CN115856355A - 一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 - Google Patents
一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115856355A CN115856355A CN202211524832.4A CN202211524832A CN115856355A CN 115856355 A CN115856355 A CN 115856355A CN 202211524832 A CN202211524832 A CN 202211524832A CN 115856355 A CN115856355 A CN 115856355A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- digital
- pcap
- capacitance measuring
- logic device
- quartz
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，包括石英挠性加速度计表头、PCap数字电容测量芯片、数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口，以及这些电路组成的电路板。PCap数字电容测量芯片获得差动电容比值，通过SPI接口在数字逻辑器件中形成电容测量数字量；数字逻辑器件通过计算得到控制量，产生脉冲密度调制波形，形成控制所需对应的电流，直接驱动表头力矩线圈；数字逻辑器件将控制量转换为加速度数字量，通过数字通讯接口输出，以此实现全数字形式的加速度测量。本发明采用全数字电路，真正实现全数字化的高精度石英加速度计，特别在体积、功耗和易用性上具有优势。
Description
技术领域
本发明属于测量传感器领域，尤其涉及一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计。
背景技术
石英挠性加速度计是目前惯性导航和控制检测系统中不可或缺的关键器件，由于其体积小、重量轻、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点，已经成为中高精度加速度计中的主流产品。传统石英挠性加速度计采用模拟电流反馈电路与传感器表头结合一体的形式，伺服电路输出的模拟电流大小和输入加速度正比即形成表征，在现代导航计算及数字控制系统中，一般来说，还必须将模拟电流通过数字转换电路得到数字量，从而进行处理。然而，模拟伺服电路和数字转换电路不仅在体积重量上带来了很大的开销，而且使得整个惯性导航装置内部线路复杂，极易降低可靠性。
为此，将传统的石英挠性加速度计开发成一种体积开销小且是全数字化的加速度传感器具有极其重要的意义。全数字化石英加速度计的方案已经有很多研究团队提出，并付诸工程实践，然而，此前所提出的数字石英加速度计，基本上都是按照原有的模拟闭环电路原理将控制系统实现数字化，其中含有AD转换器、DA转换器、及运放等，不仅硬件开销上颇费，而且由于器件增多，功耗也增大，精度更加难以保证。所以，发展一种结构简单且能够具有全数字特征的石英加速度计，具有显见的技术优势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，克服普通模拟石英挠性加速度计数字化需要大量硬件开销的问题，直接在原位上实现全数字化的形式。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，包括石英挠性加速度计表头；所述石英挠性加速度计表头包括表头敏感电容和表头力矩线圈；
还包括：
PCap数字电容测量芯片、数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口，以及由这些电路组成的电路板；
所述PCap数字电容测量芯片连接加速度计表头的差动电容测量端，所述数字逻辑器件与所述PCap数字电容测量芯片通过SPI通讯连接，所述数字逻辑器件与所述数字通讯接口通过UART通讯连接；所述数字逻辑器件与所述表头力矩线圈之间通过所述数字控制开关连接；
所述PCap数字电容测量芯片获得石英挠性表头的差动电容比值，通过SPI接口在所述数字逻辑器件中形成电容测量数字量；所述数字逻辑器件通过计算得到控制量，产生脉冲密度调制波形，形成控制所需对应的电流，直接驱动所述表头力矩线圈；所述数字逻辑器件将所述控制量转换为加速度数字量，通过数字通讯接口输出，以此实现全数字形式的加速度测量。
进一步地，所述数字逻辑器件为FPGA或CPLD。
进一步地，所述表头力矩线圈的脉冲密度调制波形为FPGA的IO口直接驱动输出，IO口的电平幅值由所述数字逻辑器件中所使用管脚对应的Bank供电电压决定。
进一步地，所述PCap数字电容测量芯片为ACAM公司的单芯片数字电容传感器，具有30kHz以上的数据输出率，以使全数字石英加速度计实现加速度测量动态闭环控制。
进一步地，所述数字逻辑器件通过控制所述数字控制开关的切换，改变所述表头力矩线圈的电流方向。
进一步地，所述全数字石英加速度计采用3.0～3.6V的单电源低压供电。
本发明的有益效果如下：
本发明采用PCap数字电容测量元件、数字逻辑器件和数字控制开关及数字通讯接口，组成全数字化石英挠性加速度计测控电路，并且与石英挠性加速度计表头进行结构组合，且仅采用单电源低压供电，实现一体化全数字石英加速度计。由于PCap数字电容测量元件的电容测量精度高，且控制系统采用脉冲密度调制驱动表头力矩线圈的形式，传递环节精炼，因此，在保持传统石英加速度计精度好的特征下，可以具有体积小、重量轻、功耗低的特点；而且全数字化的优势，更利于现代导航设备的使用。
