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一种脉宽双加矩型加速度传感器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉宽双加矩型加速度传感器电路，它包括表头和闭环反馈控制电路，其中，所述闭环反馈控制回路包括差分电容检测电路、数字控制电路、脉宽双加矩反馈回路；所述差分电容检测电路与表头的差分电容传感器相连；数字控制电路接收差分电容检测电路输出的电压量，将电压量转化为数字量，进而产生控制量，再将控制量转化为双路PWM波；脉宽双加矩反馈回路接收双路PWM波，脉宽双加矩反馈回路产生相应的脉动电流，脉动电流加载在表头的力矩器上，力矩器产生相应的反馈力以平衡表头的检测质量块。本发明使用脉宽双加矩反馈回路，克服了脉冲加矩反馈回路动态测量范围不足的缺点，有利于提升脉宽加矩加速度传感器的测量分辨率。

Description

一种脉宽双加矩型加速度传感器电路
技术领域
本发明属于测量仪器技术领域，涉及一种加速度传感器电路，尤其涉及一种脉宽双加矩型加速度传感器电路。
背景技术
加速度传感器又被称为加速度计。加速度传感器是惯性导航、控制检测、倾斜测井、房屋监测等设备中的重要器件，目前已被广泛应用于航天航空以及武器的控制与制导等多个领域之中。加速度传感器的精度直接影响到惯性导航、控制检测等设备的精度，因此提高加速度传感器的性能是提升惯性技术的重要课题内容之一。石英挠性加速度传感器由于质量轻、体积小、灵敏度高的特点是现阶段广泛使用的一款加速度传感器。在早期的惯导系统中，由于模拟加矩方式简单、可靠、成熟，因此多使用模拟加矩方式。但是模拟加矩方式，存在着许多的问题。模拟加矩力矩器的功耗与电流的平方成正比，不同的加速度变化会有不同的反馈电流，这样将会影响温度场的稳定性。温度场的变化将会影响加表的线性度，降低仪表的精度。模拟加矩电路的加速度信号需要通过ADC或者其它数字化设备读入，数据在转化过程中会产生量化误差，量化误差会影响到加速度传感器的测量精度。
全数字化加速度传感器的ADC位于闭环伺服控制回路的内部，系统回路具有较高的误差抑制能力，提高了加速度的读入精度。随着计算机控制技术的不断发展，加速度传感器的数字化方向已经成为加速度传感器发展的主流方向。二元调宽脉冲加矩方案是石英挠性加速度传感器测量控制回路数字化的方案之一，该方案的抗干扰能力强、测量稳定性高，但是该方案存在测量分辨率与测量量程相互制约问题。针对二元调宽脉冲双加矩测量分辨率不足的问题，本发明提出了二元调宽脉冲双加矩测量方案。二元调宽脉冲双加矩数字加速度传感器旨在提高系统的测量分辨率以及系统的整体稳定性，为未来的高精度数字加速度传感器提供可行的测量控制方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于解决二元调宽脉冲加矩加速度传感器动态测量范围不足的问题，提供一种高分辨率脉宽双加矩型加速度传感器电路。
为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：一种脉宽双加矩型加速度传感器电路，所述脉宽双加矩型加速度传感器电路包括表头和闭环反馈控制电路，其中，所述闭环反馈控制回路包括差分电容检测电路、数字控制电路、脉宽双加矩反馈回路；所述差分电容检测电路与表头的差分电容传感器相连，用于检测差分电容传感器的差分电容量，并将差分电容量转化为电压量；数字控制电路接收差分电容检测电路输出的电压量，将电压量转化为数字量，进而产生控制量，再将控制量转化为双路PWM波；脉宽双加矩反馈回路接收双路PWM波，脉宽双加矩反馈回路产生相应的脉动电流，脉动电流加载在表头的力矩器上，力矩器产生相应的反馈力以平衡表头的检测质量块。
进一步的，所述脉宽双加矩反馈回路包括粗加矩反馈回路和精加矩反馈回路；所述数字控制电路的一路PWM波与粗加矩反馈回路相连，另一路PWM波与精加矩反馈回路相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后通过加矩方向H桥与力矩器相连。
