CN114584145A - 一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法，在现有I/F转换电路基础上额外增加两路比较器；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出没有达到门限值时，判定转换电路输入电流为小电流，处理器执行小电流解算程序；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出达到门限值时，判定转换电路输入电流为大电流，处理器执行大电流解算程序；本发明对于大小电流的解算由两套系统完成，可以保证在小电流输入时转换电路也可在短时间内更新输出，并且转换电路门限电压可设置的较大，不会存在因门限电压设置过小而产生大电流输入时的失真问题。本发明不仅提升了转换电路输出的实时性，而且在保证精度的前提下克服了现有转换电路存在的高分辨率和大量程相互矛盾的问题。

Description

一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法
技术领域
本发明涉及石英挠性加速度计采集电路技术领域，具体涉及一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法。
背景技术
石英挠性加速度计是高精度惯导系统的核心元件，其具有精度高、抗干扰性好等优点。目前，石英挠性加速度计通过输出电流的大小来表示载体加速度的大小，但电流是模拟量无法直接被计算机识别，需要将输出电流转换为数字量。高精度石英挠性加速度计可以输出几μA至几十mA的电流，对转换电路的分辨率和量程提出了更高的要求。目前，高精度石英挠性加速度计主要采用采用A/D转换与I/F转换两种电路对加速度计输出信号进行转换。其中，I/F转换电路具有转换精度高、受温度影响小、误差不累积等优点，但该转换电路存在高分辨率和大量程相互矛盾的问题。A/D转换电路具有功耗低，电路结构简单等优点，但该转换电路存在量化误差，输出噪声大等问题。为了满足潜艇、武器发射车等对高精度惯性导航的需求，设计新的高分辨率大量程I/F转换电路具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法，在不影响I/F转换电路转换大电流的精度下，提高了对于小电流的转换分辨率，克服传统I/F电路存在的高分辨率和大量程相矛盾的问题，该电路具有可转换量程大、分辨率高和实时性好等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法，该方案克服了现有I/F转换电路高分辨率和大量程相互矛盾的问题，其特征在于：在现有I/F转换电路中额外增加了两路比较器；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出没有达到门限值时，判定转换电路输入电流为小电流，处理器执行小电流解算程序；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出达到门限值时，判定转换电路输入电流为大电流，处理器执行大电流解算程序。
作为本发明的进一步方案：所额外新增比较器包括一个正比较器、一个负比较器；其中正比较器的正相输入端接地，反相输入端接电流积分器；负比较器的反相输入端接地，正相输入端接电流积分器；在I/F转换电路中处理器控制额外增加的两个模拟开关和对应的反馈恒流电流源。
作为本发明的进一步方案，具体工作步骤分为大电流解算步骤和小电流解算步骤：
大电流解算步骤：当电流积分器输出电压在时间t内达到了滞回比较器设置的门限电压Uth；对应滞回比较器会输出高电平，处理器中的时间计数器获得电流积分器的输出从0至门限电压Uth的时间t1，通过时间t1和门限电压Uth可以解算出输入电流的大小；处理器接收到滞回比较器输出的高电平后打开对应的模拟开关，对应的恒流反馈电流源使电流积分器放电至零；；
小电流解算步骤：当电流积分器输出电压在时间t内没有达到门限电压Uth，对应滞回比较器皆不输出高电平，应根据正、负比较器的输出判断输入电流的方向，且对应比较器在t时输出电压为Uth1；在t时处理器打开正、负比较器对应的模拟开关，控制对应反馈电流源使电流积分器放电至零，处理器中的时间计数器计算出对应比较器的输出电压从Uth1变成0的时间t2，通过时间t2和对应反馈电流源中电流大小可以解算出输入电流的大小。
