banner.jpg)
摘要：針對微型慣性測量組合動態(tài)范圍寬、精度高、實時性強的要求，設(shè)計了一種新型的數(shù)據(jù)采集方法，該方法具有精度高、量程寬、速度快的優(yōu)點。著重介紹了這種方法的電路實現(xiàn)，通過跑車試驗，經(jīng)過解算各個姿態(tài)參數(shù)完全符合系統(tǒng)的要求，可廣泛用于彈載姿態(tài)測試和組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。
0 引言
隨著MEMS 技術(shù)的迅速發(fā)展，相應(yīng)的以MEMS 技術(shù)為依托的MIMU 也相應(yīng)的產(chǎn)生，由于MIMU 動態(tài)范圍大、精度高、實時性強等特點，傳統(tǒng)的壓頻轉(zhuǎn)換法（V/F）和流頻轉(zhuǎn)換法（I/F）以 不能適應(yīng)MIMU 的這些特點，而且代價昂貴，電路設(shè)計復(fù)雜。本文設(shè)計了一種新型的數(shù)據(jù)采 集方法，具有精度高、量程寬、速度快的優(yōu)點。
1 系統(tǒng)概述
由于微型慣性測量組合采用的是電壓輸出量，本系統(tǒng)采集過程如下：陀螺儀和加速度計 信號經(jīng)過采樣預(yù)處理后等待進行轉(zhuǎn)換，開始先進行初始化，其中可編程放大器增益預(yù)設(shè)為1， 現(xiàn)場模擬信號經(jīng)LF398 采樣保持放大器送由AD526 構(gòu)成的可編程增益放大器，放大后信號經(jīng) A／D 轉(zhuǎn)換先不送存儲器而是經(jīng)總線送導(dǎo)航計算機。由導(dǎo)航計算機在軟件中判斷此信號是否 應(yīng)該調(diào)整，若不需調(diào)整增益則將此信號值存入存儲器中，否則根據(jù)計算得到的合適增益控制 字，送AD526 調(diào)整增益，再進行A／D 轉(zhuǎn)換井緩存。最后系統(tǒng)通過中斷、DMA 傳輸數(shù)據(jù)給導(dǎo) 航計算機進行姿態(tài)解算，到系統(tǒng)的姿態(tài)信息。采集系統(tǒng)的方框圖如圖1 所示其詳細(xì)電路原理 將分模塊介紹。
1.1 采樣信號預(yù)處理
在慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計的輸出信號具有信號微弱、干擾大、噪音 多等特點，在進行采樣之前必須先進行預(yù)處理。
1.1.1 濾波器設(shè)計
固態(tài)小型慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)計算的依據(jù)是慣性敏感元件的輸出，而其輸出中往住包含 有隨機噪聲，因此需要對敏感元件的輸出進行預(yù)采樣濾波，以削弱高次諧波或頻率較高的干 擾和噪聲，來保證系統(tǒng)的精確度。比較無源濾波電路，由集成運放和RC 網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾 波電路有很多優(yōu)點，我們選擇用有源低通濾波電路進行濾波處埋。最常用的有源濾波電路是 二階壓控電壓電源式和無限增益多路反饋式兩種。前者的反饋引至運放的同相輸入端，如果 參數(shù)不合適將產(chǎn)生自激振蕩，后者的反饋引至運放的反相輸入端，則避免了因通帶電壓放大 倍數(shù)過大而產(chǎn)生自激振蕩，性能穩(wěn)定，所以我們采用后者。因此設(shè)計了一種butterworth 的低通濾波器，我們采用了高精度運算放大器OP491 作為其中的運放而無限增益反饋濾波電 路對信號進行了反相處理，我們在用一個反相比例電路將其再反相回來才是真實信號。
1.1.2 系統(tǒng)信號采樣保持電路
模擬信號進行A／D 轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定地轉(zhuǎn)換時間， 在這個轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變。在這里用到的采樣／保持器是LF398，LF938 是美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的，它由A1、A2 兩個運算放大器、模擬開關(guān)和 開關(guān)驅(qū)動電路、三極管D1 和 D2 構(gòu)成的保護電路等組成。它采用 8 腳雙列直插或金屬管殼 式封裝。
本慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)中，三個陀螺儀和三個加速度計的信號共有六路，這六路信號分別 接入采樣/保持器LF398 的3 引腳。六個LF398 的8 引腳先連在一起都接到CPLD 的引腳，用 來啟動采樣保持。
1.2 系統(tǒng)信號可編程增益放大電路
在本系統(tǒng)中由于陀螺儀的動態(tài)輸出范圍很寬，為了提高系統(tǒng)的分辨率，通常的做法是增 加量化位數(shù)。然而普通的高位A／D 在轉(zhuǎn)換精度和速度上總是難以兼顧，因此有必要設(shè)計低 成本的大動態(tài)范圍高速數(shù)據(jù)采集器。我們可以采用可編程放大器（PGA）先將陀螺儀信號根 據(jù)要求自動調(diào)整到合適A／D 轉(zhuǎn)換的最佳輸入范圍，然后再進行A／D 轉(zhuǎn)換這樣可有效保證在 小信號輸入時的轉(zhuǎn)換精度，擴大了采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
AD652 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一種單端可編程增益放大器，其數(shù)字化可編程二進制 增益從l、2、4、8 到l6，兩片級聯(lián)后可實現(xiàn)二進制增益到32、64、128、256。AD652 內(nèi)部 包括調(diào)漂移BIFET 放大器、激光晶片平衡電阻網(wǎng)絡(luò)、JFET 模擬開關(guān)和TTL 兼容的增益編碼 鎖存器。 本系統(tǒng)采用了兩片AD526 它們級聯(lián)后可實現(xiàn)二進制增益l、2、4、8、16、32、64、128、 256，以滿足系統(tǒng)的寬動態(tài)范圍。
來源：維庫開發(fā)網(wǎng)
