資料振動傳感器的中文說明

第1總體方案口，以便掌握整個系統(tǒng)的工作。路，模擬信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理電路，通信接口和供電電源。傳調(diào)理感 傳感器理部器部分信分號 溫度補(bǔ)償

信號放大 抗混疊濾波 AD輸入緩沖電源數(shù)處據(jù)理 SCI/SPI通信接采部 口集分

DSP數(shù)據(jù)處理 多通道同步采樣AD3-1無陀螺慣性測量硬件框圖Figure3-1TheGF-IMUhardwarearchitectureADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再由內(nèi)嵌于數(shù)字信號處理器〔DigitalSignalProcessor，DSP〕中的導(dǎo)航算法處理得到相關(guān)導(dǎo)航參數(shù)，計(jì)算結(jié)果將由SPI〔SerialPeripheralInterface〕或SCI〔SerialCommunicationInterfacDSPITexasInstrument〕DSP芯片。傳感器補(bǔ)償電路傳感器選型Systems〕微機(jī)電系統(tǒng)技[55~59]MEMS工藝制造的微加速度計(jì)在精度方面已能滿足戰(zhàn)略的應(yīng)用要求。依據(jù)工作原理的不同，MEMS微加速度計(jì)有很多種類，應(yīng)用最廣最為常見0Hz的加速度，接口電路也格外簡潔，缺點(diǎn)是溫度漂移系數(shù)大，需要進(jìn)展溫度補(bǔ)償[60]。換成變化的電信號，從而得到隨加速度變化而變化的傳感器輸出信號。3-3M3022型壓阻式硅加速度計(jì)的實(shí)物圖。該傳感器由3-3M3022型加速度傳感器實(shí)物圖Figure3-3RealobjectofM3022accelerometer美國ICSensor公司生產(chǎn)，承受表貼封裝，內(nèi)部構(gòu)造由懸掛于硅架復(fù)合橫梁上的3-13022型壓阻式硅加速度計(jì)主要的技術(shù)指標(biāo)。3-1M3022型加速度傳感器主要參數(shù)Table3-1PrimaryparametersofM3022accelerometermodel參數(shù)量程零位誤差非線性度橫向靈敏度零點(diǎn)溫度系數(shù)滿量程溫度系數(shù)電源電壓輸出噪聲輸出負(fù)載電阻加速度過載重量

單位GmV±%量程VDCμVp-pMΩGg

最小值±2——————————————540——

典型值——±5.00.51.01.01.05.01.0————6.5

最大值±500±25.01.03.02.02.010.0————2022——

注釋多種量程可選——這里的量程是指傳感器滿量程輸出電壓信號范圍，單位為VmV——————和量程有關(guān)——補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)包括如下幾個方面的考慮[61]：加速度計(jì)輸出的零位偏移補(bǔ)償；壓阻式硅微加速度計(jì)輸出受溫度影響較大，需要溫度補(bǔ)償；為傳感器供給高穩(wěn)定、高精度、低噪聲的恒定電源。(R1R(R1R3R2R4)(R1R2)(R3R4)UiUo

