石英加速度计数据采集系统设计

　　0　引言

　　加速度计是惯性导航系统的重要组成部分,针对某型号训练平台系统加速度计工作寿命低,且制造、维修费用较高,无法满足部队训练要求,提出了用“石英挠性加速度计+光纤陀螺”来替代原有气浮陀螺加速度计及气浮陀螺的仿真方案。本文主要就石英加速度计数据采集电路的设计进行论述。

　　1　系统总体方案设计

　　图1为石英加速度计的工作原理图,其采用电流输出方式,这使得输出信号具有抗干扰能力强,线损耗误差小和便于做断线检测等优点。但其标度因数仅为1·6~1·8mA/g,因此输出的为一微弱电流信号。为了不使加速度计的信息淹没在噪声中,提高采集精度,设计系统总体结构框图如图2所示。

　　通过精密电阻采样将加速度计直接输出的电流信号转换为电压信号;经滤波偏置电路将加速度计输出的微弱信号放大到使ADC能够分辨和接受的输入电压范围;最后将采样数据送DSP进一步处理。系统主要包括硬件与软件两大部分,分别加以讨论。

　　2　硬件电路设计

　　2·1　系统误差分析

　　整个电路属于开环回路,因此系统抗干扰能力比较差。相对而言,数字电路部分抗干扰能力较强,影响采集精度的主要是模拟回路部分。而影响测量精度的误差包括系统误差和随机　误差。随机误差受不确定因素的影响,一般情况下可认为是叠加在信号上的白噪声,通过频域的硬、软件滤波可以将其消除,而对于复杂的有色噪声,可以经更复杂的滤波或相关技术进一步提高信噪比。系统误差则是系统设计原理上的缺陷,或确定性因素影响所导致的叠加在有用信号上的噪声。可以通过分析设计原理、提高模型精度等方法,找出具体量值或规律在软硬件上加以补偿和消除。可见,要想提高测量系统的精度,必须提高每个环节的精度,方能满足要求。下面具体讨论各个环节的设计。

　　2·2　高精度采样电阻

　　采样电阻的精度及大小直接影响系统的精度,设计中采用精密的金属膜高精度电阻,其温度特性为1ppm/℃,精度为0·01%,电流噪声小于0·25VRMS,电压系数小于0·1ppm/V,除温度外其它对精度的影响可以忽略不计。综合考虑加速度计的标度因素、偏置滤波电路的设计、以及AD芯片的输入量程,阻值大小选用1k。

　　2·3　滤波电路设计

　　为了提高数据采集精度,设计滤波电路抑制干扰。系统干扰源主要是交流电的干扰、白噪声的干扰以及电磁波的干扰等,结合加速度计的频带特性,设计低通滤波电路。考虑到加速度计的频带特性,我们选用运算放大器构建四阶巴特沃思滤波器。此处我们选用VCVS (压控电压源)低通滤波器实现四阶巴特沃思滤波器[1]。通过低通滤波器使得系统高频噪声迅速衰减,有效地抑制干扰,提高了信噪比,同时它又可以压缩频带,限制到小于A/D转换的折叠频率以内,以免引起频率折叠的“假象信号”。