CN113030511A - 一种数字化输出加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种数字化输出加速度计，包括模拟输出模块、数字输出模块和连接器；所述模拟输出模块用于检测加速度并输出模拟加速度信号；所述数字输出模块用于根据所述模拟加速度信号得到数字信号；所述连接器用于将所述数字信号传输至外部数据处理系统，本发明的加速度计能够直接输出加速度数字信号，便于加速度计的测试并能够减小加速度计产品的体积。

Description

一种数字化输出加速度计
技术领域
本发明涉及加速度计技术领域，尤其涉及一种数字化输出加速度计。
背景技术
石英挠性加速度计(简称加速度计)作为惯性测量的重要仪表，具有高精度、高可靠性、适合加速度测量的优点，已在航天、航空、航海和石油等众多领域得到了广泛的应用。
目前，加速度计应用时由于加速度计输出信号为模拟信号，需要专用电路转换成数字信号(脉冲量或数字量)才能被导航计算机等处理系统进行数据处理。加速度计与专用电路组合输出数字信号存在以下问题：一方面，加速度计和专用电路组成加速度计通道，需要对加速度计和专用电路分别进行指标测试，指标分解困难，不利于提高测试精度；另一方面，专用电路体积大，不利于减小产品尺寸与重量。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种数字化输出加速度计，加速度计直接输出加速度数字信号，便于加速度计的测试并能够减小加速度计产品的体积。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种数字化输出加速度计，包括模拟输出模块、数字输出模块和连接器；
所述模拟输出模块用于检测加速度并输出模拟加速度信号；
所述数字输出模块用于根据所述模拟加速度信号得到数字信号；
所述连接器用于将所述数字信号传输至外部数据处理系统。
优选的，进一步包括壳体；
所述模拟输出模块、数字输出模块和连接器固定设置于所述壳体中。
优选的，所述数字输出模块包括采样电路、绝对值电路、电压/频率转换电路和极性输出电路；
所述采样电路用于对所述模拟加速度信号进行采样得到采样信号；
所述绝对值电路用于输出所述采样信号的绝对值信号和极性信号；
所述极性输出电路用于将所述极性信号传输至所述连接器；
所述电压/频率转换电路用于将所述绝对值信号和极性符号转换为频率得到数字信号并传输给所述连接器。
优选的，进一步包括电连接的第一电路板和第二电路板，所述数字输出模块设置于所述第一电路板和所述第二电路板上。
优选的，
所述采样电路和所述绝对值电路设于所述第一电路板上；
所述电压/频率转换电路和极性输出电路设于所述第二电路板上。
优选的，进一步包括壳体，所述第一电路板和所述第二电路板通过胶粘固定在所述壳体中。
优选的，所述第一电路板和第二电路板分别包括位置对应的第一接口和第二接口，所述第一电路板和所述第二电路板通过插接固定在对应的第一接口和第二接口中的插针实现电连接。
优选的，所述模拟输出模块包括前级加速度检测输出电路和加速度计末级输出电路，所述加速度计末级输出电路包括第一电阻器、第二电阻器、第一开关元件、第二开关元件和力矩器线圈；
所述第一电阻器的第一端与高电平连接，第二端与所述第一开关元件的第一端连接；
所述第二电阻器的第一端与低电平连接，第二端与所述第二开关元件的第二端连接；
所述第一开关元件和所述第二开关元件的第二端分别与所述力矩器线圈的力高端连接，所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制端与前级加速度检测输出电路连接，接收加速度检测输出电路的检测信号；
所述力矩器线圈的力低端与所述数字输出模块连接。
优选的，所述采样电路包括第三电阻器；
所述第三电阻器的第一端与所述力矩器线圈的力低端连接，第二端接地。
优选的，所述连接器包括引脚1～引脚11；
其中，引脚1和引脚2与所述数字输出模块连接；
引脚3、引脚4、和引脚5分别连接负电源、正电源和模拟地；
引脚6和引脚7分别连接高电平和数字地；
引脚8与输入时钟信号端连接。
