CN212931460U - 一种高精度车载导航控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种高精度车载导航控制电路，采用2级放大电路的结构对三轴加速度计输出信号进行有源电平调整，可以调节电压增益和匹配阻抗，提高车载导航系统的检测精度；通过设置第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器，可以提高信号处理电路的输入阻抗；第一比例放大器和第一加法器构成2级有源电平调整电路，相比传统的无源电平调整方式，采用有源调整方式调节精度更高，可以有效减小系统误差；第一抗混叠电路、第二抗混叠电路和第三抗混叠电路可有效消除X轴、Y轴和Z轴输出信号中参杂的高频分量，并且其截止频率满足小于或等于0.25倍的采样频率，可有效避免采样过程中数据丢失的情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及车载导航技术领域，尤其涉及一种高精度车载导航控制电路。
背景技术
以全球定位系统(GPS)定位技术为主的车载导航技术飞速发展，但在城市高楼区、立交桥、隧道等特殊地段，GPS的定位信息常常中断或者定位精度大大降低，常采取组合导航技术来补偿GPS定位的缺陷。其中，利用GPS和陀螺仪、加速度计等惯性导航设备组成的车载GPS/DR(航位推算)组合导航系统被广泛使用在车载导航技术领域中。其中，加速度计最差输出范围为1.34V～3.66V，其输出信号与ADC输入电压不匹配，需要通过电平调整方法使其输出信号在ADC输入电压范围内，常用的电平调整方法通过电阻分压方式对电平进行调整，但是分压电阻的精度以及稳定性会直接影响电平调整结果，如果分压电阻的精度不够高，则会带来很大的误差。因此，为了解决上述问题，本实用新型提供一种高精度车载导航控制电路，可调节电压增益和阻抗匹配，提高车载导航定位定位。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种高精度车载导航控制电路，可调节电压增益和阻抗匹配，提高车载导航定位定位。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种高精度车载导航控制电路，其包括控制器、三轴加速度计和信号处理电路，信号处理电路包括第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一抗混叠电路、第二抗混叠电路和第三抗混叠电路；
三轴加速度计的X轴输出端通过依次串联的第一比例放大器、第一加法器和第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接；
三轴加速度计的Y轴输出端通过依次串联的第二比例放大器、第二加法器和第二抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接；
三轴加速度计的Z轴输出端通过依次串联的第三比例放大器、第三加法器和第三抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，第一比例放大器包括：电阻R23-R25和第一运算放大器；
三轴加速度计的X轴输出端通过电阻R23分别与电阻R24的一端以及第一运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R24的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，第一运算放大器的同相输入端通过电阻R25接地，第一运算放大器的输出端通过顺次连接的第一加法器和第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
进一步优选的，第一加法器包括：电阻R26-R29和第二运算放大器；
第一运算放大器的输出端通过电阻R26分别与第二运算放大器的反相输入端和电阻R27的一端电性连接，电阻R27的另一端与第二运算放大器的输出端电性连接，第二运算放大器的同相输入端分别与电阻R28的一端和电阻R29的一端电性连接，电阻R29的另一端接地，电阻R28的另一端与电源电性连接，第二运算放大器的输出端通过第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
进一步优选的，第一抗混叠电路包括：电阻R30、电阻R31、电容C24、电容C23和第三运算放大器；
第二运算放大器的输出端通过电阻R30分别与电阻R31的一端和电容C24的一端电性连接，电容C24的另一端与第三运算放大器的输出端电性连接，电阻R31的另一端分别与电容C23的一端以及第三运算放大器的同相输入端电性连接，第三运算放大器的反相输入端与其输出端电性连接，第三运算放大器的输出端与控制器的模拟输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，信号处理电路还包括第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器；
第一电压跟随器串联在三轴加速度计的X轴输出端与第一比例放大器之间；
第二电压跟随器串联在三轴加速度计的Y轴输出端与第二比例放大器之间；