(3-1)0R1R3R2R4，這時電橋處于平衡狀態(tài)，0補(bǔ)償?shù)姆椒ê芎啙?，調(diào)整電橋橋臂電阻值使R1R3R2R4盡量相等，比方當(dāng)R1R3R2R4R4R3來減小零位偏移誤差。3-4傳感器等效電阻電橋Figure3-4AccelerometesequivalentresistancebridgeM3022加速度計(jì)出廠時各橋臂電阻為固定值，無法調(diào)整，但可以通過在引腳間R3R4的電阻值。R1(1T1T)R3(1T3T)R2(1T2TR1(1T1T)R3(1T3T)R2(1T2T)R4(1T4T)R1(1T1T)R2(1T2T)R3(1T3T)R4(1T4T)Ui(3-2)Uo式中R1~R425oC下的標(biāo)準(zhǔn)阻值依據(jù)公式(3-2)可知，在輸入Ui不變的狀況下，由于R1~R4發(fā)生了變化，輸T3T4，則溫度系數(shù)因子可以全部消去，公式(3-2)變成(3-1)，輸出將部電阻的溫度系數(shù)全都，才能保證最小的溫度漂移系數(shù)。溫度的另一個影響是通過轉(zhuǎn)變懸臂梁應(yīng)變電阻的壓阻系數(shù)轉(zhuǎn)變傳感器的靈Ui可以使輸出電壓增大，假設(shè)調(diào)度補(bǔ)償?shù)哪康?。Ui的誤差也會引起輸出誤差，這從公式(3-1)Ui的誤差將以肯定的比例系數(shù)折合到輸出上。一般的電源無論是開關(guān)電源抑或是紋波系數(shù)較小的三端電源器件都無法供給足夠精度和保證傳感器輸出信號的良好特性。Rzb1、Rzb2、Rztc1Rztc2是零位及溫度失調(diào)補(bǔ)償電阻，Rset為不同基準(zhǔn)源電壓供給適宜的電源放大倍數(shù)，Rstc設(shè)置電壓梯度補(bǔ)償由于溫度產(chǎn)生的靈敏度誤差，右側(cè)虛線框是放大電路，相關(guān)內(nèi)容參見后續(xù)內(nèi)容。3-5傳感器補(bǔ)償電路Figure3-5Accelerometercompensationcircuit信號調(diào)理電路式，再通過數(shù)學(xué)運(yùn)算解算出導(dǎo)航信息。現(xiàn)有的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器件Converter)0~5V，明顯直接將傳感器信號接入ADC信噪比。通常的做法是讓信號先經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理后，再送往后級電路使用。信號調(diào)理電路包括放大、濾波、ADC輸入緩沖和電源局部。電源方案電源供電方案的選擇直接影響整個電路的設(shè)計(jì)，是調(diào)理電路設(shè)計(jì)的第一步。系統(tǒng)只有一個+9V還可以用+9V+9VPWM調(diào)制的設(shè)計(jì)上很困難，簡單的電源設(shè)計(jì)以及大功率要求帶來的體積增大也不能夠忍受種的單電源直接供電方案。放大電路設(shè)計(jì)由3.3.1節(jié)的表3-1可知，傳感器電橋輸出為差分方式，在標(biāo)準(zhǔn)+5V供電狀況2.5V，差模電壓范圍為±50mV，傳感器驅(qū)動力量5MΩ；依據(jù)這些要求，用儀用運(yùn)算放大器搭建放大電路明顯是最正確方案。這里選擇的是AD公司的AD623AR儀用運(yùn)放，這是一款單以滿足傳感器輸出范圍的要求，其放大倍數(shù)通過一只外接電阻可調(diào)，AD623AR3-6AD623驅(qū)動力量弱，后續(xù)電路作為其負(fù)載電路在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。3-2儀用運(yùn)算放大器AD623AR主要參數(shù)Table3-2PrimaryparametersofAD623ARinstrumentamplifier參數(shù)單位最小值典型值最大值注釋電源V+2.7——+12單電源供電模式輸入范圍V-0.15——7.59V供電輸出范圍V0.01——8.59V10KΩ輸入電阻GΩ——2————放大倍數(shù)(G)11——1000外部電阻調(diào)整共模抑制比(CMRR)DB90105100110————G=10G=100帶寬KHz——10——G=100輸出漂移輸入漂移μV————200251000200————3-6放大電路原理圖Figure3-6Schematiccircuitofsignalamplification濾波電路設(shè)計(jì)它們都放大了，放大后的信號幅度范圍雖然已經(jīng)能充分利用ADC的轉(zhuǎn)換量程，器另一方面還可以防止ADC采樣時高頻信號混疊到有用信號的低頻段中，起到頻域抗混疊的效果。常用的低通濾波電路有RC一階無源濾波器，壓控電壓源有源二階濾波器Source，VCVS)，無限增益多路負(fù)反響有源二階濾波RC-20dB/波效果的同時體積也很小[63~6] 但由于本錢較高，本系統(tǒng)最終選擇了二階壓控3-7是濾波器原理圖。3-7壓控電壓源低通濾波器原理圖Figure3-7SchematicdiagramofVCVSlow-passfilter阻電容值敏捷的調(diào)整濾波器品質(zhì)因數(shù)Qfc為較好的實(shí)現(xiàn)頻率選擇，同時保證信號較小的失真，選擇的是巴特沃斯濾波器。、(3-4)分別是濾波器的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式(1f2)2((1f2)2(f2cfQf)2c

