專利名稱：一種用于石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量載體加速度的石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服 電路，屬于檢測電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前石英撓性加速度計(jì)是由表頭機(jī)械部分，模擬伺服電路部分兩部分組成， 其中表頭機(jī)械部分由力矩線圈，石英擺片，上下力矩器組成；而模擬伺服電路 部分由差動電容檢測電路，積分電路，以及跨導(dǎo)補(bǔ)償放大電路組成。其中，有 加速度輸入時(shí)，石英擺片偏離平衡位置，于是表頭機(jī)械部分的差動電容值發(fā)生 變化。模擬伺服電路部分的差動電容檢測電路將差動電容轉(zhuǎn)換為幅值與之對應(yīng) 的電流脈沖，后續(xù)的積分電路和放大電路將電流脈沖轉(zhuǎn)換為直流電流，這一電 流反饋到力矩線圈中，產(chǎn)生的電磁力矩將石英撓性片拉回到無加速度時(shí)的平衡 位置，那么反饋電流的大小就反映了加速度的值。
目前加速度計(jì)采用模擬電流反饋的形式，輸出模擬電流的大小和輸入的加 速度成正比，輸出的模擬電流通過數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，變成脈沖或數(shù)字信號送給導(dǎo) 航計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解算。理論上，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的精度應(yīng)該遠(yuǎn)高于石英撓性 加速度計(jì)的精度，但現(xiàn)實(shí)中遠(yuǎn)沒有達(dá)到這一要求，數(shù)字轉(zhuǎn)換電路精度不高幾乎 成了石英撓性加速度計(jì)系統(tǒng)精度進(jìn)一步提高的瓶頸。目前模擬電流反饋的伺服 電路檢測精度能達(dá)到l(T5g量級，基本能夠滿足中高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)的使用，但
3由于數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的限制，最終得到的精度往往遠(yuǎn)低于這個(gè)量級。
隨著模擬石英撓性加速度計(jì)精度的提高，導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的精度 要求越來越高。現(xiàn)有的數(shù)字轉(zhuǎn)換方案，精度很難高于石英撓性加速度計(jì)的精度， 這樣會造成石英撓性加速度計(jì)精度的浪費(fèi)，使石英撓性加速度計(jì)的高精度失去 意義。
由于石英撓性加速度計(jì)輸出信息是導(dǎo)航系統(tǒng)的最原始測量基準(zhǔn)，大量的計(jì) 算中要使用加速度測量數(shù)據(jù)，其測量誤差會造成誤差積累，同時(shí)由于信息耦合， 還會導(dǎo)致石英撓性加速度計(jì)的數(shù)據(jù)精度在計(jì)算中失去效用，使導(dǎo)航系統(tǒng)的整體 精度下降，所提供的導(dǎo)航信息可信度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路，以克服現(xiàn)有模 擬電流反饋輸出后再經(jīng)過數(shù)字電路轉(zhuǎn)換帶來精度損失問題。具有檢測精度高， 適用范圍廣泛，直接數(shù)字輸出等優(yōu)點(diǎn)。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)該石英撓性加速 度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路包括以下幾個(gè)部分差動電容檢測電路，三角波發(fā)生 電路，前置濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動放大電路、及 數(shù)字信號處理電路。
它們的連接關(guān)系如下
三角波發(fā)生電路輸出的三角波連接到差動電容檢測電路輸入端，差動電容 檢測電路的輸入端連接石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的差動電容，差動電容 檢測電路的輸出端與前置濾波放大電路的輸入端連接，前置濾波放大電路的輸
出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，數(shù)字信號處理電路的輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端，數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)過輸出端連接到導(dǎo)航計(jì)
算機(jī)的輸入端，同時(shí)數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)過輸出端連接到D/A轉(zhuǎn) 換電路的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到驅(qū)動放大電路的輸入端，驅(qū)動 放大電路輸出的反饋電流信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路的輸出端連接到石英撓性加速 度計(jì)表頭機(jī)械部分的力矩線圈的輸入端，力矩線圈的輸出端經(jīng)過電阻接地。
檢測電路的工作過程如下差動電容檢測電路接收來自三角波發(fā)生電路產(chǎn)
生的三角波信號，將檢測到的差分電容c,和q的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的誤差電流1。
輸出，前置濾波放大電路對差動電容檢測電路輸出的誤差電流Ie經(jīng)過轉(zhuǎn)換、濾