第三电压跟随器串联在三轴加速度计的Z轴输出端与第三比例放大器之间。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括三轴陀螺仪和三轴磁传感器；
三轴陀螺仪和三轴磁传感器分别与控制器的模拟输入端一一对应电性连接。
进一步优选的，信号处理电路还包括全差分放大器；
三轴陀螺仪通过全差分放大器与控制器的模拟输入端电性连接。
本实用新型的一种高精度车载导航控制电路相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)采用2级放大电路的结构对三轴加速度计输出信号进行有源电平调整，可以调节电压增益和匹配阻抗，提高车载导航系统的检测精度；
(2)通过设置第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器，可以提高信号处理电路的输入阻抗；
(3)第一比例放大器和第一加法器构成2级有源电平调整电路，相比传统的无源电平调整方式，采用有源调整方式调节精度更高，可以有效减小系统误差；
(4)第一抗混叠电路、第二抗混叠电路和第三抗混叠电路可有效消除X轴、Y轴和Z轴输出信号中参杂的高频分量，并且其截止频率满足小于或等于0.25倍的采样频率，可有效避免采样过程中数据丢失的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型一种高精度车载导航控制电路的结构图；
图2为本实用新型一种高精度车载导航控制电路中第一电压跟随器、第一比例放大器、第一加法器和第一抗混叠电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型的一种高精度车载导航控制电路，其包括控制器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器和信号处理电路。
三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器构成MEMS惯性传感器，在GPS失效时，提供辅助定位功能。本实施例中，三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器分别通过信号调理电路与控制器的模拟输入端一一对应电性连接。优选的，三轴加速度计选用ADXL362，三轴陀螺仪选用MAX21000，三轴磁传感器选用HMC5883L。其中，ADXL362是一款高精度、低功耗MEMS型三轴加速度计，三轴分别为X轴、Y轴和Z轴，其输出分别标记为Xout、Yout和Zout，其灵敏度变化范围为940mV/g～1060mV/g，其最差输出范围为1.34V～3.66V，目前，常用的A/D芯片输入电压范围在0-3V，可见，ADXL362输出信号与控制器内部集成的A/D芯片输入电压不匹配，因此，需要通过信号处理电路对其输出信号进行电平调整。
信号处理电路，对三轴加速度计输出信号进行电平调整，使其满足控制器内部集成的A/D芯片输入电压范围。本实施例中，信号处理电路包括第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一抗混叠电路、第二抗混叠电路、第三抗混叠电路和全差分放大器。其中，第一电压跟随器、第一比例放大器、第一加法器和第一抗混叠电路顺次连接构成对三轴加速度计的X轴输出信号调理电路，用于对ADXL362的X轴输出信号进行电平调整；第二电压跟随器、第二比例放大器、第二加法器和第二抗混叠电路顺次连接构成对三轴加速度计的Y轴输出信号调理电路，用于对ADXL362的Y轴输出信号进行电平调整；第三电压跟随器、第三比例放大器、第三加法器和第三抗混叠电路顺次连接构成对三轴加速度计的Z轴输出信号调理电路，用于对ADXL362的Z轴输出信号进行电平调整。为了提高采集精度以及降低控制器的处理数据压力，本实施例中，将X轴输出信号调理电路和Y轴输出信号调理电路以及Z轴输出信号调理电路的结构设置为相同，因此，在此只介绍X轴输出信号调理电路的结构及其工作原理。
第一电压跟随器，用于提高输入阻抗。本实施例中，第一电压跟随器串联在三轴加速度计的X轴输出端与第一比例放大器之间。第一电压跟随器可以采用现有技术实现，在此不再累述。
第一比例放大器，对三轴加速度计输出信号进行放大，使其输出信号幅值在ADC输入电压的幅值范围内。本实施例中，如图2所示，第一比例放大器包括：电阻R23-R25和第一运算放大器；具体的，三轴加速度计的X轴输出端通过电阻R23分别与电阻R24的一端以及第一运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R24的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，第一运算放大器的同相输入端通过电阻R25接地，第一运算放大器的输出端通过顺次连接的第一加法器和第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。其中，本实施例中的第一比例放大器为反相放大器，通过调节电阻R24的阻值，即可调节放大器的倍数。
