CN114001734A - 一种惯性导航系统及其i/f采样电路、i/f转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种I/F采样电路，包括积分电路、双极性恒流源和加速度计，所述双极性恒流源和加速度计均与所述积分电路的电流输入端电连接；其特征在于：还包括恒定偏置电流电路，所述恒定偏置电流电路与所述积分电路的电流输入端电连接，所述恒定偏置电流电路等效为1.1‑2个重力加速度的恒流输入。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明通过引入恒定偏置电流电路，使得I/F采样电路的被测信号的工作区间往第一种象限移动，从而实现避开零位死区，提高采样精度的效果。该I/F采样电路主要应用于惯性导航系统，可提高了导航系统全姿态下的I/F采样电路精度，可广泛应用于惯性导航系统，拥有广阔的应用前景。

Description

一种惯性导航系统及其I/F采样电路、I/F转换电路
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，具体涉及一种惯性导航系统及其I/F采样电路。
背景技术
加速度计是惯性导航系统的核心器件，其输出信号为模拟电流，为便于导航计算机对加速度计的输出信号进行采集和数据处理，需采用I/F转换电路，一种将模拟电流转换成数字量频率信号的电路。目前I/F转换电路已经相当成熟，因加速度计输出电流是双极性，故经典的I/F转换电路一般采用双极性恒流源+积分电路+A/D转换电路组合而成。
经典的I/F采样电路如图1所示，该电路通过积分电路将加速度计输出电流信号积分成电压进行采样。在惯性导航系统中三只加速度计成正交安装，通常情况下，有一种加速度计位于天向，其余两只位于水平面，并且位于水平面的加速度计输出电流很小。因此，当单电流输入很小时，经过积分电路后的电压变化缓慢，导致I/F转换电路存在零位死区现象，即当积分电压在0V附近时，对应的输入电流小幅抖动无法被转换电路捕捉。使得惯性导航系统位于水平面的两只加速度计积分电压变化很慢，可能出现长时间位于0V附近的情况，对于惯性导航系统小幅度运动就无法被敏感地测量到，从而影响系统导航测试精度。经典的I/F采样电路的工作区间覆盖了输入电荷量的正负区域。理想的I/F采样曲线在正负区域成线性变化，如图2中虚线所示，而实际的积分电路尤其器件特性等存在零位死区现象，故当输入电荷量位于死区时，测量电压值无法准确反映当前被测系统的运动变化。
发明内容
为解决背景技术中现有惯性导航系统中的I/F转换电路存在零位死区现象，无法测量惯性导航系统小幅度运动，影响系统导航测试精度的问题，本发明提供了一种I/F采样电路，具体技术方案如下。
一种I/F采样电路，包括积分电路、双极性恒流源和加速度计，所述双极性恒流源和加速度计均与所述积分电路的电流输入端电连接；还包括恒定偏置电流电路，所述恒定偏置电流电路与所述积分电路的电流输入端电连接，所述恒定偏置电流电路等效为1.1-2个重力加速度的恒流输入。
由此，通过引入恒定偏置电流电路，使得被测信号的工作区间往第一种象限移动，从而实现避开零位死区，提高采样精度的效果。
优选地，所述恒定偏置电流电路包括偏置电压源和偏置电阻；偏置电压源的输出端与所述偏置电阻的一端电连接，所述偏置电阻的另一端与积分电路的电流输入端电连接。
优选地，所述双极性恒流源与所述积分电路的电流输入端之间还设有第一基础电阻。
优选地，所述加速度计与所述积分电路的电流输入端之间还设有第二基础电阻。
优选地，所述偏置电阻与积分电路的电流输入端之间还设有二极管。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种I/F转换电路，包括上述I/F采样电路，还包括A/D转换电路；所述积分电路的输出端与所述A/D转换电路的输入端电连接。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种惯性导航系统，其特征在于：所述惯性导航系统上述I/F转换电路。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明通过引入恒定偏置电流电路，使得I/F采样电路的被测信号的工作区间往第一种象限移动，从而实现避开零位死区，提高采样精度的效果。该I/F采样电路主要应用于惯性导航系统，可提高了导航系统全姿态下的I/F采样电路精度，可广泛应用于惯性导航系统，拥有广阔的应用前景。
附图说明
图1为现有I/F采样电路的示意图；
图2为通过现有I/F采样电路获取的采样曲线的示意图；
图3为本发明I/F采样电路的示意图；
