CN111174810A - 一种应用于惯性导航系统的高精度if转换模块 - Google Patents

一种应用于惯性导航系统的高精度if转换模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，包括：测温电路，根据环境温度输出不同电压；DA转换器，其输入端与测温电路的输出电连接；两路基准精密恒流源，每路基准精密恒流源包括两路输入和一路输出，其一路输入接外部恒流源，另一路输入接DA转换器的输出；开关电路，包括两路输入和一路输出，两路输入分别接两路基准精密恒流源的输出；积分比较电路，包括两路输入和两路输出，其一路输入接加速度计的电流信号输出，另一路输入接开关电路的两路输出；逻辑电路，包括两路输入和两路输出，其两路输入分别接积分比较电路的两路输出，其两路输出分别接开关电路的两路控制端。该模块温度系数小、不对称性低、非线性度小、功耗低、体积小。

Description

一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块。
背景技术
在惯性导航系统中，需要将加速度计(简称加表)输出的微弱电流信号转换成数字信号进行信号处理，从而进行导航系统定位定向的数据计算，因此IF转换模块性能的优劣直接决定惯性导航系统的最终精度。
传统IF转换模块采用将IF转换模块局部核心电路放入恒温槽中进行温控的方法来提升IF转换模块的温度系数。该方法能够获得较好的温度系数，但也存在居多缺点：1.稳定时间长，温度稳定需要一定时间；2.功耗大，温控需要消耗大量功率，不适用于功耗要求较高的系统；3.不能补偿对称性，在该方法中由于基准电流源电流固定，因此正负电流源必然存在不对称；4. 调试复杂，数字补偿技术可通过数字方法补偿温度系数和对称性，相对通过改变阻容器件来调整对称性较为简单。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，解决了现有技术的稳定时间长、功耗大、不能补偿对称性、调试复杂等技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，包括：
测温电路，用于根据环境温度输出不同电压；
DA转换器，其输入端与所述测温电路的输出端电连接；
两路基准精密恒流源，每路所述基准精密恒流源包括两路输入和一路输出，其中一路输入接外部恒流源电路，另一路输入接DA转换器的输出端；
开关电路，包括两路输入和一路输出，两路输入分别接两路所述基准精密恒流源的输出；
积分比较电路，包括两路输入和两路输出，其中一路输入接加速度计的电流信号输出，另一路输入接开关电路的两路输出；
逻辑电路，包括两路输入和两路输出，所述逻辑电路的两路输入分别接所述积分比较电路的两路输出，所述逻辑电路的两路输出分别接所述开关电路的两路控制端。
进一步，所述基准精密恒流源包括运算放大电路，所述运算放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的正相输入端连接电压参考源，所述运算放大器的负相输入端通过高精密电阻与所述外部恒流源电路连接，所述运算放大器的输出端连接所述开关电路的输入。
进一步，两路所述基准精密恒流源包括正恒流源与负恒流源，所述正恒流源的输出端与所述负恒流源的输出端分别连接所述开关电路的两路输入。
进一步，所述测温电路包括单片机、温度传感器，所述温度传感器的输出连接所述单片机的输入，所述单片机的SPI输出连接所述DA转换器的输入端，所述DA转换器的输出端与所述基准精密恒流源的输出端并联接入所述开关电路的其中一路输入端；所述单片机中预存有所述基准精密恒流源在不同温度环境下的输出电流曲线，所述单片机将测得的实时温度值代入所述曲线计算出所述基准精密恒流源的偏差电流、并通过所述DA转换器输出补偿电流。
进一步，所述DA转换器的输出端还串联有转换电阻，所述转换电阻的另一端连接所述基准精密恒流源与所述开关电路的节点，所述转换电阻用于将所述DA转换器输出的电压转换为电流。
本发明的有益效果是：惯性导航系统采用本发明的IF转换模块，可通过数字补偿技术提升电流频率转换电路的温度系数以及对称性，相对市面上其它IF转换模块，该设计具有温度系数小、非线性度小、不对称性低、、功耗低、体积小等一系列优势。该转换模块可作为通用模块应用于各种惯性导航系统中，还可应用于重力仪、重力梯度仪等重力测量领域中，适用性强。