第一加法器，由于第一比例放大器输出信号其相位并不满足ADC输入电压范围，因此设置第一加法器对第一比例放大器放大的信号进行幅度频移，使其在ADC输入电压范围内。优选的，如图2所示，第一加法器包括：电阻R26-R29和第二运算放大器；具体的，第一运算放大器的输出端通过电阻R26分别与第二运算放大器的反相输入端和电阻R27的一端电性连接，电阻R27的另一端与第二运算放大器的输出端电性连接，第二运算放大器的同相输入端分别与电阻R28的一端和电阻R29的一端电性连接，电阻R29的另一端接地，电阻R28的另一端与电源电性连接，第二运算放大器的输出端通过第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。本实施例中，第一加法器为反相加法器，其与第一比例放大器构成2级放大结构，并且第一加法器可实现与下一级的阻抗匹配使其具备较小的输出阻抗；第一加法器的输出与电阻R27与R26的比值相关，通过调节电阻R27与R26的阻值可以调节第一加法器的输出信号。
第一抗混叠电路，滤除第一加法器输出信号中参杂的大量噪声，抑制采样频率高于0.5倍的高频分量，减少频谱重叠。本实施例中，如图2所示，第一抗混叠电路包括：电阻R30、电阻R31、电容C24、电容C23和第三运算放大器；具体的，第二运算放大器的输出端通过电阻R30分别与电阻R31的一端和电容C24的一端电性连接，电容C24的另一端与第三运算放大器的输出端电性连接，电阻R31的另一端分别与电容C23的一端以及第三运算放大器的同相输入端电性连接，第三运算放大器的反相输入端与其输出端电性连接，第三运算放大器的输出端与控制器的模拟输入端电性连接。本实施例中，电容C24与第三运算放大器构成同相闭环反馈，使得第一抗混叠电路的输入阻抗高，输出阻抗低，并且可以补偿电阻R31和电容C23组成RC网络的能量损耗；为了避免第一抗混叠电路反馈过强或电压增益过高造成自激振荡的现象，本实施例中，第一抗混叠电路的增益在1-3之间；为了避免采样过程中数据丢失的情况，本实施例中，第一抗混叠电路的截止频率满足小于或等于0.25倍的采样频率。
全差分放大器，对三轴陀螺仪输出信号进行差分处理。全差分放大器可以采用现有技术实现，其具有两路对称的反馈电路，可以有效的抑制共模干扰信号，可以采用现有技术实现，在此不再累述。
控制器，可以选用TMS32系列芯片。其中，将三轴加速度计的X轴、Y轴和Z轴与TMS32系列芯片连接的A/D采样引脚分别标记为AD_1、AD_2和AD_3，三轴陀螺仪与TMS32系列芯片连接的A/D采样引脚标记为AD_4，三轴磁传感器与TMS32系列芯片连接的A/D采样引脚标记为AD_5。
本实施例的工作原理为：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器构成MEMS惯性传感器，在GPS失效时，提供辅助定位功能；三轴加速度计检测X、Y和Z轴方向上的加速度信号，并通过X轴输出信号调理电路、Y轴输出信号调理电路和Z轴输出信号调理电路输出对应轴的加速度信号，由于X轴输出信号调理电路、Y轴输出信号调理电路和Z轴输出信号调理电路结构相同，因此在此只介绍X轴输出信号调理电路的工作原理。具体的，三轴加速度计输出的X轴加速度信号首先经过第一电压跟随器提高输入阻抗，然后经过第一比例放大器进行电压放大，再经过第一加法器进行平移，使其输出电压信号满足ADC输入电压范围，第一加法器输出信号通过第一抗混叠电路滤除大量的高频分量，最后输出至控制器的A/D采样引脚。
本实施例的有益效果为：采用2级放大电路的结构对三轴加速度计输出信号进行有源电平调整，可以调节电压增益和匹配阻抗，提高车载导航系统的检测精度；
通过设置第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器，可以提高信号处理电路的输入阻抗；
第一比例放大器和第一加法器构成2级有源电平调整电路，相比传统的无源电平调整方式，采用有源调整方式调节精度更高，可以有效减小系统误差；
第一抗混叠电路、第二抗混叠电路和第三抗混叠电路可有效消除X轴、Y轴和Z轴输出信号中参杂的高频分量，并且其截止频率满足小于或等于0.25倍的采样频率，可有效避免采样过程中数据丢失的情况。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高精度车载导航控制电路，其包括控制器、三轴加速度计和信号处理电路，其特征在于：所述信号处理电路包括第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一抗混叠电路、第二抗混叠电路和第三抗混叠电路；
所述三轴加速度计的X轴输出端通过依次串联的第一比例放大器、第一加法器和第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接；
所述三轴加速度计的Y轴输出端通过依次串联的第二比例放大器、第二加法器和第二抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接；
所述三轴加速度计的Z轴输出端通过依次串联的第三比例放大器、第三加法器和第三抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
2.如权利要求1所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：所述第一比例放大器包括：电阻R23-R25和第一运算放大器；