附图说明
图1为本发明一个实施例的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计的电路示意图。
图2为本发明的一个实施例的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计的结构示意图。
图中，石英挠性加速度计表头1，PCap数字电容测量芯片2，由数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口组成的电路板3，接插件4，加速度计上表壳5。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计的一个实施例，包括石英挠性加速度计表头；石英挠性加速度计表头包括表头敏感电容和表头力矩线圈；以及，PCap数字电容测量芯片、数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口，及由这些电路组成的电路板；
PCap数字电容测量芯片连接加速度计表头的差动电容测量端，数字逻辑器件与数字电容测量芯片通过spi通讯连接，数字逻辑器件与数字通讯接口通过UART通讯连接；数字逻辑器件与表头力矩线圈之间通过数字控制开关连接。
PCap数字电容测量芯片获得石英挠性表头的差动电容比值，通过SPI接口在数字逻辑器件中形成电容测量数字量；数字逻辑器件通过计算得到控制量，产生脉冲密度调制(PDM)波形，形成控制所需对应的电流，直接驱动表头力矩线圈；数字逻辑器件将控制量转换为加速度数字量，通过数字通讯接口输出，以此实现全数字形式的加速度测量。
其中，数字逻辑器件可以选用为FPGA或CPLD。表头力矩线圈的脉冲密度调制波形为FPGA的IO口直接驱动输出，IO口的电平幅值由数字逻辑器件中所使用管脚对应的Bank供电电压决定。PCap电容测量元件优选ACAM公司的单芯片数字电容传感器，具有30kHz以上的数据输出率，以使系统可以实现加速度动态闭环控制。
另外，为了得到正负电流驱动效果，采用数字控制开关，数字逻辑器件通过控制数字控制开关的切换，改变表头力矩线圈的电流方向。如图1所示，采用两个数字控制开关，两个开关的公共端分别连接表头力矩线圈的两端，可切换端均分别接密度调制信号端口和信号地，通过翻转控制信号的切换，使得表头力矩线圈中的电流方向得到切换。
全数字石英加速度计采用3.0～3.6V的单电源低压供电，数字控制开关亦能在3.0～3.6V电压下工作，考虑到表头力矩线圈大多在100～110欧姆之间，在理想状态下，全数字石英加速度计可以实现±30g的加速度测量量程，且常态下功耗大大低于传统石英加速度计。
如图2所示，为本发明一个实施例的全数字石英加速度计的硬件形式，可完全兼容传统石英挠性加速度计表头，其中，PCap数字电容测量芯片2、数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口都集成在一个电路板3上，且整个全数字石英加速度计内部设计一个插接件4。另外，增加一个加速度计上表壳5，实现将PCap数字电容测量芯片2、电路板3和接插件4与石英挠性加速度计表头1形成一体式封装。由于PCap数字电容测量芯片2仅4mm×4mm，数字逻辑器件也可采用5mm×5mm以内，因本发明的电路部分供电简单，其电路规模甚至小于模拟伺服电路部分，更不用提原有的数字化部分。因此，如图2所示，电路部分可以完全贴装在表头固定槽内，而通过接插件，整个传感器可以非常可靠地与其他系统连接，包括外部供电和数字通讯。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，包括石英挠性加速度计表头；所述石英挠性加速度计表头包括表头敏感电容和表头力矩线圈；其特征在于，还包括：
PCap数字电容测量芯片、数字逻辑器件、数字控制开关及数字通讯接口，及由这些电路组成的电路板；
所述PCap数字电容测量芯片连接加速度计表头的差动电容测量端，所述数字逻辑器件与所述PCap数字电容测量芯片通过SPI通讯连接，所述数字逻辑器件与所述数字通讯接口通过UART通讯连接；所述数字逻辑器件与所述表头力矩线圈之间通过所述数字控制开关连接；
所述PCap数字电容测量芯片获得石英挠性表头的差动电容比值，通过SPI接口在所述数字逻辑器件中形成电容测量数字量；所述数字逻辑器件通过计算得到控制量，产生脉冲密度调制波形，形成控制所需对应的电流，直接驱动所述表头力矩线圈；所述数字逻辑器件将所述控制量转换为加速度数字量，通过数字通讯接口输出，以此实现全数字形式的加速度测量。
2.根据权利要求1所述的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，其特征在于，所述数字逻辑器件为FPGA或CPLD。
3.根据权利要求1所述的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，其特征在于，所述表头力矩线圈的脉冲密度调制波形为FPGA的IO口直接驱动输出，IO口的电平幅值由所述数字逻辑器件中所使用管脚对应的Bank供电电压决定。
4.根据权利要求1所述的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，其特征在于，所述PCap数字电容测量芯片为ACAM公司的单芯片数字电容传感器，具有30kHz以上的数据输出率，以使全数字石英加速度计实现加速度测量动态闭环控制。