进一步的，所述粗加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值大于精加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值。
进一步的，所述粗加矩反馈回路包括共发射极串联反馈大电流恒流源电路、第一单刀双掷模拟开关、第一假负载；所述共发射极串联反馈大电流恒流源电路与第一单刀双掷模拟开关的活动端相连，第一单刀双掷模拟开关的第一固定端与第一假负载相连，第一单刀双掷模拟开关的第二固定端与加矩方向H桥相连。
进一步的，所述精加矩反馈回路包括共发射极串联反馈小电流恒流源电路、第二单刀双掷模拟开关、第二假负载；所述共发射极串联反馈小电流恒流源电路与第二单刀双掷模拟开关的活动端相连，第二单刀双掷模拟开关的第一固定端与第二假负载相连，第二单刀双掷模拟开关的第二固定端与加矩方向H桥相连。
进一步的，所述加矩方向H桥包括第一单刀单掷模拟开关、第二单刀单掷模拟开关、第三单刀单掷模拟开关、第四单刀单掷模拟开关；所述第一单刀单掷模拟开关的一端与第二单刀单掷模拟开关的一端均与力矩器的高端相连，第三单刀单掷模拟开关的一端和第四单刀单掷模拟开关的一端均与力矩器的低端相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后分别与第一单刀单掷模拟开关的另一端和第三单刀单掷模拟开关的另一端相连，第二单刀单掷模拟开关的另一端和第四单刀单掷模拟开关的另一端均接地。
本发明的有益效果是：由于本发明中使用了双路加矩反馈控制回路，相比于单路加矩反馈控制回路，在同样的控制周期内，其动态测量范围扩大为单路加矩反馈控制回路的两倍数量级。现有的时钟频率以及模拟开关速度限制着单路脉冲调宽加矩反馈回路在一个控制周期内实现更大的动态测量范围，脉宽双加矩反馈回路在同样的控制周期内，不提高量化脉冲频率，可以实现测量动态范围的数量级翻倍，从而提高调宽脉冲加矩反馈回路的测量分辨率与测量量程，满足设计高精度高分辨率加速度传感器的要求。
附图说明
图1为脉宽双加矩型加速度传感器电路总体结构框图；
图2为脉宽双加矩型加速度传感器电路表头示意图；
图3为脉宽双加矩型加速度传感器电路双路加矩示意图；
图4为脉宽双加矩型加速度传感器电路加矩方向H桥示意图；
图中：表头11、差分电容检测电路12、数字控制电路13、脉宽双加矩反馈回路14、挠性梁111、摆片112、差分电容传感器113、力矩器114、共发射极串联反馈大电流恒流源电路121、第一单刀双掷模拟开关122、第一假负载123、共发射极串联反馈小电流恒流源电路124、第二单刀双掷模拟开关126、第二假负载125、加矩方向H桥127、粗加矩电流128、精加矩电流129、第一单刀单掷模拟开关132、第二单刀单掷模拟开关133、第三单刀单掷模拟开关136、第四单刀单掷模拟开关137。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种脉宽双加矩型加速度传感器电路，包括表头11和闭环反馈控制电路，其中，所述闭环反馈控制回路包括差分电容检测电路12、数字控制电路13、脉宽双加矩反馈回路14；所述差分电容检测电路12与表头11的差分电容传感器113相连，用于检测差分电容传感器113的差分电容量，并将差分电容量转化为电压量；数字控制电路13接收差分电容检测电路12输出的电压量，将电压量转化为数字量，进而产生控制量，再将控制量转化为双路PWM波；脉宽双加矩反馈回路14接收双路PWM波，脉宽双加矩反馈回路14产生相应的脉动电流，脉动电流加载在表头11的力矩器114上，力矩器114产生相应的反馈力以平衡表头11的检测质量块。
工作状态下，外界加速度沿石英挠性加速度传感器(加速度传感器不限于此)的输入轴作用，引起检测质量块的摆片112产生偏转，进而差分电容传感器113的电容检测值发生变化，如图2所示。差分电容检测电路12(本发明使用的为HJ155差分电容检测芯片，但不限于此)将电容的差值转化为电压变化量，数字控制电路13的模数转换器将电压变化量转化为数字量(本发明使用的ADC为LTC2338，但不限于此)，数字量输入到FPGA(本发明使用的FPGA为Spartan6，但不限于此)，FPGA中的重要数据信号通过UART串口传输到上位机，FPGA中的PID控制算法调制出相应的控制量，控制量转化为双路PWM波，PWM波分别控制粗加矩反馈回路和精加矩反馈回路并产生相应量值的电流，电流加载在力矩器114上，力矩器114产生反作用力以平衡摆片112的惯性力，摆片112重新回到平衡位置，电流值与加速度输入值有一定的标度关系，稳定控制状态下，电流值就代表着加速度输入值。
如图3所示，所述脉宽双加矩反馈回路14包括粗加矩反馈回路和精加矩反馈回路；所述数字控制电路13的一路PWM波与粗加矩反馈回路相连，另一路PWM波与精加矩反馈回路相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后通过加矩方向H桥127与力矩器114相连。所述粗加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值大于精加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值。所述粗加矩反馈回路包括共发射极串联反馈大电流恒流源电路121、第一单刀双掷模拟开关122、第一假负载123；所述共发射极串联反馈大电流恒流源电路121与第一单刀双掷模拟开关122的活动端相连，第一单刀双掷模拟开关122的第一固定端与第一假负载123相连，第一单刀双掷模拟开关122的第二固定端与加矩方向H桥127相连。所述精加矩反馈回路包括共发射极串联反馈小电流恒流源电路124、第二单刀双掷模拟开关126、第二假负载125；所述共发射极串联反馈小电流恒流源电路124与第二单刀双掷模拟开关126的活动端相连，第二单刀双掷模拟开关126的第一固定端与第二假负载125相连，第二单刀双掷模拟开关126的第二固定端与加矩方向H桥127相连。
数字控制电路13产生的粗加矩反馈控制回路PWM波控制着第一单刀双掷开关122，PWM波为高电平时，第一单刀双掷开关122切换共发射极串联反馈大电流恒流源电路121的电流流向加矩方向H桥127，PWM波为低电平时，第一单刀双掷开关122切换共发射极串联反馈大电流恒流源电路121的电流流向第一假负载123；数字控制电路13产生的精加矩反馈控制回路PWM波控制着第二单刀双掷开关126，PWM波为高电平时，第二单刀双掷开关126切换共发射极串联反馈小电流恒流源电路124的电流流向加矩方向H桥127，PWM波为低电平时，第二单刀双掷开关切换共发射极串联反馈小电流恒流源电路124的电流流向第二假负载125。粗加矩反馈控制回路PWM波与精加矩反馈控制回路PWM波一般情况下是不同的，二者的占空比均不大于50％，二者的时序错开半个控制周期，即二者是错开加载在加矩方向H桥127上的。
如图4所示，所述加矩方向H桥127包括第一单刀单掷模拟开关132、第二单刀单掷模拟开关133、第三单刀单掷模拟开关136、第四单刀单掷模拟开关137；所述第一单刀单掷模拟开关132的一端与第二单刀单掷模拟开关133的一端均与力矩器114的高端相连，第三单刀单掷模拟开关136的一端和第四单刀单掷模拟开关137的一端均与力矩器114的低端相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后分别与第一单刀单掷模拟开关132的另一端和第三单刀单掷模拟开关136的另一端相连，第二单刀单掷模拟开关133的另一端和第四单刀单掷模拟开关137的另一端均接地。
当加速度输入为正向时，数字控制电路13产生的方向控制PWM波为高电平，第一单刀单掷开关132、第四单刀单掷开关137导通，第二单刀单掷开关133、第三单刀单掷开关136断开，调制后粗加矩电流128与调制后精加矩电流129正向导通；当加速度输入为负向时，数字控制电路13产生的方向控制PWM波为低电平，第二单刀单掷开关133、第三单刀单掷开关136导通，第一单刀单掷开关132、第四单刀单掷开关137断开，调制后粗加矩电流128与调制后精加矩电流129反向导通。
