測(cè)控電路（第7版）課件：測(cè)控電路設(shè)計(jì)實(shí)例

測(cè)控電路設(shè)計(jì)實(shí)例11.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡11.2系統(tǒng)建模11.3電路設(shè)計(jì)11.4測(cè)試實(shí)驗(yàn)本章知識(shí)點(diǎn)模擬再平衡回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法模擬再平衡回路系統(tǒng)中各功能模塊的電路設(shè)計(jì)方法11.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡回路11.1.1再平衡回路結(jié)構(gòu)11.1.2再平衡回路方案比較與選擇11.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡慣性元件是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成部分，通常是指陀螺儀和加速度計(jì)；陀螺儀用來(lái)測(cè)量載體的角速度，加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量載體的線加速度。重力儀，重力梯度儀也屬慣性元件。陀螺儀加速度計(jì)動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀是繼液浮陀螺儀、氣浮陀螺儀之后的第三代慣性級(jí)精密陀螺儀。是一種利用撓性元件對(duì)高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子構(gòu)成支撐的兩自由度陀螺儀。60年代中期開(kāi)始被研制，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于民用和軍用飛機(jī)、各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈以及中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈上。11.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡11.1.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡回路再平衡回路主要完成系統(tǒng)閉環(huán)、信號(hào)調(diào)理、控制解耦等功能跟蹤、鎖定的控制回路；閉環(huán)、間接的測(cè)量回路反饋回路中的力矩電流反應(yīng)輸入角速度的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的間接測(cè)量在結(jié)構(gòu)上主要包括信號(hào)器（差動(dòng)式電容傳感器）、前置放大、帶通濾波、相敏解調(diào)、陷波網(wǎng)絡(luò)、解耦網(wǎng)絡(luò)、校正網(wǎng)絡(luò)、功率放大電路、力矩器以及陀螺電機(jī)。11.1.1動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀再平衡回路陷波網(wǎng)絡(luò)校正網(wǎng)絡(luò)功率放大信號(hào)器力矩器相敏檢波帶通濾波前置放大解耦網(wǎng)絡(luò)采樣、AD轉(zhuǎn)換解調(diào)基準(zhǔn)激磁信號(hào)輸入角速率再平衡回路至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)動(dòng)調(diào)陀螺陀螺馬達(dá)11.2系統(tǒng)建模11.2.1陀螺模型11.2.2解耦網(wǎng)絡(luò)模型 11.2.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真11.2.1陀螺模型模型傳函動(dòng)力調(diào)諧陀陀螺模型結(jié)構(gòu)11.2.2解耦網(wǎng)絡(luò)模型由于陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)上的原因，兩個(gè)測(cè)量軸之間總是存在交叉耦合。為了消除這種耦合，需要在兩條回路之間加入“解耦”網(wǎng)絡(luò)。11.2.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真對(duì)再平衡回路的基本要求可以歸納為：1）閉環(huán)穩(wěn)定，并具有一定的幅值和相角穩(wěn)定裕度。2）滿足規(guī)定的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在角度常值、速率和角加速度輸入信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)偏差；良好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)及時(shí)跟蹤角速率變化的能力，具有足夠的帶寬。3）能提供足夠的加矩電流，平衡最大的輸入角速度，在承受最大角加速度時(shí)轉(zhuǎn)子偏角不超過(guò)規(guī)定的范圍。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函矩陣超前校正閉環(huán)傳函11.2.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真頻域特性分析校正前Bode圖校正后Bode圖11.2.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真時(shí)域特性分析單位階躍響應(yīng)斜坡響應(yīng)11.2.3校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真11.3電路設(shè)計(jì)11.3.1預(yù)處理電路11.3.2校正電路11.3.3控制解耦網(wǎng)絡(luò)11.3.4功率放大電路11.3.1預(yù)處理電路預(yù)處理電路的目的：將偏擺信號(hào)從信號(hào)輸出的調(diào)幅信號(hào)中準(zhǔn)確的提取出來(lái)，包括：前置放大帶通濾波相敏解調(diào)陷波電路前置放大：用于對(duì)陀螺內(nèi)部電感傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量放大，提高信噪比，便于阻抗匹配靜態(tài)指標(biāo)：較小的輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電壓及低的熱漂移較低的交流噪聲密度高共模抑制比穩(wěn)定的放大倍數(shù)較好的線性度阻抗匹配動(dòng)態(tài)指標(biāo)：足夠大的增益帶寬積，保證足夠快的響應(yīng)速度較高的轉(zhuǎn)換速率AR和較快的建立時(shí)間，能夠不失真的放大高速信號(hào)前置放大設(shè)計(jì)要求應(yīng)用環(huán)境中熱噪聲、電源噪聲等在地線中幅值較大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。為減小系統(tǒng)的電子噪聲，前置放大器需要足夠高的共模抑制比，用于精確放大一個(gè)存在大的共模分量的毫伏級(jí)小信號(hào)，最大限度的抑制共模噪聲信號(hào)，放大差模輸入信號(hào)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，累計(jì)誤差是主要的誤差來(lái)源，要求前置放大電路中產(chǎn)生的誤差盡可能小，避免誤差在再平衡回路的后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)中逐級(jí)放大，并輸出角速度中隨著積分增長(zhǎng)。要求輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電壓、交流噪聲密度等保持在較小量級(jí)前置放大設(shè)計(jì)要求動(dòng)調(diào)陀螺電感傳感器輸出信號(hào)為較高頻率（10~20kHz）的調(diào)幅信號(hào)要求放大電路有足夠的帶寬、穩(wěn)定的增益放大倍數(shù)不能太大，防止輸出飽和足夠高的共模、差模輸入阻抗，很低的輸出阻抗前置放大同相放大反相放大差分放大儀表放大前置放大傳遞函數(shù)儀用放大電路前置放大INA128是低功耗、高精度的通用儀表放大器。它采用3運(yùn)放設(shè)計(jì)，具有非常低的偏置電壓（50uV）、溫度漂移（0.5uV/℃）和高共模抑制比（G=100時(shí)，120dB）.前置放大二階無(wú)限增益多路反饋濾波器電路帶通濾波傳遞函數(shù)：其中，中心頻率增益——中心角頻率——

