捷联系统中加速度计的信号采集

    0　引　　言

    捷联式惯性导航系统是一种依靠固联在载体上的惯性器件(加速度计、陀螺仪)来获得绝对加速度,然后通过两次积分得到载体在一个相对坐标系中的位置,从而达到导航目的的一种“自主式导航系统”.相对于平台式惯导系统而言,去掉了平台惯导系统中的实体惯性平台而代之以存储在计算机里的“数学平台”.“数学平台”建立的基础是陀螺和加速度计(加表)的输出信号.加速度计作为一种敏感载体加速度的测量元件,要求能够达到小到10^-5g,大到几个g的测量范围^[1,2].为了能实时地获得高分辨率的加表信号,建立准确的“数学平台”,对系统中采集加表信号的模数转换器的精度、测量范围和实时性都提出了很高的要求.这样高的要求,对于常用的模拟/数字转换(A/D)采样,即使采用了高速、高精度的16位A/D转换器也不能满足捷联系统的动态范围;若采用电荷平衡式电流/频率转换(I/f)方法,由于捷联系统实时性的要求,在使用时,受其自身转换速度的限制,在动态范围和分辨率方面也不能满足其要求.为此,文中提出了在捷联系统中采用模拟数字转换(A/D)和电流/频率转换(I/f)结合使用的思想,设计了一种高速、高精度、大量程的数据采集方法I/f+A/D.

    1　I/f+A/D采集方法的电路设计和分析

    I/f+A/D采集方法的原理图如图1所示.图中,两个虚线框中分别显示I/f和A/D两种方法.由于I/f转换是这种采集方法的基础,文中将从I/f的原理出发,来介绍这种采集方法.I/f转换的理论依据是电荷平衡,通过电流积分器来实现.电流积分器原理图如图2所示,图中C为积分电容.加表输出的电流信号作为积分器的输入电流i.I_c为外加的恒定电流.设i在时间T1内注入积分器的电荷Q₁;i和I_c共同作用的时间为T2,它们注入积分器的电荷为Q₂,则

式中:f为频率;f_p为频标频率.

    以上即为I/f转换的原理[3],图1中I/f原理图就实现了这种转换,但在I/f采样中,频标频率受到恒流源充放电的限制,目前,最快只能达到64 kHz.而且,系统在小信号输出的情况下,电荷需要积累很长时间,才会产生一个计数脉冲,这段时间是系统的采样盲区,将没有任何信号输出.因此,单纯的采用I/f转换,系统的分辨率很低,在采样点处的精度不高.鉴于以上考虑,在积分电容后,结合使用A/D采样.积分电容电压达到比较电压后产生的脉冲由I/f采得,没有达到比较电压时由A/D采得,将A/D采样值经过解算转换成脉冲个数(为小数),然后和计数器所记录的脉冲个数(为整数)一起作为系统的采样脉冲数,进行系统解算.从而达到提高采样分辨率和采样精度的目的.