总体指标。对于一个特定的惯导系统，加速计性能越好，留取的余量越多，对转换单元的性能要求越低；反之，加速度性能较差，留取的余量较少，则对转换单元的性能要求越高。

本设计中采用的石英挠性加速度计为航天科工惯性技术有限公司生产的JN系列，是国内石英挠性加速度计的代表。具体性能指标下。

输入量程 ±25g

偏值＜2mg

标度因数 1.4~1.6mA/g

偏值月综合误差＜10ug

偏值温度系数＜10ug/℃

标度因数月综合误差＜10ppm

二、I/V转换模块

I/V转换模块电路图如图2所示，其中运算放大器U1是高精度，双运放装的运算放大器，每个运放都能提供非常出众的直流性能，它可以的开环增益至少为5V/uV，0.1Hz到10Hz的最大输入等效噪声为0.35uVp-p，所有的直流特性都具有非常高的温度稳定性：零偏电压温漂0.1uV/℃，可以满足惯导系统高精度、低噪声、高稳定性的要求，是转换单元理想的器件选择。U1分为U1A和U1B两部分，分别用与I/V转换模块和滤波器模块，U1引脚4接-15V电压，引脚8接+15V电压。

采样电阻R1跨接在运算放大器U1A的负输入端2脚和输出端1脚，采样电阻R1的精度直接影响采样电路的精度，要取得高精度的电路性能，就要选取高精密度的采样电阻。高精密电阻最重要的指标是稳定度，其次是温度系数等其它指标。R1采用高稳定性的精密电阻，以保证I/V转换模块的精度。电容C1与R1并联，跨接在U1A的负输入端2脚和输出端1脚，电容C1与采样电阻R1组成低通滤波器，用于滤除高频噪声。U1A正输入端3脚加2.5V的参考电压，可提高转换精度，并改变采样后采样电压的直流电平。输出加速度计的输出电流I1由U1A的负输入端输入I/V转换模块，I1经过采样电阻R1转换成电压信号VOUT1，完成I/V转换。采样电压的值为

VOUT1＝-I1×R1 (1)

加速度的值为

α＝K×I1＝-K×VOUT1/R1 (2)

其中：

a-加速度值，

K-加速度计标度因数，

I1-加速度计的输出电流，

VOUT1-I/V转换模块的输出电压，

R1-采样电阻的电阻值。

加速度计的输出电流I1经过I/V转换模块后，将采样电压VOUT1输入到模拟滤波器模块，即U1A的输出端1脚接UIB的正输入端5脚。

三.模拟滤波模块

下面结合图3对模拟滤波模块进行详细说明。

加速度计输出的电流信号I1经过I/V转换模块后，输入到模拟滤波模块。滤波电路噪声的大小与系统带宽均方根成正比，也与选取的元器件密切相关。过窄的动态响应使高频的加速度信号被滤除，对系统性能会产生不利影响；而过宽的动态响应带宽会增加系统噪声。本发明中模拟滤波模块设计为二阶低通滤波电路，如图3所示。输入电压通过R2、R3输入到运算放大器U1B正输入端5脚，电容C2跨接在R2与R3的连接端与U1B的输出端7脚。C3一端接U1B的正输入端5脚，一端接地。R5接在U1B的负输入端6脚和输出端7脚。R4连接U1B的负输入端6脚和地。滤波模块的增益由R4、R5控制，有

K＝1+R5/R4 (3)

截止频率

ω_{0} = \frac{1}{\sqrt{R_{1} C_{1} R_{2} C_{2}}} - - - (4)