波、和放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對前置濾波放大電路的輸出信 號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，數(shù)字信號處理電路對A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的 離散的誤差數(shù)字量進(jìn)行累加后，輸出反饋數(shù)字信號，該反饋數(shù)字信號大小與差 動電容檢測電路輸出的誤差電流AI成正比。該反饋數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路 變?yōu)槟M反饋電壓，模擬反饋電壓經(jīng)過驅(qū)動放大電路轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流信號， 該模擬反饋電流信號作用在石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的力矩器的輸入 端，產(chǎn)生電磁力矩，使石英擺片處于無加速度輸入的平衡位置。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 閉環(huán)工作。另外按照約定的協(xié)議，數(shù)字信號處理電路部分輸出數(shù)字量與導(dǎo)航計(jì) 算機(jī)通信，輸出檢測到的加速度的數(shù)字量。
本發(fā)明和已有技術(shù)的石英撓性加速度計(jì)模擬伺服電路相比，其優(yōu)點(diǎn)在于 由于采用數(shù)字輸出，便于與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)通訊，以滿足實(shí)時(shí)、高 精度、寬動態(tài)范圍應(yīng)用的需求，數(shù)據(jù)輸出格式靈活，為整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)提供了便 利條件。
采用數(shù)字閉環(huán)能夠避免傳統(tǒng)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換帶來的誤差，有效地消除了數(shù) 字轉(zhuǎn)換電路引入的誤差。避免加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的精度損失。采用數(shù)字閉環(huán)的數(shù)字濾波和數(shù)字補(bǔ)償算法靈活，可以更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差 的補(bǔ)償，消除外界環(huán)境變化而引入的誤差。


圖l為原石英撓性加速度計(jì)組成示意圖，包括機(jī)械部分和模擬電路部分
圖2為原石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字化方案示意圖 圖3為數(shù)字閉環(huán)石英撓性加速度計(jì)的示意圖 圖4為差動電容檢測電路的原理圖
圖5為本發(fā)明石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路的結(jié)構(gòu)框圖
圖6為本發(fā)明石英僥性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路中數(shù)字信號處理電 路部分的信號處理流程圖
圖7為本發(fā)明石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路的原理圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
參照圖5，本發(fā)明石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路包括差動電容檢 測電路，前置濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理電路、三角波發(fā)生 電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動放大電路。其中，前置濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電 路、三角波發(fā)生電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動放大電路的型號參數(shù)以及詳細(xì)原理 圖見圖7所示，差動電容檢測電路的詳細(xì)原理圖如圖4所示，數(shù)字信號處理電 路的信號處理流程圖如圖6所示。
差動電容檢測電路接收來自三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的三角波信號，將檢測到的差分電容的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的誤差電流輸出，誤差電流經(jīng)過前置濾波放大電
路，轉(zhuǎn)換為電壓信號，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對前置濾波放大電路 的輸出信號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為離散的誤差數(shù)字量，數(shù)字信號處理電路對輸入的 離散數(shù)字量進(jìn)行累加，輸出反饋數(shù)字信號，反饋數(shù)字信號送至D/A轉(zhuǎn)換電路變 為模擬反饋電壓，該模擬反饋電壓經(jīng)驅(qū)動放大電路后，形成模擬反饋電流信號， 加在石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的力矩器上，產(chǎn)生電磁力矩，使石英擺片 處于無加速度輸入的平衡位置。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)工作。同時(shí)按照約定的協(xié)議，和 采集計(jì)算機(jī)通信，輸出檢測到的加速度的數(shù)字量。
前置濾波放大電路對輸出信號進(jìn)一步放大、轉(zhuǎn)換和濾波，通過前置放大器 放大后的信號，進(jìn)入濾波電路。前置濾波器部分根據(jù)輸入信號和噪聲的頻域分 布特點(diǎn)，對于噪聲進(jìn)行抑制，該部分的目的在于提高信號的信噪比。
A/D轉(zhuǎn)換電路是模擬電路和數(shù)字電路的接口，A/D轉(zhuǎn)換電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯 片采用ADS7835， A/D轉(zhuǎn)換電路將前置濾波放大電路輸出的連續(xù)模擬信號，轉(zhuǎn)換 為離散的數(shù)字信號，提供給后續(xù)的數(shù)字信號處理電路。
數(shù)字信號處理電路是檢測電路的核心，完成的功能有信號的調(diào)制和解調(diào)， 根據(jù)特定的控制算法形成反饋數(shù)字波，送至D/A轉(zhuǎn)換電路變?yōu)槟M反饋波，經(jīng) 驅(qū)動放大電路加在力矩器上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)工作。同時(shí)還要提供時(shí)序信號，協(xié) 調(diào)整個(gè)系統(tǒng)同步工作。同時(shí)按照約定的協(xié)議，和采集計(jì)算機(jī)通信，將數(shù)字量輸 出到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。采用數(shù)字閉環(huán)的方案可以方便靈活的實(shí)現(xiàn)上述功能。