(3-3) fQfQf()arctan

(3-4)1

f2f2c式中品質(zhì)因素Qfc

值分別由下式打算RRCRRCC1 2 1 21cRC2 2RC1 1RRC2 2RC1 1RC1 2RC2 1Q0.742，當(dāng)Q為0.707時為巴特沃斯濾波器，但由于分立元件參數(shù)的不連續(xù)性，只能做到Q值盡量等于0.707。圖3-8是濾波器的幅頻特性曲線，可以看到小于截止頻率頻程”的衰減速率遞減。入阻抗，也就是前級電路的負(fù)載電阻，是很大的，可以不損失AD623AR的滿擺OP213同樣也是專用的單電源供電芯片，具有9V8mV~8V〔500歐姆負(fù)載電阻。3-8壓控電壓源低通濾波器幅頻特性伯德圖Figure3-8BodediagramofVCVSlow-passfiltesamplitude-frequencycharacteristicADC輸入緩沖ADC采樣保持電容首14ADC的采14ADC的區(qū)分精度，這就要ADC產(chǎn)生的ADC前端設(shè)計(jì)特地的緩沖電路。承受低噪聲、低失真、寬頻帶視頻運(yùn)算放大器AD8052可以實(shí)現(xiàn)這種緩沖功能，該放大器單位增益帶寬典型值達(dá)110MHz，輸出電壓擺持電容作為負(fù)載的狀況下快速建立和穩(wěn)定信號。設(shè)計(jì)ADC輸入緩沖的另外一個問題是，ADC在每次轉(zhuǎn)換完畢時都會產(chǎn)生一ADCRC濾波器電容的容值遠(yuǎn)大于ADC輸入電容容值，這個大電容用來為ADC采樣電容供給充電電荷，從而消退瞬變；為到達(dá)較好的效果，電容的容值通常選擇3-9是緩沖單元電路原理圖。3-9ADC輸入緩沖電路原理圖Figure3-9SchematiccircuitforADCinputbuffer數(shù)字信號處理電路SPI/SCI通信接口，這三局部連同電源模塊構(gòu)成了整個數(shù)字信號處理電路。數(shù)字局部電源設(shè)計(jì)9V1.9V、3.3V、5V三種電源，其中1.8V為純數(shù)字電源。電源變換的根本想法是，9V5V5V3.3V1.8V電源，這樣的分級降壓方法。5VADCPWM5V電源供給，因此承受線性電源時熱是該級電源正常工作的關(guān)鍵措施。這里選用的是美國國家半導(dǎo)體NI(NationalLM117三端可調(diào)穩(wěn)壓器，依據(jù)電路的最大電流值選用負(fù)載電LM117使0.01%的典型線性調(diào)整率、0.1%80db紋波[66]。3.3V和1.8V電源使用TI公司專為DSP設(shè)計(jì)的雙電源芯片TPS767D301，它可以同時輸出3.3V1.8V電壓，每路最大輸出電流為1A，可F2812的正常工作。DSP數(shù)字信號處理單元TITMS320F2812DSPTI32DSP芯片，既具有數(shù)字信號處理力量理的測控場合。其主要性能如下[68]：150MHz主頻〔6.67ns1.8，I/O3.3V16位×1632位×32位的乘且累加操作哈佛總線構(gòu)造，4兆字的程序和數(shù)據(jù)空間尋址力量128K×16Flash，18K×16SRRAM1MBBootRom，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表96個外部中斷，128Flash/L0/L1存儲器密碼保護(hù)功能2個大事治理器、串行外圍接口