用于数字闭环加速度计的差动电容检测电路

　　0　引　　言

　　传统的模拟闭环加速度计输出电流信号,要在其后面加上读出电路,把模拟加速度信息转换成数字信息后传给导航计算机。这种方式受限于电路元器件线性度、温度漂移等因素,转换和传输过程中会造成误差积累,使导航系统的整体精度下降,所提供的导航信息可信度降低。并且由于所占空间大,采样时间长。因此有必要设计直接数字输出的数字闭环加速度计。

　　参考数字闭环光纤陀螺原理设计的数字闭环加速度计主要由加速度计表头、差动电容检测电路、A/D转换、数字信号处理、D/A转换几个模块组成,其原理框图如图1所示。

　　其原理为当输入加速度a时,差动电容传感器检测这一变化并产生差动电容变化ΔC。差动电容检测电路将ΔC转换为V输出,经A/D变化后成为数字量,再经过数字信号处理之后传输给导航计算机。此时反馈回路中的数字量经过D/A变换后又变为模拟电流量输送到力矩器,产生反馈力矩与惯性力矩相平衡,使摆片再次恢复到平衡位置。

　　1　差动电容检测电路方案分析

　　差动电容检测电路是整个系统的关键部分,其非线性和分辨率将决定整个系统的精度。常用的调制解调型差动电容检测电路有双载波单路放大电路和单载波双路放大电路[1],由于放大器输入端为虚地点,所以两种电路都具有分布电容对检测影响小的优点[2-3]。双载波电路的缺点是产生两路严格幅值相等、相位相反的载波比较困难;单载波电路的缺点是两路放大器的电路参数很难完全相同,因此容易产生测量误差。通过比较2种电路,这里选用单载波双路放大检测电路,理由为:1)单载波双路放大电路可以由前端的差分放大器和末级放大电路共同提供增益,采用精密的仪表放大器进行差分放大,可有效抑制共模干扰。2)双载波单路放大型电路需要产生两路幅度相等,相位完全相反的高频载波十分困难,如果不能实现两路完全反相的载波,输出将会增加共模变化量,降低测量电路的分辨率和精度。而单载波双路调制型电路需要两路放大器性能参数相同的问题可以通过使用高精度的集成双运放芯片达到需要的对称性来加以解决。3)单载波双路放大电路的等效输入噪声更低[4-5]。

　　2　单路载波调制型检测电路设计

　　电路包括载波信号发生器、电荷放大电路、移相器、相敏解调、低通滤波、稳压放大几个模块,其原理框图如图2所示。

　　2.1　载波信号发生器

　　载波类型选择正弦波,它具有单一的频率成分,基本无失真,可以根据其频率选择合适的运算放大器,降低对运算放大器带宽的要求。载波发生器选用直接数字频率合成器(DDS,Direct DigitalSynthesis)产生正弦波,这是一种根据已有的固定频率高精度时钟信号,采用数字处理模块来产生频率和相位可调的输出信号的技术,它具有波形好,频率稳定度高等优势。