D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路的作用是將數(shù)字信號處理電路形成的反饋數(shù)字信號， 轉(zhuǎn)化為模擬反饋電流信號，加至力矩器。本發(fā)明中D/A轉(zhuǎn)換電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換 芯片為DAC7631， D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬反饋電壓U。，經(jīng)驅(qū)動放大電路變?yōu)槟M反饋電流信號I。。驅(qū)動放大電路采用可控雙向恒流源，它的恒定輸出電流
的大小和方向由外加的電壓控制，反饋電流I-U。/R。，驅(qū)動放大電路接受D/A 輸出的模擬反饋電壓信號，產(chǎn)生與輸入模擬反饋電壓成正比的模擬電流反饋信 號，通過運(yùn)算放大器的輸出端加到石英撓性加速度計(jì)的電磁力矩器R,上形成恢 復(fù)力矩，使石英擺片回到平衡位置。
三角波發(fā)生電路通過數(shù)字電路的輸出數(shù)字三角波，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路后， 轉(zhuǎn)換為模擬三角波，模擬三角波經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大后，輸出滿足需要的三 角波信號，作為差動電容檢測電路的驅(qū)動信號。
通過上述的描述，最終該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對載體加速度的精確測量，同時(shí)能夠輸 出和輸入加速度成正比的數(shù)字信號到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。避免模擬閉環(huán)方案中由于數(shù) 字轉(zhuǎn)換電路帶來的精度損失，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的同時(shí)，直接輸出數(shù)字量到導(dǎo) 航計(jì)算機(jī)，提高系統(tǒng)的精度和抗干擾能力，適用范圍廣泛，能夠滿足實(shí)時(shí)、高 精度、寬動態(tài)范圍應(yīng)用的需求，為整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)提供了便利條件。
權(quán)利要求
1、一種石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路，其特征在于該電路包括以下幾個(gè)部分差動電容檢測電路，三角波發(fā)生電路，前置濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動放大電路、及數(shù)字信號處理電路；三角波發(fā)生電路輸出的三角波連接到差動電容檢測電路輸入端，差動電容檢測電路的輸入端連接石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的差動電容，差動電容檢測電路的輸出端與前置濾波放大電路的輸入端連接，前置濾波放大電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，數(shù)字信號處理電路的輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出端，數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)過輸出端連接到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的輸入端，同時(shí)數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)過輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換電路的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到驅(qū)動放大電路的輸入端，驅(qū)動放大電路輸出的電流信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路的輸出端連接到石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的力矩線圈的輸入端。
全文摘要
一種石英撓性加速度計(jì)的數(shù)字閉環(huán)伺服電路，包括差動電容檢測電路，三角波發(fā)生電路，前置濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動放大電路、及數(shù)字信號處理電路；三角波發(fā)生電路連接差動電容檢測電路輸入端，差動電容檢測電路連接石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的差動電容，差動電容檢測電路與前置濾波放大電路連接，前置濾波放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路相連，數(shù)字信號處理電路連接A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)輸出端連接到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，同時(shí)數(shù)字信號處理電路輸出的數(shù)字量經(jīng)過輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路連接驅(qū)動放大電路，驅(qū)動放大電路輸出的電流信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路的輸出端連接石英撓性加速度計(jì)表頭機(jī)械部分的力矩線圈。
文檔編號G01P15/125GK101592677SQ20091008749
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者周海濤, 晞 張, 張春熹, 琳 李, 李立京, 董全林, 許文淵 申請人:北京航空航天大學(xué)