作为本发明的进一步方案：所述处理器内时间计数器的计算方法是在处理器内设置两个固定时钟频率的计数器一和计数器二，计数器的工作步骤是；
步骤一、当电流积分器输出电压在时间t内就达到了滞回比较器设置的门限电压Uth；计数器一在积分器输出不为零时开始计数，直到电流积分器输出电压达到门限电压Uth，此时滞回比较器输出高电平使计数器一输出数据并清零，通过处理器输出计数器一的数值即可得到对应的时间t1；
步骤二、当电流积分器输出电压在时间t内没有达到门限电压Uth；计数器一在积分器输出不为零开始计数，直到时间t时仍然没有达到门限电压Uth，计数器一停止计数并清零。计数器二开始计数直到电流积分器输出电压变为0时终止计数并清零，通过处理器输出计数器二的数值即可得到对应的时间t2。
一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路，其外部与石英挠性加速度计1相连接实现电流输入，在其内部电流积分器与处理器7之间设置有正滞回比较器3和负滞回比较器4，在处理器7的控制输出端设置有与正滞回比较器3和负滞回比较器4对应的模拟开关，所述模拟开关控制对应反馈电流源对电流积分器2进行放电，在I/F转换电路中额外设置有正比较器5和负比较器6，在处理器7的控制输出端设置与正比较器5和负比较器6对应的模拟开关，所述模拟开关控制对应反馈电流源对电流积分器进行放电。
作为本发明的进一步方案：所述正比较器5的正相输入端接地，另一端连接电流积分器2；负比较器6的反相输入端接地，另一端连接电流积分器2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以保证在小电流输入时转换电路也可在短时间内更新一个输出，避免了因输入电流过小而导致的长时间无输出从而产生的转换电路对小电流分辨率不高的问题，并且滞回比较器门限电压可设置的比较大，不会存在因门限电压设置过小而产生大电流输入时的失真问题，不仅保证了转换电路的输出实时性，而且可以在保证精度的前提下克服了现有转换电路存在的高分辨率和大量程相互矛盾的问题。
附图说明
图1为现有I/F转换电路中门限电压设置过大时的电流积分示意图；
图2为现有I/F转换电路中门限电压设置过小时的电流积分示意图；
图3为本发明的电路结构布局示意图；
图4为本发明中计数器一的时间计算示意图；
图5为本发明中计数器二的时间计算示意图。
图中：1、石英挠性加速度计；2、电流积分器；3、正滞回比较器；4、负滞回比较器；5、正比较器；6、负比较器；7、处理器；8、模拟开关一；9、恒流电流源一；10、模拟开关二；11、恒流电流源二；12、模拟开关三；13、恒流电流源三；14、模拟开关四；15、恒流电流源四；
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。
请参阅图1-5，本实施例提供一种具体的运算过程以便于更直观理解本技术方案；
石英挠性加速度计是高精度惯导系统的核心元件，其具有精度高、抗干扰性好等优点。目前，石英挠性加速度计通过输出电流的大小来表示载体加速度的大小，但电流是模拟量无法直接被计算机识别，需要将输出电流转换为数字量。高精度石英挠性加速度计可以输出几μA至几十mA的电流，对转换电路的分辨率和量程提出了更高的要求。
现有技术有以下3个方案：
A/D转换方案：采用高性能的A/D转换芯片来进行模数转换以获得较高的精度和线性度，但由于其需要对前端的电流信号调理到A/D转换器要求的输入信号，会有一定的噪声耦合，并且会舍去低位的噪声位数，使得有效位数会小于标称的位数。并且受限于国内高性能A/D转换芯片的制造水平，我国对于高性能的A/D转换芯片大多依赖于进口，并且常常受到发达国家的禁运。
V/F转换方案：先把电流信号放大并转换为电压信号，再用V/F转换为频率信号。该电路具有结构简单，电路的单元独立性强，调试方便的特点，但电流转换电压的过程中会引入噪声误差，V/F转换无法像A/D转换一样采用多种方式去减小噪声误差的影响，会使得电路稳定性较差。