附图说明
图1(a)为本发明IF转换模块原理框图；
图1(b)为本发明IF转换模块电路工作原理示意图；
图2为本发明基准精密恒流源原理图；
图3为本发明开关电路原理示意图；
图4为本发明积分比较电路原理图；
图5为本发明IF转换模块逻辑控制部分原理图；
图6为本发明IF转换模块测温部分原理图；
图7为本发明IF转换模块温度系数测试曲线；
图8为本发明IF转换模块非线性度测试曲线；
图9为本发明外观示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1～9所示的一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，包括：
测温电路，用于根据环境温度输出不同电压；
DA转换器，其输入端与所述测温电路的输出端电连接；
两路基准精密恒流源，每路所述基准精密恒流源包括两路输入和一路输出，其中一路输入接外部恒流源电路，另一路输入接DA转换器的输出端；
开关电路，包括两路输入和一路输出，两路输入分别接两路所述基准精密恒流源的输出；
积分比较电路，包括两路输入和两路输出，其中一路输入接加速度计的电流信号输出，另一路输入接开关电路的两路输出；
逻辑电路，包括两路输入和两路输出，所述逻辑电路的两路输入分别接所述积分比较电路的两路输出，所述逻辑电路的两路输出分别接所述开关电路的两路控制端。
如图2所示，所述基准精密恒流源包括运算放大电路，所述运算放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的正相输入端连接电压参考源，所述运算放大器的负相输入端通过高精密电阻与所述外部恒流源电路连接，所述运算放大器的输出端连接所述开关电路的输入。
本实施例中，两路所述基准精密恒流源包括正恒流源与负恒流源，所述正恒流源的输出端与所述负恒流源的输出端分别连接所述开关电路的两路输入。
本实施例中，所述测温电路包括单片机、温度传感器，所述温度传感器的输出连接所述单片机的输入，所述单片机的SPI输出连接所述DA转换器的输入端，所述DA转换器的输出端与所述基准精密恒流源的输出端并联接入所述开关电路的其中一路输入端；所述单片机中预存有所述基准精密恒流源在不同温度环境下的输出电流曲线，所述单片机将测得的实时温度值代入所述曲线计算出所述基准精密恒流源的偏差电流、并通过所述DA转换器输出补偿电流。
本实施例中，所述DA转换器的输出端还串联有转换电阻，所述转换电阻的另一端连接所述基准精密恒流源与所述开关电路的节点，所述转换电阻用于将所述DA转换器输出的电压转换为电流。
现结合附图对本实施例进行进一步说明。
如图1(a)所示为本实施例的应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块原理框图。IF转换模块的基本原理如下：加速度计输出的电流信号进入积分器，当电流积分到一定电荷值后，触发比较器，逻辑电路根据比较器输出逻辑，控制恒流源的通断开关对电流积分器的积分电容C4进行充放电，保持电荷平衡。其中恒流源精度随温度的变化而变化，因此可以拟合出恒流源随温度的变化曲线。单片机通过温度传感器读取当前的实时温度值，并对应当前温度值对应的IF转换模块的输出电流变化，输出不同的补偿数据给DA 转换器，DA转换器的输出电压在转换电阻上产生电流，将该电流输出并补偿到基准精密恒流源的输出端，从而使基准精密恒流源维持恒定的电流输出值。该模块通过敏感基准精密恒流源的温度来调整DA转换器输出电压从而使基准精密恒流源维持恒定输出值，以此来提高IF转换模块的温度稳定性；该模块还可以通过改变基准精密恒流源的输出值大小来提升正负不对称性。
本实施例的电路实现原理如图1(b)所示，If是由正负两路恒流源组成，当加速度计输入的电流为正时，逻辑电路控制负恒流源输入，当加表输入电流为负时，逻辑器件控制正恒流源输入。以加表输出正向电流为例，∑点的电流为加表输出电流I1与恒流源输出电流If之和，即：
Ic＝I1-If，
当忽略∑点的电压U∑时，积分器输出电压Uj0与Ic积分成比：
Uj0＝∫Icdt/C＝∫(I1-If)dt/C