本发明通过将模拟输出模块、数字输出模块和连接器集成在加速度计中，通过模拟输出模块检测设备的加速度并输出模拟的加速度信号，通过数字输出模块将模拟的加速度信号转换为对应的数字信号，然后通过连接器将数字信号传输至外部数据处理系统。本发明的数字化输出加速度计能够直接输出检测的数字信号，而无需额外设置转换电路，从而简化了加速度计产品的指标测试过程，有利于调整并提高测试精度。同时，加速度计产品无需设置大体积的专用电路，可减小加速度计产品的尺寸和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一种数字化输出加速度计一个具体实施例的结构图；
图2示出本发明一种数字化输出加速度计一个具体实施例的部分电路图；
图3示出本发明一种数字化输出加速度计一个具体实施例连接器的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种数字化输出加速度计。如图1所示，本实施例中，数字化输出加速度计包括模拟输出模块1、数字输出模块2和连接器3。其中，所述模拟输出模块1用于检测加速度并输出模拟加速度信号，所述数字输出模块2用于根据所述模拟加速度信号得到数字信号，所述连接器3用于将所述数字信号传输至外部数据处理系统。
本发明通过将模拟输出模块1、数字输出模块2和连接器3集成在加速度计中，通过模拟输出模块1检测设备的加速度并输出模拟的加速度信号，通过数字输出模块2将模拟的加速度信号转换为对应的数字信号，然后通过连接器3将数字信号传输至外部数据处理系统。本发明的数字化输出加速度计能够直接输出检测的数字信号，而无需额外设置转换电路，从而简化了加速度计产品的指标测试过程，有利于调整并提高测试精度。同时，加速度计产品无需设置大体积的专用电路，可减小加速度计产品的尺寸和重量。
在优选的实施方式中，数字化输出加速度计进一步包括壳体。所述模拟输出模块1、数字输出模块2和连接器3可固定设置于所述壳体中，作为一个完整的加速度计直接向外部数据处理系统传输表征加速度的数字信号。
在优选的实施方式中，如图2所示，所述数字输出模块2包括采样电路21、绝对值电路22、电压/频率转换电路23和极性输出电路24。其中，所述采样电路21用于对所述模拟加速度信号进行采样得到采样信号UO。所述绝对值电路22用于输出所述采样信号的绝对值信号|UO|和极性信号。所述极性输出电路24用于将所述极性信号传输至所述连接器3。所述电压/频率转换电路23用于将所述绝对值信号和极性符号转换为频率F得到数字信号并传输给所述连接器3。其中，优选的，电压/频率转换电路23可采用外部时钟驱动的双稳电路。
可以理解的是，在该优选的实施方式中，数字输出模块2通过绝对值方案对原始的加速度计模拟输出模块1输出的模拟加速度信号进行幅值和极性的判断。通过绝对值电路22确定模拟加速度信号的绝对值并输出绝对值信号，以表征模拟加速度信号的幅值，可以表征检测的加速度的大小。对于绝对值电路22，当模拟加速度信号为正时，绝对值电路22相当于一个电压跟随器，而当模拟加速度信号为负时，绝对值电路22相当于一个反相电压跟随器。同时，通过极性输出电路24确定模拟加速度信号的极性，从而可以表征加速度的方向性。需要说明的是，采样电路21、绝对值电路22、电压/频率转换电路23和极性输出电路24可以通过多种电路结构和多种元器件实现，在实际应用中，可根据实际需求确定具体的电路结构，在此不再赘述。
在优选的实施方式中，数字化输出加速度计进一步包括电连接的第一电路板和第二电路板，所述数字输出模块2设置于所述第一电路板和所述第二电路板上。可以理解的是，第一电路板和第二电路板间电连接，可以传输电信号，从而实现数字输出模块2中各元器件间的信号传输。则通过采用第一电路板和第二电路板两块电路板设置数字输出模块2，可以更加适应加速度计产品的内部结构和空间且不影响数字输出模块2的正常工作。
在优选的实施方式中，当数字输出模块2包括采样电路21、绝对值电路22、电压/频率转换电路23和极性输出电路24，并且数字输出模块2设置于所述第一电路板和所述第二电路板上时，优选的可将采样电路21和绝对值电路22设置于第一电路板上，将极性输出电路24和电压/频率转换电路23设置于第二电路板上。则第一电路板上传输和处理的均为模拟信号，第二电路板上传输和处理的均为数字信号，将模拟信号和数字信号的传输和处理分开设置，避免信号之间产生干扰。