I/V转换模块输出的采样电压VOUT1经过模拟滤波模块后输出电压V1，输入到A/D转换模块。

四.A/D转换模块

下面结合图4和图5对A/D转换模块进行详细说明。

采样电压VOUT1经过模拟滤波后得到电压信号V1，然后输入到A/D转换模块，转换成数字信号。

A/D转换模块是整个加速度计输出转换单元的瓶颈，它的性能制约了整个转换单元的性能。选择A/D转换器时，需要着重考虑A/D转换器的直流性能以及线性度。我们选择了凌力尔特(Linear Technology)公司的LTC2445，这是一个8kHz、8通道的24位Δ-∑模数转换器。该转换器可连续地测量并自动消除外部放大器、滤波器和其它用于传感器输出的信号调整电路的所有偏移和漂移误差。使用此转换器可实现完整的校正系统，而无需昂贵的精密组件或复杂的系统硬件以及校正程序就能产生良好的精度。

A/D转换模块电路图如图4所示。U2为A/D转换芯片LTC2445。滤波器模块的输出电压V1由U2的10脚输入，U2的7、9脚接2.5V参考电压，3、28脚接5V电源，18、29脚接5V参考电压，34脚为速度选择信号，36脚接片选信号，37脚为数字信号输出，38时钟输入信号。其中，34、36、37、38脚通过接光电耦合器TPL113隔离，与导航解算计算机通信。

光电耦合器有隔离的功能，加入光电耦合器可防止电路间的干扰，并起到保护电路的作用。图5为光电耦合器电路图。U3、U4、U5、U6为光电耦合器TPL113，其3、4脚接地，6脚接+5V电压。U3的1脚接导航计算机的片选信号，5脚接A/D转换芯片U2的片选端36脚。U4的1脚接导航计算机的时钟信号，5脚接U2的时钟信号端38脚。U5的1脚接导航计算机的速度选择信号，5脚接U2的34脚。U6的1脚接U2的数字输出端37脚，5脚接导航计算机的数字信号输入端。

信号经A/D转换模块后，输出数字信号，可交给导航解算计算机处理。

五、参考电压模块

下面结合图6对参考电压模块进行说明。

需要指出的是由参考电压的精度也影响着加速度计输出转换单元的精度，因此参考电压必须选用高精度的参考电压芯片。本发明中参考电压主要的器件选用凌力尔特公司的LTZ1000及其配置芯片LT1013。

图6是参考电压模块电路图。下面结合图6对参考电压模块进行说明。U7为LTZ1000，U8为LT1013。U7的1脚通过电阻R12与4脚相连。2脚通过二极管D1接地。3脚输出7V参考电压。4脚输出通过电阻R4接地。5脚通过电阻R5与3脚相连。6脚与三个并联电阻R7、R8、R10相连，其中R7另一端接3脚，R8另一端接地，R10另一端接U8的6脚。8脚接R6后与3脚相连。U8的1脚通过D2接U7的3脚。2脚接U7的4脚。3脚接U7的5脚，同时通过C6接地。5脚通过C4接地。6脚接R11后与C5相连，C5另一端接U7的1脚。7脚接R9后接三极管Q1的基极。8脚接15V电压。Q1的集电极接15V电压，发射极接U7的1脚。

下面对本发明的性能测试做一下说明，本发明的性能测试主要是通过噪声、温度稳定性、时间稳定性来测试的。

一、噪声

测试噪声时，输入端接地，连续测试一分钟，将转换的结果送入电脑，用Matlab进行分析，可得到电路总的噪声。本文测试时，直接将电路放在温箱内，温度波动小于0.1℃，基本可忽略温度对电路的影响。图7是数据输出速率在110Hz/s时，测试一分钟后，数据的直方图。图7的横轴是消除零偏后的数据，单位是微伏，纵轴是数据的个数。整组数据的标准差为δ＝0.99uV，也就是说噪声值可以近似认为0.99uVrms。从图中可以看出，直方图形状较好。

二、温度稳定性

测试温度稳定性时，系统输入接地，上电两个小时后开始测试。系统的工作点设在25℃，因此测试温度在20℃到30℃之间变化。将系统放在温控箱中，逐渐将温控箱温度从20℃上到30℃，测试所得曲线图8所示。图8中横轴是测试的温度变化，纵轴是输出的零偏值的变化。由图8可知，零偏从6uV左右变化到16uV左右，变化了10uV，平均大约是1uV/℃。