由上式可知积分器输出电压Uj0随着时间上升而降低，当积分器输出电压Uj0达到门限电压下限时，开关电路的S2通道打开，积分器输出电压Uj0迅速上升，经过固定的时间T0后，开关电路的S2通道关闭，积分器输出电压Uj0再次下降至门限电压下限，此时控制开关电路的S2通道的信号就形成一个脉冲信号。加速度计输出电流越大，开关电路的S2通道的开关次数越频繁，形成的脉冲数越多；反之，加速度计输出电流越小，开关电路的S2 通道的开关次数越稀疏，形成的脉冲数越少，由此就可以通过脉冲数来计算加速度计输出电流。当加速度计输出负向电流，逻辑电路控制开关电路的 S1通道的信号也会产生同样的效果。
图2是基准精密恒流源原理图，电压参考源的输出接运算放大器正相输入端，根据运算放大器“虚短”原则，在运算放大器负相输入端产生一个稳定的电压值，运算放大器负相输入端与外部恒流源电路之间连接有高精密电阻 (如图2中的Rs1和Rs2)，以产生恒定的电流信号。可以通过设置高精密电阻大小来调整基准精密恒流源的输出电流，基准精密恒流源输出电流值越大，量程越大。
图3位开关电路原理示意图。图3中芯片A1以及A3为开关芯片，其各包含一个MOSFET，以组成双通道的开关电路。经过运算放大器放大后的基准精密恒流源输出与DA转换器输出的补偿电流并联接入开关电路的输入端，两组基准精密恒流源输出与DA转换器输出的补偿电流分别连接开关电路的两个开关通道的输入端。逻辑电路的输出两个信号分别连接开关电路的控制输入端，分别控制开关电路的两个开关通道的通断。
图4是积分比较电路原理示意图，加速度计输出电流对积分电容C4充放电，比较器输出信号IX_H、IX_L在逻辑电平1和0之间切换并输出给逻辑控制单元进行开关控制。具体的，图4中，积分电路接运算放大器负端的电压被限制到零，当加速度计输出电流为负时，电阻R11和R18之间的电位逐渐升高，IX_H、IX_L电压为高电平，输出逻辑电平“1”；当加速度计输出电流为正时，电阻R11和R18之间的电位逐渐降低，IX_H、IX_L电压为低电平，输出逻辑电平“0”；逻辑电路通过检测IX_H的低电平和IX_L的高电平来实现开关电路对应通道的开关控制。
图5是IF转换模块逻辑控制部分原理图，逻辑采用低功耗的CPLD(型号EPM240T100I5)实现。
图6是IF转换模块测温部分原理图，测温采用单片机(型号C51F340) +数字温度传感器(型号DA18B20)的方式，具有电路结构形式简单、程序简单以及体积小等优点。单片机C51F340的IO口连接数字温度传感器 DA18B20的输出端，以采样实时温度值；单片机C51F340通过SPI模块与 DA转换器连接，将电流补偿数据通过DA转换器输出并补偿到基准精密恒流源的输出，以保证基准精密恒流源的电流输出精度及稳定性。
图7是IF转换模块温度系数测试曲线。温度系数Kt计算方法是：由检测到的常温标度因子、低温标度因子、高温标度因子三者中的最大值max(KTi) 减去最小值min(KTi)，除以常温标度因子K再除以温度范围T计算得到，即：
Figure BDA0002351810530000071
本实施例的IF转换模块温度范围为(-40°,60°)，所以温度范围T的值为 100；由图7得知常温标度因子K为7084，最大值max(KTi)为7084.3，最小值
min(KTi)为7083.7，则由图7的实验数据可计算该模块的温度系数为：
(7084.3-7083.7)/7084/100＝0.9*10-7＜1ppm。
此计算结果证明本实施例的温度系数可以达到1ppm以下。
图8是IF转换模块非线性度测试曲线。非线性度Kn计算方法为：由1mA 到满量程各测试电流分别对应的标度因子的标准差
Figure BDA0002351810530000072
除以 1mA对应的标度因子K计算得到，即：
Figure BDA0002351810530000073
由图8的实验结果可计算非线性度约为8.3ppm，此计算结果远远优于现有技术的非线性度。
图9是IF转换模块模型外观示意图，本实施例中的该模块外观尺寸可做到90*75*15mm3，功耗6W以内，可作为通用模块应用于各种惯性导航系统中，还可应用于重力仪、重力梯度仪等重力测量领域中，适用性强。
工作原理：