I/F转换方案：通过积分电路将电流信号转换为一个与门限电压比较的信号，得到有效的逻辑控制信号，去控制所需的恒定反馈电流源的电流到输入端，其特点是电路稳定性好，有较强的抗干扰能力，受温度影响小、误差不累积，但存在高分辨率和大量程相互矛盾的问题。
本实施例是基于现有I/F转换方案设计的，改进后的方案能克服现有I/F转换方案中高分辨率和大量程相互矛盾的问题。
本实施例主要解决高精度石英挠性加速度计转换电路无法克服转换中“大量程和高分辨率”相矛盾的问题。现有技术中主流的I/F转换电路使用滞回比较器来判断积分器输出是否达到门限电压，当把门限电压设置的偏大时，大电流可以在计算机要求的时间t内积分到门限电压，可以通过计数时间解算出输入电流，假设计算机要求时间t>100us，图1中在100us时电流积分器输出电压达到门限电压，可以通过积分器积分100us达到门限电压解算出输入电流；但小电流需要在相当长的时间里才能积分到门限电压，该时间内I/F转换电路无法产生输出，计算机无法更新解算的输入电流，会使电路失去实时性(见附图1)，即当小电流时，当t1大于规定时间t时，电流积分器输出电压仍然达不到门限电压，处理器无法在计算机要求的规定时间t内为计算机提供解算触发信号。当把阈值电压设置的偏小时，小电流就可以在规定时间t(此时在100us就达到门限电压)内无失真的积分到门限电压值；由于门限电压设置的过小，且电流不会突变，当加速度输出大电流时，电流上升的过程中积分器输出已积分到门限电压，处理器开始为计算机提供解算触发信号，导致测量大电流时电路输出产生失真(大电流输入在积分电压上的表现形式可能是弧线)，导致在测量大电流时影响精度(见附图2)。
目前主流的I/F转换电路由一个电流积分器2、一对正、负滞回比较器(3、4)、一块FPGA(即处理器7)、两个模拟开关和反馈恒流电流源组成(8、9、10、11)，本实施例如附图3所示在此基础上加入了一个正比较器5、一个负比较器6(正负比较器的正反相输入端分别接地，另一端接积分器输出)、两个模拟开关和恒流反馈电流源(12、13、14、15)，此时只要电流积分器2输出不为零，正、负比较器(5、6)就必有一个比较器输出为高电平。
具体的，图3中包括电流积分器2和石英挠性加速度计1；在电流积分器2与处理器7之间设置有正滞回比较器3、负滞回比较器4、正比较器5和负比较器6，在处理器7的控制输出端设置模拟开关，该模拟开关控制对应反馈电流源对电流积分器2进行放电。
其中模拟开关一8和恒流电流源一9用于正滞回比较器3输出高电平时对电流积分器2进行放电；模拟开关二10和恒流电流源11用于正比较器5输出高电平时对电流积分器2进行放电；模拟开关三12和恒流电流源13用于负比较器6输出高电平时对电流积分器2进行放电；模拟开关四14和恒流电流源15用于负滞回比较器4输出高电平时对电流积分器2进行放电；
之后为处理器编写程序为：只要检测到正、负比较器的其中一个输出高电平计数器一就开始计数(如图4所示)，此时分两种情况：
①如果积分器2输出电压在500us以内就达到滞回比较器设置的门限电压，此时滞回比较器输出高电平，处理器7接收到高电平后输出计数器一所计数据n1，并且打开此滞回比较器所对应的模拟开关，恒流反馈电流源就会给积分器放电至零，通过解算计数器一所输出的数据可得输入电流的大小。例如：正电流输入时，处理器选用50MHZ晶振时钟，电流积分器选用0.2uF的积分电容，正滞回比较器3门限电压设置为12V和0V，当计数器一计数为500时滞回比较器输出高电平，数据n1输出为500，即t1＝100us(即t1＝n1/频率)，再根据公式
Figure BDA0003530692430000071
代入得
Figure BDA0003530692430000072
得出输入电流为24mA。