三、时间稳定性

测试时间稳定性时，将系统置于温控箱内，设置温箱温度为25℃，变化不超过±0.1℃。系统上电后，连续运行24小时，测试曲线如图9所示。图9的横轴是系统运行的时间，单位为小时；纵轴是去除零偏值后，零偏的变化值，单位为微伏。

可见本发明可以达到以下指标：零偏温度系数1uV/℃，零偏24小时稳定性2uV，噪声1uVrms@100Hz/s，可以满足捷联惯导系统中对高精度的加速度计输出转换的要求。

Claims

1、一种捷联惯导加速度计输出转换装置，它包括I/V转换模块、模拟滤波模块、A/D转换模块以及参考电压模块；所述的I/V转换模块将输入的电流信号转换为电压信号并传入模拟滤波模块；模拟滤波模块将电压信号除去高频噪声，并输入A/D转换模块；最终A/D转换模块根据参考电压模块输入的参考电压将电压信号去转换成数字信号。

2、根据权利要求1所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述I/V转换模块主要由运算放大器(U1A)和第一电阻(R1)构成，第一电阻(R1)跨接在运算放大器(U1A)的负输入端和输出端；第一电容(C1)与第一电阻(R1)并联后跨接在运算放大器(U1A)的负输入端和输出端；运算放大器(U1A)正输入端加2.5V的参考电压；输出加速度计的输出电流由运算放大器(U1A)的负输入端输入I/V转换模块，输出电流经过采样电阻转换成电压信号。

3、根据权利要求1或2所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：模拟滤波模块输入电压通过第二电阻(R2)、第三电阻(R3)输入到运算放大器(U1B)正输入端，第二电容(C2)跨接在第二电阻(R2)与第三电阻(R3)的连接端与运算放大器(U1B)的输出端；第三电容(C3)一端接运算放大器(U1B)的正输入端，一端接地；第五电阻(R5)接在运算放大器(U1B)的负输入端和输出端；第四电阻(R4)连接运算放大器(U1B)的负输入端和地。

4、根据权利要求1或2所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述A/D转换模块中选用的是A/D转换芯片LTC2445(U2)；滤波器模块的输出电压由A/D转换芯片LTC2445(U2)的CH1脚输入，COM、CH0脚接2.5V参考电压，EXT、Vcc脚接5V电源，CH5、REF+脚接5V参考电压，SDI脚为速度选择信号，CS脚接片选信号，SDO脚为数字信号输出，SCK时钟输入信号；其中，SDI、CS、SDO、SCK脚通过接光电耦合器TPL113隔离，与导航解算计算机通信。

5、根据权利要求3所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述A/D转换模块中选用的是A/D转换芯片LTC2445(U2)；滤波器模块的输出电压由A/D转换芯片LTC2445(U2)的CH1脚输入，COM、CH0脚接2.5V参考电压，EXT、Vcc脚接5V电源，CH5、REF+脚接5V参考电压，SDI脚为速度选择信号，CS脚接片选信号，SDO脚为数字信号输出，SCK时钟输入信号；其中，SDI、CS、SDO、SCK脚通过接光电耦合器TPL113隔离，与导航解算计算机通信。

6、根据权利要求1或2所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述的参考电压模块中，LTZ1000(U7)的1脚通过第十二电阻(R12)与4脚相连，2脚通过第一二极管(D1)接地，3脚输出7V参考电压，4脚输出通过第四电阻(R4)接地，5脚通过第五电阻(R5)与3脚相连，6脚与三个并联电阻第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)相连，其中第七电阻(R7)另一端接3脚，第八电阻(R8)另一端接地，第十电阻(R10)另一端接LT1013(U8)的INB-脚，8脚接第六电阻(R6)后与3脚相连；LT1013(U8)的OA脚通过第二二极管(D2)接LTZ1000(U7)的3脚，INA-脚接LTZ1000(U7)的4脚，INA+脚接LTZ1000(U7)的5脚，同时通过第六电容(C6)接地，INB+脚通过第四电容(C4)接地，INB-脚接第十一电阻(R11)后与第五电容(C5)相连，第五电容(C5)另一端接LTZ1000(U7)的1脚，OB脚接第九电阻(R9)后接三极管(Q1)的基极，V+脚接15V电压；三极管(Q1)的集电极接15V电压，发射极接LTZ1000(U7)的1脚。