加速度计输出的电流信号进入积分器，当电流积分到一定电荷值后，触发比较器，逻辑电路根据比较器输出逻辑，控制恒流源的通断开关对电流积分器的积分电容C4进行充放电，保持电荷平衡。其中恒流源精度随温度的变化而变化，因此可以拟合出恒流源随温度的变化曲线。单片机通过温度传感器读取当前的实时温度值，并对应当前温度值对应的IF转换模块的输出电流变化，输出不同的补偿数据给DA转换器，DA转换器的输出电压在转换电阻上产生电流，将该电流输出并补偿到基准精密恒流源的输出端，从而使基准精密恒流源维持恒定的电流输出值。该模块通过敏感基准精密恒流源的温度来调整DA转换器输出电压从而使基准精密恒流源维持恒定输出值，以此来提高IF转换模块的温度稳定性；该模块还可以通过改变基准精密恒流源的输出值大小来提升正负不对称性。
本实施例的可应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，通过数字补偿技术在不同的温度对基准精密恒流源进行补偿，使得逻辑电路的输出频率保持恒定，从而提升本IF转换模块的温度系数，最终使模块的温度系数可达1ppm以内；采用数字式补偿技术控制基准电流源大小可使得补偿后的对称性达到10ppm以内。
本实施例的可应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，通过采用漏电流小的的积分电路、开关电路、运放电路可以降低IF转换模块的漏电流从而提高IF转换模块的线性度达到15ppm以内。
本实施例的一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，通过采用低功耗的逻辑控制芯片、电源芯片等可降低该模块功耗及缩小体积，在量程±35mA条件下，功耗可控制在6W以内，本实施例的IF转换模块体积较小，模块最终体积可做到90*75*15mm3，可作为通用模块应用于各种惯性导航系统中，还可应用于重力仪、重力梯度仪等重力测量领域中，适用性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于惯性导航系统的高精度IF转换模块，其特征在于，包括：
测温电路，用于根据环境温度输出不同电压；
DA转换器，其输入端与所述测温电路的输出端电连接；
两路基准精密恒流源，每路所述基准精密恒流源包括两路输入和一路输出，其中一路输入接外部恒流源电路，另一路输入接DA转换器的输出端；
开关电路，包括两路输入和一路输出，两路输入分别接两路所述基准精密恒流源的输出；
积分比较电路，包括两路输入和两路输出，其中一路输入接加速度计的电流信号输出，另一路输入接开关电路的两路输出；
逻辑电路，包括两路输入和两路输出，所述逻辑电路的两路输入分别接所述积分比较电路的两路输出，所述逻辑电路的两路输出分别接所述开关电路的两路控制端。
2.根据权利要求1所述的IF转换模块，其特征在于，所述基准精密恒流源包括运算放大电路，所述运算放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的正相输入端连接电压参考源，所述运算放大器的负相输入端通过高精密电阻与所述外部恒流源电路连接，所述运算放大器的输出端连接所述开关电路的输入。
3.根据权利要求1所述的IF转换模块，其特征在于，两路所述基准精密恒流源包括正恒流源与负恒流源，所述正恒流源的输出端与所述负恒流源的输出端分别连接所述开关电路的两路输入。
4.根据权利要求1所述的IF转换模块，其特征在于，所述测温电路包括单片机、温度传感器，所述温度传感器的输出连接所述单片机的输入，所述单片机的SPI输出连接所述DA转换器的输入端，所述DA转换器的输出端与所述基准精密恒流源的输出端并联接入所述开关电路的其中一路输入端；所述单片机中预存有所述基准精密恒流源在不同温度环境下的输出电流曲线，所述单片机将测得的实时温度值代入所述曲线计算出所述基准精密恒流源的偏差电流、并通过所述DA转换器输出补偿电流。
5.根据权利要求1所述的IF转换模块，其特征在于，所述DA转换器的输出端还串联有转换电阻，所述转换电阻的另一端连接所述基准精密恒流源与所述开关电路的节点，所述转换电阻用于将所述DA转换器输出的电压转换为电流。
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