DSP在加速度计测试中的应用

　　加速度计是航空兵器武器制导系统中的重要部件,产品生产过程中需要对其进行模型方程系数、长期稳定性、温度系数、0 g和1 g稳定性、阀值(分辨率)、0 g和1 g启动重复性等多项性能指标进行测试,从而对产品进行总体性能评估.测试这些性能指标的关键点和难点就是对加速度计输出信号频率进行精确测量.某型号加速度计输出频率范围为0.1 Hz~16 kHz,测试过程采样速率分别为每秒0.1、1、10、100、200、500、1 000、2 000次共八种,采样速率为每秒一次时,测量精度为1×.

　　直接测频法由于存在±1的待测信号误差,无法满足加速度计的测量要求.等精度测量法[122]需要一个高稳定度的时标信号,对于每秒一次的采样速率,当频率测量精度为时,要求时标信号频率为100 MHz.目前市场上频率为100 MHz,准确度为有源晶体的价格约是人民币八千元,而同样准确度,频率为20 MHz有源晶体价格只需要人民币二千元.数字信号处理器( DSP)TMS320VC5402内部的锁相环(PLL)电路,不仅具有倍频功能而且还具有信号提纯功能,通过硬件或软件编程,可将外部输入时钟频率提高1~15倍,DSP的主频时钟信号CLKOUT就是一个高稳定度的时钟源[324].由于DSP具有特殊的锁相环电路,由DSP组成频率测量系统,可以大大降低外部有源时钟频率,从而降低系统成本;另外由于DSP内部具有20位定时/计数器,可方便地实现加速测量时对采样速率的设定功能;DSP数据处理功能与CPLD的逻辑控制功能相结合,是实现加速度计测量系统高速高精度频率测量的最佳组合.

　　1　测量原理

　　测量原理如图1所示.在T0时刻使计数器COUNT0和COUNT1清零,时间闸门T=1,在经放大整形后的待测信号Fx上升沿到来之前Q=0,有门控端的计数器COUNT0和COUNT1均不计数,保持为0.

　　在T1时刻,当Fx上升沿到达,Q=1,计数器门控信号GATE0=GATE1=1,计数器开始计数.随着计数增加,当时间闸门T到达时(T2时刻),T=0,在Fx的下一个上升沿到来之前,Q=1,计数器仍然计数,当Fx下一个上升沿到达时刻(T3时刻),Q=0,计数器门控信号GATE0=GATE1=0,计数器停止计数,同时产生中断INT信号,这时计数器的计数器值分别为Ns、Nx.

　　上述分析的时序如图2所示,由此可得被测信号频率为

　　式中:Nx为COUNT1计数值;Ns为COUNT0计数值;Fs为时标信号频率.

　　2　误差分析

　　由式(1)可知,被测信号频率ΔNx=0,时标信号采用高准确度恒温有源晶体,再通过DSP的PLL倍频,其误差小于,在此可以忽略,根据上面分析ΔNs≤1,则

　　由式(2)可知,测量频率的相对误差与被测信号频率无关,仅与时标信号周期和闸门时间T有关.Fs越高,T越大,测量误差越小,即测量精度越高.对于采样速率每秒一次(时间闸门T=1 s),测频精度δ=时,时标信号频率Fs=100 MHz.当时标信号频率保持不变,采样速率为每秒10、100次时,其测频精度以次降低为.