高精度加速度计信号变换技术

　　0　引言

　　加速度计是捷联惯导系统中重要的惯性敏感元件,其输出信号通常为模拟量,必须转换成数字量才能与导航计算机通信。随着加速度计分辨率的提高,加速度计的输出信号呈现微弱的特点,加速度测量系统对数据采集电路的精度要求越来越高。因此,设计合适的数据采集电路就显得尤其重要^[3] 。

　　1　技术指标

　　由于加速度计的用途和使用环境不同,对I-F变换电路的技术指标有不同的要求,通常将根据需要进行设计。本文研究的系统应用背景要求实时、高精度、宽动态范围,加速度计的工作范围为10 ^-4~±25 g,具体参数如表1所示。

　　针对加速度计的具体参数设计I-F变换电路的主要技术指标如下:

　　输入电流:0.8μA~±40 mA;

　　非线性:<1×10 ^-4;

　　标度因数:30 000±300 Hz/mA;

　　工作温度范围:-40℃~60℃。

　　2　电路结构和原理

　　2.1　电路结构

　　I-F变换电路由I/V变换电路、方向选择开关、精密恒流电路、积分器、双向比较器、基准电源、触发器和符号判断电路等部分组成。其原理如图1所示。

　　I/V变换电路由高速精密运放和精密电阻组成,输入电流I _in与反馈电阻R ₁进行电压变换,输出电压V_out1的变换关系如下:

　　方向选择开关由模拟开关、高速精密运放和精密电阻组成,它们共同构成两路运算电路,在TTL电平的控制下能够实现输出电压V_out2的等幅换向。高精度恒流源由高精度运放和精密电阻构成,V_out2经恒流源电路产生恒定电流对积分电容C积分产生比较电压V _in。基准电源±2.5 V由集成电压芯片REF1004I-2.5提供。双向比较器由2个相同的比较器A ₁、A ₂构成,其中A ₁的IN+为门限电压U _T1,A ₂的IN-为门限电压U _T2。触发器采用集成双J-K主从触发器,在双向比较器输出信号的控制下产生TTL电平控制方向选择开关。符号判断电路根据输入电流Iin的方向确定脉冲输出门电路的选通。

　　2.2　工作原理

　　加表输出的电流信号I _in经I/V变换变为电压信号V_out1,经过方向选择、恒流模块后还原为I _in与成比例的电流信号KI _in,方向选择开关通过改变Vout2的方向来改变KI _in的方向。KI _in对积分器电容C充电,电容电压UC升高,当大于阈值电压U _T1时,比较器输出发生翻转。同时J-K触发器获得一个触发脉冲,其输出端Q控制方向选择电路,改变KI _in方向,电容器放电,电容电压UC降低,当小于阈值电压U _T1时,比较器输出发生翻转恢复原来状态,这个过程中产生了一个计数脉冲。此时J-K触发器不获得触发脉冲,输出端不发生反转,KI _in方向不变,电容器继续放电,电压UC降低,当小于阈值电压U _T2时,比较器输出发生翻转。同时J-K触发器获得一个触发脉冲,其输出端Q控制方向选择电路,K I _in改变方向,电容器充电,电容电压UC升高,当大于阈值电压U _T2时,比较器输出发生翻转恢复原来状态,这个过程中产生了一个计数脉冲。此时J-K触发器不获得触发脉冲,输出端不发生翻转,KI _in方向不变,电容器继续充电,电压UC升高