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谐振式微机械加速度计测试平台

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    微加速度计是一种十分重要的力学敏感传感器,是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。微机械传感器一般具有制作成本低廉,功耗小的特点,谐振式微加速度传感器输出准数字频率的特点使其与同类产品相比具有很强的抗干扰性、出色的重复性、稳定性。在信息、环境检测、自动控制、航空航天和国防等领域有着极为广阔的应用前景。文中设计的测试平台对谐振式微加速度计产品的设计开发、性能检测、质量保证有着重要的现实意义。

1 系统需求

    本平台主要针对A lliedS ignal RBA-500型加速度计产品设计,对同类产品具有通用性。文中包含设计的一般思路,可作为类似平台开发的参考。该产品主要有两路数字频率输出信号,配合一路温度传感器输出的修正信号(数字频率信号),依据下列方程可以得到待测的加速度值:

-25) ,T是温度传感器输出。

    由(1)、(2)两式可知由多组已知加速度aα,对应加速度计输出信号fα1、fα2,温度传感器输出信号Tα可获得每只加速度计的温度系数矩阵C0,即完成特定加速度计产品的参数标定。因而大量数据对(a f1 f2 T)是加速度计产品测试的基础。

    综上,完成特定频带数字频率信号的测量及大量测试数据实时存储是该平台的主要任务及目标。

2 前端频率测试单元及数字频率测试方法

2.1 数字频率测量方法介绍

    常用的数字频率测量方法主要有:频率测量法、周期测量法、多周期同步测量法。前两种方法存在误差,精度较差;而多周期同步法无法应用于严格控制采样率的连续定闸门场合。本例中采用如图1所示方法,实现数字频率信号的高精度连续定闸门测量。

    以高稳时钟经DSP分频产生采样时钟fsa,由此信号形成闸门时间T0,记录被测信号fx在闸门内的上升沿个数N0,闸门两端整周期Ti-1、Ti内插入的由高稳晶振倍频而来的高频时基个数Ni-1、Ni及位于闸门内的时基个数ni-1、位于闸门外的时基个数ni。被测频率由下式给出:

    系统采样率受采样时钟fsa控制。fsa由DSP将恒温晶振时钟分频产生,这套系统中,共有1次/秒、10次/秒、100次/秒、1000次/秒等4个档位。

2.2 频率测试方法的FPGA实现

    每一频率通道由三个16位计数器组成一个计数器组,分别用于记录闸门内待测脉冲的上升沿个数N0,临近闸门的单周期待测信号内包含的时基个数Ni-1(Ni),闸门内(外)非整周期内包含的脉冲个数ni-1(ni)。FPGA内部逻辑在闸门信号上升沿过后的第一个待测信号的上升沿读取ni、Ni、N0,并通过DSPHPI口写入DSP内部DARAM。DSP内部保留有上次传送的ni-1、Ni-1,待传输完毕后DSP按(3)式合成最终频率值。以此往复实现数字频率信号的连续测量。

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