由于本发明中使用了双路加矩反馈控制回路，相比于单路加矩反馈控制回路，在同样的控制周期内，其动态测量范围扩大为单路加矩反馈控制回路的两倍数量级。现有的时钟频率以及模拟开关速度限制着单路脉冲调宽加矩反馈回路在一个控制周期内实现更大的动态测量范围，脉宽双加矩反馈回路在同样的控制周期内，不提高量化脉冲频率，可以实现测量动态范围的数量级翻倍，从而提高调宽脉冲加矩反馈回路的测量分辨率与测量量程，满足设计高精度高分辨率加速度传感器的要求。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述脉宽双加矩型加速度传感器包括表头(11)和闭环反馈控制电路，其中，所述闭环反馈控制回路包括差分电容检测电路(12)、数字控制电路(13)、脉宽双加矩反馈回路(14)等；所述差分电容检测电路(12)与表头(11)的差分电容传感器(113)相连，用于检测差分电容传感器(113)的差分电容量，并将差分电容量转化为电压量；数字控制电路(13)接收差分电容检测电路(12)输出的电压量，将电压量转化为数字量，进而产生控制量，再将控制量转化为双路PWM波；脉宽双加矩反馈回路(14)接收双路PWM波，脉宽双加矩反馈回路(14)产生相应的脉动电流，脉动电流加载在表头(11)的力矩器(114)上，力矩器(114)产生相应的反馈力以平衡表头(11)的检测质量块。
2.根据权利要求1所述的脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述脉宽双加矩反馈回路(14)包括粗加矩反馈回路和精加矩反馈回路；所述数字控制电路(13)的一路PWM波与粗加矩反馈回路相连，另一路PWM波与精加矩反馈回路相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后通过加矩方向H桥(127)与力矩器(114)相连。
3.根据权利要求2所述的脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述粗加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值大于精加矩反馈回路的恒流源电路的输出电流幅值。
4.根据权利要求2所述的脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述粗加矩反馈回路包括共发射极串联反馈大电流恒流源电路(121)、第一单刀双掷模拟开关(122)、第一假负载(123)；所述共发射极串联反馈大电流恒流源电路(121)与第一单刀双掷模拟开关(122)的活动端相连，第一单刀双掷模拟开关(122)的第一固定端与第一假负载(123)相连，第一单刀双掷模拟开关(122)的第二固定端与加矩方向H桥(127)相连。
5.根据权利要求2所述的脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述精加矩反馈回路包括共发射极串联反馈小电流恒流源电路(124)、第二单刀双掷模拟开关(126)、第二假负载(125)；所述共发射极串联反馈小电流恒流源电路(124)与第二单刀双掷模拟开关(126)的活动端相连，第二单刀双掷模拟开关(126)的第一固定端与第二假负载(125)相连，第二单刀双掷模拟开关(126)的第二固定端与加矩方向H桥(127)相连。
6.根据权利要求2所述的脉宽双加矩型加速度传感器电路，其特征在于：所述加矩方向H桥(127)包括第一单刀单掷模拟开关(132)、第二单刀单掷模拟开关(133)、第三单刀单掷模拟开关(136)、第四单刀单掷模拟开关(137)；所述第一单刀单掷模拟开关(132)的一端与第二单刀单掷模拟开关(133)的一端均与力矩器(114)的高端相连，第三单刀单掷模拟开关(136)的一端和第四单刀单掷模拟开关(137)的一端均与力矩器(114)的低端相连，粗加矩反馈回路的输出电流和精加矩反馈回路的输出电流叠加后分别与第一单刀单掷模拟开关(132)的另一端和第三单刀单掷模拟开关(136)的另一端相连，第二单刀单掷模拟开关(133)的另一端和第四单刀单掷模拟开关(137)的另一端均接地。
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