②如果在500us时滞回比较器皆不输出高电平，那么在500us时，即计数器一计数为25000(如图5所示，此时计数器一的数值n1＝500×50＝25000)，可以根据正负比较器的输出判断输入电流的方向，此时处理器7打开对应的模拟开关控制反馈电流源给积分电容放电，此时计数器一停止工作，计数器二开始工作，当把积分电压放到0时，原本输出高电平的比较器输出低电平，此时计数器二输出所计数据n2，若计数器二所计数据n2为1000即t2＝20us(t2＝n2/频率)，所用恒流反馈电流源为5mA，因为反馈电流反馈时输入电流也在持续输入，所以根据电荷守恒公式反馈电流×反馈时间＝输入电流×(输入时间+反馈时间)可得20×10-6×5×10-3＝i×(500+20)×10-6得出输入电流i＝200uA。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路设计方法，该方法克服了现有I/F转换电路高分辨率和大量程相互矛盾的问题，其特征在于：在现有I/F转换电路中额外增加了两路比较器；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出没有达到门限电压值时，判定转换电路输入电流为小电流，处理器执行小电流解算程序；在时间t内I/F转换电路中电流积分器输出达到门限电压值时，判定转换电路输入电流为大电流，处理器执行大电流解算程序，门限电压值大小不应超过运放的供电电压。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路的设计方法，其特征在于：所额外增加的两路比较器包括一个正比较器、一个负比较器；正比较器的正相输入端接地，反相输入端接电流积分器；负比较器的反相输入端接地，正相输入端接电流积分器；在I/F转换电路中处理器控制额外增加的两个模拟开关和对应的反馈恒流电流源，所额外增加的模拟开关控制端与处理器输出端相连，两侧开关端分别与加速度计输出端和反馈恒流电流源输出端相连。。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路的设计方法，其特征在于具体电流解算步骤分为大电流解算步骤和小电流解算步骤：
大电流解算步骤：当电流积分器输出电压在时间t内达到了滞回比较器设置的门限电压Uth，对应滞回比较器输出高电平，处理器中的时间计数器获得电流积分器的输出从0升至门限电压Uth的时间t1，通过时间t1和门限电压Uth可以解算出输入电流的大小；处理器接收到滞回比较器输出的高电平后打开对应的模拟开关，对应的恒流反馈电流源使电流积分器放电至零；
小电流解算步骤：当电流积分器输出电压在时间t内没有达到门限电压Uth，对应滞回比较器不输出高电平，应根据正、负比较器的输出判断输入电流的方向，且对应比较器在t时输出电压为Uth1；在t时处理器打开正、负比较器对应的模拟开关，控制对应反馈电流源使电流积分器放电至零，处理器中的时间计数器计算出对应比较器的输出电压从Uth1变成0的时间t2，通过时间t2和对应反馈电流源中电流大小可以解算出输入电流的大小。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路的设计方法，其特征在于：所述处理器中的时间计数器的计算方法是在处理器内设置两个固定时钟频率的计数器一和计数器二，计数器的工作步骤是：
步骤一、当电流积分器输出电压在时间t内就达到了滞回比较器设置的门限电压Uth；计数器一在积分器输出不为零时开始计数，直到电流积分器输出电压达到门限电压Uth，此时滞回比较器输出高电平使计数器输出数据并清零，通过处理器输出计数器一的数值即可得到对应的时间t1；
步骤二、当电流积分器输出电压在规定时间t内没有达到门限电压Uth；计数器一以积分器输出不为零开始计数，直到规定时间t时仍然没有达到门限电压Uth，计数器一停止计数并清零。计数器二开始计数直到电流积分器输出电压变为0时终止计数并清零，通过处理器输出计数器二的数值即可得到对应的时间t2。
5.一种高分辨率大量程石英挠性加速度计采集电路，其外部与石英挠性加速度计1相连接实现电流输入，在其内部电流积分器2与处理器7之间设置有正滞回比较器3和负滞回比较器4，在处理器7的控制输出端设置有与正滞回比较器3和负滞回比较器4对应的模拟开关，所述模拟开关控制对应反馈电流源对电流积分器2进行放电，其特征在于：在正滞回比较器3和负滞回比较器4上额外设置有正比较器5和负比较器6，在处理器7的控制输出端设置有与正比较器5和负比较器6对应的模拟开关，所述模拟开关控制对应反馈电流源对电流积分器2进行放电。
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