所述三轴加速度计的X轴输出端通过电阻R23分别与电阻R24的一端以及第一运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R24的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，第一运算放大器的同相输入端通过电阻R25接地，第一运算放大器的输出端通过顺次连接的第一加法器和第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
3.如权利要求2所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：所述第一加法器包括：电阻R26-R29和第二运算放大器；
所述第一运算放大器的输出端通过电阻R26分别与第二运算放大器的反相输入端和电阻R27的一端电性连接，电阻R27的另一端与第二运算放大器的输出端电性连接，第二运算放大器的同相输入端分别与电阻R28的一端和电阻R29的一端电性连接，电阻R29的另一端接地，电阻R28的另一端与电源电性连接，第二运算放大器的输出端通过第一抗混叠电路与控制器的模拟输入端电性连接。
4.如权利要求3所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：所述第一抗混叠电路包括：电阻R30、电阻R31、电容C24、电容C23和第三运算放大器；
所述第二运算放大器的输出端通过电阻R30分别与电阻R31的一端和电容C24的一端电性连接，电容C24的另一端与第三运算放大器的输出端电性连接，电阻R31的另一端分别与电容C23的一端以及第三运算放大器的同相输入端电性连接，第三运算放大器的反相输入端与其输出端电性连接，第三运算放大器的输出端与控制器的模拟输入端电性连接。
5.如权利要求1所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：所述信号处理电路还包括第一电压跟随器、第二电压跟随器和第三电压跟随器；
所述第一电压跟随器串联在三轴加速度计的X轴输出端与第一比例放大器之间；
所述第二电压跟随器串联在三轴加速度计的Y轴输出端与第二比例放大器之间；
所述第三电压跟随器串联在三轴加速度计的Z轴输出端与第三比例放大器之间。
6.如权利要求1所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：还包括三轴陀螺仪和三轴磁传感器；
所述三轴陀螺仪和三轴磁传感器分别与控制器的模拟输入端一一对应电性连接。
7.如权利要求6所述的一种高精度车载导航控制电路，其特征在于：所述信号处理电路还包括全差分放大器；
所述三轴陀螺仪通过全差分放大器与控制器的模拟输入端电性连接。
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| CN202022152383.8U CN212931460U (zh) | 2020-09-27 | 2020-09-27 | 一种高精度车载导航控制电路 |
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| CN202022152383.8U CN212931460U (zh) | 2020-09-27 | 2020-09-27 | 一种高精度车载导航控制电路 |
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| CN (1) | CN212931460U (zh) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113790736A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-14 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种动力调谐陀螺仪安装误差角补偿方法及电路 |
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2020
- 2020-09-27 CN CN202022152383.8U patent/CN212931460U/zh active Active
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| CN113790736A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-14 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种动力调谐陀螺仪安装误差角补偿方法及电路 |
| CN113790736B (zh) * | 2021-08-03 | 2023-10-13 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种动力调谐陀螺仪安装误差角补偿方法及电路 |
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