品質(zhì)因數(shù)——無(wú)限增益多路反饋濾波器引入負(fù)反饋，因而總是穩(wěn)定的。

為保證有足夠?qū)挼耐l帶，品質(zhì)因數(shù)Q不能選的太大。帶通濾波RC有源濾波器、巴特沃斯逼近方式、二階、無(wú)限增益多路反饋型濾波電路采用檢波電路將調(diào)幅信號(hào)還原為與陀螺轉(zhuǎn)子相對(duì)陀螺殼體偏擺成線性關(guān)系的電壓信號(hào)包絡(luò)檢波：不具備判別信號(hào)相位和頻率的能力相敏檢波：乘法器、開(kāi)關(guān)式、相加式采用乘法器使相敏檢波電路相敏解調(diào)偏角信號(hào)陷波器低頻信號(hào)載波頻率二倍頻信號(hào)模擬乘法器調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過(guò)線路傳輸和帶通濾波會(huì)產(chǎn)生一定的附加相移，為保證檢波精度，需要添加移相電路對(duì)參考信號(hào)移相以抵消附加相移的影響。移相電路相當(dāng)于一個(gè)全通濾波器，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要保證能夠提供所需的相位偏移。選取R1=R2，移相電路的傳遞函數(shù)為：相位函數(shù)為：激磁信號(hào)相敏解調(diào)

陷波網(wǎng)絡(luò)用來(lái)消除相敏解調(diào)乘法器輸出的高頻信號(hào)從而得到低頻的角度信號(hào)。陷波網(wǎng)絡(luò)相較于低通濾波的好處在于不會(huì)引入相位失真，對(duì)系統(tǒng)的相角裕度影響小，可以減小校正網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。0°10k陷波網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)相頻特性曲線低通濾波對(duì)數(shù)相頻特性曲線1k1001k0°-10°-45°陷波電路陷波網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)：其中，陷波中心頻率——

分壓網(wǎng)絡(luò)傳遞系——

品質(zhì)因數(shù)——壓控電壓源性濾波電路因?yàn)橐胝答?，所以增益不能選的太大，否則容易引起自激振蕩。同時(shí)，系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q也不能選的太大，否則陷波網(wǎng)絡(luò)不能起到陷波效果。陷波電路串聯(lián)校正主要有三種形式，超前校正、滯后校正、超前滯后校正。相較于滯后校正，超前校正能夠提高系統(tǒng)的帶寬，比較適合于帶寬較小的系統(tǒng)。超前系統(tǒng)幅相曲線滯后系統(tǒng)幅相曲線校正電路反向超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)：其中，比例增益——

微分增益——

微分時(shí)間常數(shù)——校正電路功率放大電路用來(lái)給陀螺儀力矩器提供施矩電流，使得陀螺轉(zhuǎn)子能夠跟隨載體角度的變化。

由于陀螺力矩器相當(dāng)于一個(gè)線圈，阻值很小，負(fù)載很大，一般的運(yùn)算放大電路以及信號(hào)調(diào)理電路都無(wú)法驅(qū)動(dòng)，所以必須采用能夠提供大電流的功率放大電路。陀螺儀力矩線圈后面串聯(lián)的是一個(gè)高精度的采樣電阻，由于通過(guò)此采樣電阻的電流會(huì)很大，所以必須專門定做大功率的高精密采樣電阻。功率放大輸出級(jí)補(bǔ)償阻容網(wǎng)絡(luò)緩沖電路：用于驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載與感性負(fù)載（電機(jī)、長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸）輸出級(jí)保護(hù)箝位二極管：負(fù)載可能產(chǎn)生反作用（例如反電勢(shì)）作用于放大器輸出電流持續(xù)電流：3A峰值電流：5A過(guò)電流、過(guò)熱保護(hù)溫度過(guò)高或電流過(guò)大時(shí)，自動(dòng)斷路保護(hù)。功率放大解耦電路控制解耦電路：由積分器、加法器構(gòu)成積分器：米勒積分器11.4測(cè)試實(shí)驗(yàn)11.4.1動(dòng)力調(diào)