在优选的实施方式中，所述第一电路板和第二电路板分别包括位置对应的第一接口和第二接口，所述第一电路板和所述第二电路板通过插接固定在对应的第一接口和第二接口中的插针实现电连接。其中，第一接口和第二接口中的插针可通过焊接方式固定在第一接口和第二接口中。
在一个具体例子中，第一电路板和第二电路板可采用相同直径的圆形电路板，将第一电路板和第二电路板沿竖直方向上下设置，则可在第一电路板和第二电路板上的相同位置分别形成用于电连接的第一接口和第二接口两个电连接接口。进一步的，将一个插针的两端分别焊接固定在第一电路板和第二电路板的第一接口中。同理，将另一个插针的两端分别焊接固定在第二电路板和第二电路板的第二接口中，即实现第一电路板和第二电路板的信号交互传输，形成数字输出模块2，且通过插针焊接电连接第一电路板和第二电路板还能够加强两块电路板的整体的结构强度。其中，第一接口可用作Vcc、GND和VEE等电源接口，第二接口可用作OUT和SIGN IN等信号输入输出接口。
在上述优选的实施方式中，数字化输出加速度计包括壳体，该壳体可用于容置所述模拟输出模块1、数字输出模块2和连接器3。优选的，所述第一电路板和所述第二电路板可通过胶粘的方式固定在所述壳体中。即在第一电路板和第二电路板的四周涂上胶粘剂后，将第一电路板和第二电路板涂胶的区域与壳体的内表面接触并胶粘固定。当然，在实际应用时，也可根据实际需求灵活选择其他固定方式，本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中，本实施例在具有11个引脚的石英挠性加速度计的基础上设计数字化输出加速度计。现有的石英挠性加速度计中，用于输出模拟加速度信号的模拟输出模块1包括前级加速度检测输出电路和加速度计末级输出电路。其中，所述加速度计末级输出电路包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一开关元件T1、第二开关元件T2和力矩器线圈。其中，具体连接关系为：所述第一电阻器R1的第一端与高电平Vcc连接，第二端与所述第一开关元件T1的第一端连接。所述第二电阻器R2的第一端与低电平Vee连接，第二端与所述第二开关元件T2的第二端连接。所述第一开关元件T1和所述第二开关元件T2的第二端分别与所述力矩器线圈的力高端连接，所述第一开关元件T1和所述第二开关元件T2的控制端与前级加速度检测输出电路连接，接收加速度检测输出电路的检测信号。所述力矩器线圈的力低端与所述数字输出模块2连接，在第一开关元件T1和第二开关元件T2控制端检测信号的作用下，输出对应的模拟加速度信号至数字输出模块2。
在优选的实施方式中，可采用电阻分压的方式对输出的模拟加速度信号进行采样，具体的，所述采样电路21包括第三电阻器R3。所述第三电阻器R3的第一端可与所述加速度计末级输出电路力矩器线圈的力低端连接，第二端接地GND。
在优选的实施方式中，连接器3可利用加速度计混合集成电路管座的11个引脚，即连接器3包括引脚1～引脚11共11个引脚。其中，如图3所示，引脚1和引脚2与所述数字输出模块2连接。引脚3、引脚4、和引脚5分别连接负电源、正电源和模拟地。引脚6和引脚7分别连接+5V的高电平和数字地。引脚8与输入时钟信号端连接。具有的，数字输出模块2包括采样电路21、绝对值电路22、电压/频率转换电路23和极性输出电路24。其中，连接器3的引脚1可与电压/频率转换电路23连接，用于输出电压/频率转换电路23得到的数字信号，连接器3的引脚2可与极性输出电路24连接，用于输出极性输出电路24得到的极性信号。连接器3的第三～引脚7可以将外部电源和参考电压引入模拟输出模块1和数字输出模块2为模拟输出模块1和数字输出模块2供电。连接器的引脚8可与外部时钟和电压/频率转换电路23连接，通过引脚8引入时钟信号至电压/频率转换电路23，作为电压/频率转换电路23的外部时钟驱动。
