高精度加速度计串行数据读出系统研究

　　1 引言

　　惯性导航系统 90%的精度依赖于惯性器件的精度性能, 对于捷联惯导系统, 更是如此。这是因为捷联系统算法误差比平台系统要大一些。加速度计作为惯导系统的心脏, 其测量系统精度性能的优劣直接影响到惯导系统的精度, 加速度计数字读出电路, 作为加速度计测量系统的一部分, 对捷联惯导系统的性能有直接影响。高精度数字读出电路的实现能够将导航计算机从繁杂的传感器信号处理中解放出来, 进行更复杂、精度更高的导航参数计算, 导航系统的信息更新也能更为及时、有效。同时从系统的角度出发, 也可以降低一些对传感器自身性能的要求。本文在应用背景实时、高精度、宽动态范围的要求下, 用TI 公司生产的高精度, 宽动态范围的24 位△- ∑结构的模数转换器 ADS1251 和 Altera 公司的嵌入式现场可编程门阵列产品ACEX 1K 系列中的EPF10K100A, 采取了一系列有效措施使三轴加速度计测量系统达到了量程±20g, 测量精度万分之一,每秒输出40000 个数据的目标。

　　2 系统方案分析

　　A/D 方案的发展是以△- ∑型高精度 A/D 转换器的研制成功为基础的。将△- ∑型 A/D 应用于加速度计输出信号测量, 可以通过新型模数转换器和数字信号处理理论解决“小体积、大动态”的问题。过去使用的 A/D 变换器, 主要有积分型、逐次比较型和并联型三种。积分型主要用于数字多用表, 精度高但速度低,高速化需要大大提高时钟频率, 这不是一种能够满足将来技术发展要求的方法。对于并联型, 设分辨率为n bit, 要使用2n个比较器, 这样可以快速的将输入电压变换成相应的数字码。虽然这种方法速度极快, 但是分辨率在 10bit 以上时, 实现有困难, 硬件规模太大, 成本难以下降。逐次比较型, 内部有一个基准 D/A变换器, 通过二份探索法求一数字码, 使其对应的电压最接近于输入电压, 这种方法是以比较慢的时钟,实现高精度的 A/D 变换, 这种方式关键在于实现 D/A变换器, 用 MOS 集成电路实现时, D/A 变换是用大量的电容构成的, 制造工艺难以实现。

　　为了突破以往的 A/D 变换技术的极限范围, 关键在于保持原有功能和性能的条件下, 减少集成在单片内的模拟电路量。如果取样频率比必需的信号最高频率高得多, 即实现过取样, 那么为防止混叠噪声混入的前置滤波器就只需低阶的简单电路, 单片内模拟电路的比例将会减少。如图 1, △- ∑型 A/D 转换器由△-∑调制器和数字抽取滤波器组成。△- ∑调制器以较高的频率对输入模拟信号进行抽样, 并对两个抽样之间的差值进行低位量化( 常为 1bit), 从而得到用低位数码表示的数字信号—△- ∑码; 数字抽取滤波器对△- ∑进行滤波和下抽取, 得到与奈奎斯特频率相近的数据输出频率。目前, 已经有多个公司可以生产出24Bit 的 A/D 转换器, 并因具有精度高、动态范围大、带内可编程数字滤波等优点而得到广泛应用。24 位 A/D 在IMU 中的应用有广阔的前景。