7、根据权利要求3所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述的参考电压模块中，LTZ1000(U7)的1脚通过第十二电阻(R12)与4脚相连，2脚通过第一二极管(D1)接地，3脚输出7V参考电压，4脚输出通过第四电阻(R4)接地，5脚通过第五电阻(R5)与3脚相连，6脚与三个并联电阻第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)相连，其中第七电阻(R7)另一端接3脚，第八电阻(R8)另一端接地，第十电阻(R10)另一端接LT1013(U8)的INB-脚，8脚接第六电阻(R6)后与3脚相连；LT1013(U8)的OA脚通过第二二极管(D2)接LTZ1000(U7)的3脚，INA-脚接LTZ1000(U7)的4脚，INA+脚接LTZ1000(U7)的5脚，同时通过第六电容(C6)接地，INB+脚通过第四电容(C4)接地，INB-脚接第十一电阻(R11)后与第五电容(C5)相连，第五电容(C5)另一端接LTZ1000(U7)的1脚，OB脚接第九电阻(R9)后接三极管(Q1)的基极，V+脚接15V电压；三极管(Q1)的集电极接15V电压，发射极接LTZ1000(U7)的1脚。

8、根据权利要求4所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述的参考电压模块中，LTZ1000(U7)的1脚通过第十二电阻(R12)与4脚相连，2脚通过第一二极管(D1)接地，3脚输出7V参考电压，4脚输出通过第四电阻(R4)接地，5脚通过第五电阻(R5)与3脚相连，6脚与三个并联电阻第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)相连，其中第七电阻(R7)另一端接3脚，第八电阻(R8)另一端接地，第十电阻(R10)另一端接LT1013(U8)的INB-脚，8脚接第六电阻(R6)后与3脚相连；LT1013(U8)的OA脚通过第二二极管(D2)接LTZ1000(U7)的3脚，INA-脚接LTZ1000(U7)的4脚，INA+脚接LTZ1000(U7)的5脚，同时通过第六电容(C6)接地，INB+脚通过第四电容(C4)接地，INB-脚接第十一电阻(R11)后与第五电容(C5)相连，第五电容(C5)另一端接LTZ1000(U7)的1脚，OB脚接第九电阻(R9)后接三极管(Q1)的基极，V+脚接15V电压；三极管(Q1)的集电极接15V电压，发射极接LTZ1000(U7)的1脚。

9、根据权利要求5所述的捷联惯导加速度计输出转换装置，其特征是：所述的参考电压模块中，LTZ1000(U7)的1脚通过第十二电阻(R12)与4脚相连，2脚通过第一二极管(D1)接地，3脚输出7V参考电压，4脚输出通过第四电阻(R4)接地，5脚通过第五电阻(R5)与3脚相连，6脚与三个并联电阻第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)相连，其中第七电阻(R7)另一端接3脚，第八电阻(R8)另一端接地，第十电阻(R10)另一端接LT1013(U8)的INB-脚，8脚接第六电阻(R6)后与3脚相连；LT1013(U8)的OA脚通过第二二极管(D2)接LTZ1000(U7)的3脚，INA-脚接LTZ1000(U7)的4脚，INA+脚接LTZ1000(U7)的5脚，同时通过第六电容(C6)接地，INB+脚通过第四电容(C4)接地，INB-脚接第十一电阻(R11)后与第五电容(C5)相连，第五电容(C5)另一端接LTZ1000(U7)的1脚，OB脚接第九电阻(R9)后接三极管(Q1)的基极，V+脚接15V电压；三极管(Q1)的集电极接15V电压，发射极接LTZ1000(U7)的1脚。