更优选的，连接器3的引脚9～引脚11可用于加速度计中的温度传感器与外部数据处理系统的通信。具体的，连接器3的引脚9可与温度传感器和外部电源连接，引入外部电源为温度传感器供电。连接器3的引脚10可与温度传感器和外部数据处理系统连接，将温度传感器检测的温度信息传输至外部数据处理系统。连接器3的引脚11可与温度传感器和温度信号地连接，为温度传感器提供接地端。
综上，本实施例的数字化输出加速度计在外接时钟频率为256kHz，满量程输出为128kHz，标度因数为12793.45Hz/mA(0.6mA≤I≤9.5mA)和12799.05Hz/mA(-9.5mA≤I≤-0.6mA)，非线性误差为3.38×10-4(0.6mA≤I≤9.5mA)和8.72×10-5(-9.5mA≤I≤-0.6mA)，能够满足加速度计的设计要求，且相对于现有的加速度计产品，本发明的数字加速度计产品的尺寸和重量较小。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种数字化输出加速度计，其特征在于，包括模拟输出模块、数字输出模块和连接器；
所述模拟输出模块用于检测加速度并输出模拟加速度信号；
所述数字输出模块用于根据所述模拟加速度信号得到数字信号；
所述连接器用于将所述数字信号传输至外部数据处理系统。
2.根据权利要求1所述的数字化输出加速度计，其特征在于，进一步包括壳体；
所述模拟输出模块、数字输出模块和连接器固定设置于所述壳体中。
3.根据权利要求1所述的数字化输出加速度计，其特征在于，所述数字输出模块包括采样电路、绝对值电路、电压/频率转换电路和极性输出电路；
所述采样电路用于对所述模拟加速度信号进行采样得到采样信号；
所述绝对值电路用于输出所述采样信号的绝对值信号和极性信号；
所述极性输出电路用于将所述极性信号传输至所述连接器；
所述电压/频率转换电路用于将所述绝对值信号和极性符号转换为频率得到数字信号并传输给所述连接器。
4.根据权利要求3所述的数字化输出加速度计，其特征在于，进一步包括电连接的第一电路板和第二电路板，所述数字输出模块设置于所述第一电路板和所述第二电路板上。
5.根据权利要求4所述的数字化输出加速度计，其特征在于，
所述采样电路和所述绝对值电路设于所述第一电路板上；
所述电压/频率转换电路和极性输出电路设于所述第二电路板上。
6.根据权利要求4所述的数字化输出加速度计，其特征在于，进一步包括壳体，所述第一电路板和所述第二电路板通过胶粘固定在所述壳体中。
7.根据权利要求4-6任一项所述的数字化输出加速度计，其特征在于，所述第一电路板和第二电路板分别包括位置对应的第一接口和第二接口，所述第一电路板和所述第二电路板通过插接固定在对应的第一接口和第二接口中的插针实现电连接。
8.根据权利要求4所述的数字化输出加速度计，其特征在于，所述模拟输出模块包括前级加速度检测输出电路和加速度计末级输出电路，所述加速度计末级输出电路包括第一电阻器、第二电阻器、第一开关元件、第二开关元件和力矩器线圈；
所述第一电阻器的第一端与高电平连接，第二端与所述第一开关元件的第一端连接；
所述第二电阻器的第一端与低电平连接，第二端与所述第二开关元件的第二端连接；
所述第一开关元件和所述第二开关元件的第二端分别与所述力矩器线圈的力高端连接，所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制端与前级加速度检测输出电路连接，接收加速度检测输出电路的检测信号；
所述力矩器线圈的力低端与所述数字输出模块连接。
9.根据权利要求8所述的数字化输出加速度计，其特征在于，所述采样电路包括第三电阻器；
所述第三电阻器的第一端与所述力矩器线圈的力低端连接，第二端接地。
10.根据权利要求1所述的数字化输出加速度计，其特征在于，所述连接器包括引脚1～引脚11；
其中，引脚1和引脚2与所述数字输出模块连接；
引脚3、引脚4、和引脚5分别连接负电源、正电源和模拟地；
引脚6和引脚7分别连接高电平和数字地；
引脚8与输入时钟信号端连接。
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