图4为通过本发明I/F采样电路获取的采样曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参见图3和图4，一种I/F采样电路，包括积分电路、双极性恒流源和加速度计，所述双极性恒流源和加速度计均与所述积分电路的电流输入端电连接。所述双极性恒流源与所述积分电路的电流输入端之间还设有第一基础电阻R0。所述加速度计与所述积分电路的电流输入端之间还设有第二基础电阻R1。
还包括恒定偏置电流电路，所述恒定偏置电流电路与所述积分电路的电流输入端电连接，所述恒定偏置电流电路等效为1.1-2个重力加速度的恒流输入。优选地，所述恒定偏置电流电路等效为1.2个重力加速度的恒流输入。
所述恒定偏置电流电路包括偏置电压源和偏置电阻R2；偏置电压源的输出端与所述偏置电阻R2的一端电连接，所述偏置电阻R2的另一端与积分电路的电流输入端电连接。所述偏置电阻R2与积分电路的电流输入端之间还设有二极管。偏置电压由基准电源芯片生成，R2为精密铂电阻。
IF采样电路的基本原理是电荷平衡，可列出如下公式：
Qk＝Qk-1+ikT
其中Qk为第k次电荷总量，i为当前输入电流，T为采样间隔时间。由于电荷总量无法直接测量，可转换为如下公式：
VkC＝Vk-1C+ikT
其中Vk为第k次测量的积分电压值，C为积分电容值。如果测量到的积分电压超过换向阀值电压(根据AD芯片的测量范围选择，以±10V的测量范围，可设定为±4.5V)，则设计恒流充放电开关电路工作一次，对积分电容设定充分的电荷量Q，使积分电压收缩到阈值范围内，且电压值改变量不能超过阀值电压，避免穿越零位死区。软件同时记录该次充放电操作，如果超过下换向阀值，记整数脉冲n为+1；如果超过上换向阀值，n为-1；如果积分电压没有超过阀值，n为0。所记录的整脉冲数在下次计算时使用，存在如下计算公式：
VkC-Vk-1C+nQ0＝ikT
其中Q0为平均每次充放电的电荷量，n为测量时间内总充放电的次数，将Q0转换为易被测量的电压U0可得如下公式：
ikT＝VkC-Vk-1C+nU0C
对上述公式变形可得：
Figure BDA0003333687240000031
从上述公式可以看出，输入电流ik可以通过容易直接测量的积分电压间接获取。考虑到输入电流ik的值与积分电路的其它参数息息相关，而这些参数不方便直接获取，故设计标定的方式来间接获取，将上述公式变换成如下模式，此时电流ik可以用等效脉冲数N来表示，即：
Figure BDA0003333687240000032
当被测输入电流ik等效为一个重力加速度时，通过调整倍率B的值使等效脉冲数N为标定值(通常设为9000)。这样确定后，在不同的输入电流下，可测得不同的N值，该值与标定值的比值即可获得当前的实际输入电流。
改进后的I/F采样电路在正常工作中，对积分电路一直存在额外输入偏置电流，通过上述公式同样也可获取对应的等效脉冲数Np，故改进后的I/F采样电路的等效脉冲数据计算公式如下：
Figure BDA0003333687240000041
公式中：
N：加表被测电流输入的等效脉冲数；
Vk和Vk-1：表示从积分电路测量到的第k次和第k-1次积分电压；
U0：每次充电或者放电导致积分电压的变化量；
n：充电或者放电的次数，其中充电为正数，放电为负数；
B：倍率，是在标定输入下，N值为设计标定值；
Np：增加的偏置输入的等效脉冲数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种I/F采样电路，包括积分电路、双极性恒流源和加速度计，所述双极性恒流源和加速度计均与所述积分电路的电流输入端电连接；其特征在于：还包括恒定偏置电流电路，所述恒定偏置电流电路与所述积分电路的电流输入端电连接，所述恒定偏置电流电路等效为1.1-2个重力加速度的恒流输入。
2.根据权利要求1所述的I/F采样电路，其特征在于：所述恒定偏置电流电路包括偏置电压源和偏置电阻；偏置电压源的输出端与所述偏置电阻的一端电连接，所述偏置电阻的另一端与积分电路的电流输入端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的I/F采样电路，其特征在于：所述双极性恒流源与所述积分电路的电流输入端之间还设有第一基础电阻。
4.根据权利要求1或2所述的I/F采样电路，其特征在于：所述加速度计与所述积分电路的电流输入端之间还设有第二基础电阻。
5.根据权利要求2所述的I/F采样电路，其特征在于：所述偏置电阻与积分电路的电流输入端之间还设有二极管。
6.一种I/F转换电路，包括如权利要求1-5任一项所述的I/F采样电路，其特征在于：还包括A/D转换电路；所述积分电路的输出端与所述A/D转换电路的输入端电连接。
7.一种惯性导航系统，其特征在于：所述惯性导航系统包括权利要求6所述的I/F转换电路。
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