基于高精度A/D的石英挠性加速度计数据采集的设计

　　0 引言

　　石英挠性加速度计具有高精度，抗干扰能力强的特点，是惯性导航和制导系统中不可缺少的关键器件之一[1]。在惯性导航系统中，需要对加速度计输出的模拟信号进行 A/D 转换，然后进行处理。这是惯性导航系的一个重要组成部分[2]。

　　文中介绍了石英挠性加速度计数据采集系统的设计，采用高精度的 AD7691 对加速度计输出的电压信号进行采集，之后送至FPGA 进行处理、编帧，通过串口输出至导航计算机进行解算。

　　1 系统硬件设计

　　石英挠性加速度计数据采集设计的原理框图见图1。

　　石英挠性加速度计沿 X、Y、Z 三轴相互垂直，加速度计分别输出与沿其输入轴方向的加速度成正比的电流信号，经过信号调理转换为电压信号。由于对数字脉冲串进行传输和解码要比模拟信号精确得多，采用 A/D 转换器将电压信号转换为数字脉冲，由FPGA 进行采集输送至导航计算机进行解算[3]。

　　1. 1 A /D 稳压源电路

　　设计中采集石英挠性加速度计的输出电压需要高精度A/D转换器，而高精度 A/D 转换器的特点需要外部提供稳定的电压基准源。为了维持更为稳定的参考电压，需要将模拟地与数字地分开。设计中采用高精度稳压源 REF5025，该器件的电压精度达到 0. 05%，温度漂移最低能达到3 ppm/℃，电路连接原理图如图2 所示。图2 REF5025 电路连接图REF5025 输入电压为 5 V，经过电压转换后输出稳定的2. 5 V基准电压，是 A / D 理想的参考电压基准源。

　　1. 2 信号调理电路

　　石英挠性加速度计输出的是电流信号，在前置电路中已经对该电流信号进行电压转换，并把转换后的电压值进行 2. 5 V的零位偏置，故在信号调理电路的输入的电压范围是0 ～5 V.

　　设计中，用运算放大器 OPA4340 对加速度计信号进行调理，主要是完成电压跟随器功能，电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，电压跟随后设置一个低通滤波器，可以滤除高频信号对加速度计输出信号的干扰。调理电路连接图如图3 所示。

　　1. 3 A /D 转换电路设计

　　A / D 转换器是数据采集系统的核心部件，负责将模拟量转换为数字量。该系统的 A/D 采样率为 1 kHz，因此采用了高性能逐次逼近型 A/D 转换芯片AD7691，AD7691 是 18 位、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器( ADC) ，与 16 bit 和 18 bit 的单端到差分 ADC 驱动器 ADA4941 - 1 配合使用，组成高精度 A/D转换系统，A/D 转换电路和A/D 驱动电路如图4、图5 所示。

　　设计中，采用VCC为 5V，VIO 为 3. 3 V，参考电压 VREF为2. 5 V，SDI、SCK、SDO、CNV 均与 FPGA 管脚相连，SDI 通过 FP-GA 将它始终置高，A / D 转换信号即 CNV 信号由 FPGA 利用状态机进行分频得到。在 CNV 上升沿，该器件对 IN + 与 IN - 引脚之间的电压差进行采样。IN + 与 IN - 这两个引脚上的电压摆幅通常在 0 V 至 REF 之间、相位相反。采样完成后进入转换阶段，从采样到转化需经过 3. 7 μs.