5.根据权利要求1所述的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，其特征在于，所述数字逻辑器件通过控制所述数字控制开关的切换，改变所述表头力矩线圈的电流方向。
6.根据权利要求1所述的基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计，其特征在于，所述全数字石英加速度计采用3.0～3.6V的单电源低压供电。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211524832.4A CN115856355A (zh) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211524832.4A CN115856355A (zh) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115856355A true CN115856355A (zh) | 2023-03-28 |
Family
ID=85668560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211524832.4A Pending CN115856355A (zh) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115856355A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116972839A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 湖南天羿领航科技有限公司 | 嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法 |
-
2022
- 2022-11-30 CN CN202211524832.4A patent/CN115856355A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116972839A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 湖南天羿领航科技有限公司 | 嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法 |
| CN116972839B (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-26 | 湖南天羿领航科技有限公司 | 嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115856355A (zh) | 一种基于PCap电容测量元件的全数字石英加速度计 | |
| CN205981227U (zh) | 基于c8051f064单片机的imu信号采集系统 | |
| CN102064819B (zh) | 一种高精度带隔离的i/v变换电路 | |
| CN211234441U (zh) | 一种双轴陀螺仪惯性传感器 | |
| CN201947245U (zh) | 带隔离的i/v变换电路 | |
| CN108534926A (zh) | 用于道路路基内部的压力监测装置 | |
| CN202940789U (zh) | 一种频率电流隔离转换模块 | |
| CN202956210U (zh) | 基于单线连接的温度传感器电路结构 | |
| CN211856874U (zh) | 一种基于计量单元的剩余电流互感器测量及异常检测电路 | |
| CN113790837A (zh) | 一种新型数字电位器的压力检测电路 | |
| CN103308240B (zh) | 一种基于工业485总线的高精度数字气压测量电路 | |
| CN208238726U (zh) | 一种高精度的测量和显示位移的光纤传感装置 | |
| CN110955172A (zh) | 一种带输出自检测功能的电隔离型0mA-20mA驱动电路 | |
| CN201805281U (zh) | 一种应用于工业ups的远程监控器 | |
| CN218444013U (zh) | 一种基于lora通信的高速采集文丘里多参数计量装置 | |
| CN208334477U (zh) | 用于无人船低电压返航的电压传感器电路 | |
| CN212785317U (zh) | 一种4-20mA电流环电路 | |
| CN112198368B (zh) | 一种电动汽车绝缘电阻检测电路及方法 | |
| CN209623938U (zh) | 一种汽车空调用数显压力表 | |
| CN218825252U (zh) | 一种集成can通信的单手柄控制板 | |
| CN201476872U (zh) | 一体化振动变送器 | |
| CN213152010U (zh) | Mems电容式加速度传感器输出补偿电路 | |
| CN220583528U (zh) | 渠系末端水位淤泥量尺 | |
| CN216310036U (zh) | 一种高精度编码器输出转换电路 | |
| CN2055253U (zh) | 精密恒流源式热电阻温度变送器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |