測控電路（第7版）課件：測控電路設計實例

測控電路設計實例11.1動力調(diào)諧陀螺儀再平衡11.2系統(tǒng)建模11.3電路設計11.4測試實驗本章知識點模擬再平衡回路系統(tǒng)的設計方法模擬再平衡回路系統(tǒng)中各功能模塊的電路設計方法11.1動力調(diào)諧陀螺儀再平衡回路11.1.1再平衡回路結構11.1.2再平衡回路方案比較與選擇11.1動力調(diào)諧陀螺儀再平衡慣性元件是慣性導航系統(tǒng)的基本組成部分，通常是指陀螺儀和加速度計；陀螺儀用來測量載體的角速度，加速度計用來測量載體的線加速度。重力儀，重力梯度儀也屬慣性元件。陀螺儀加速度計動力調(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精密陀螺儀。是一種利用撓性元件對高速旋轉轉子構成支撐的兩自由度陀螺儀。60年代中期開始被研制，現(xiàn)已廣泛應用于民用和軍用飛機、各種戰(zhàn)術導彈以及中遠程導彈上。11.1動力調(diào)諧陀螺儀再平衡11.1.1動力調(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)、間接的測量回路反饋回路中的力矩電流反應輸入角速度的大小，從而實現(xiàn)對角速度的間接測量在結構上主要包括信號器（差動式電容傳感器）、前置放大、帶通濾波、相敏解調(diào)、陷波網(wǎng)絡、解耦網(wǎng)絡、校正網(wǎng)絡、功率放大電路、力矩器以及陀螺電機。11.1.1動力調(diào)諧陀螺儀再平衡回路陷波網(wǎng)絡校正網(wǎng)絡功率放大信號器力矩器相敏檢波帶通濾波前置放大解耦網(wǎng)絡采樣、AD轉換解調(diào)基準激磁信號輸入角速率再平衡回路至導航計算機動調(diào)陀螺陀螺馬達11.2系統(tǒng)建模11.2.1陀螺模型11.2.2解耦網(wǎng)絡模型 11.2.3校正網(wǎng)絡設計及系統(tǒng)仿真11.2.1陀螺模型模型傳函動力調(diào)諧陀陀螺模型結構11.2.2解耦網(wǎng)絡模型由于陀螺儀機械結構上的原因，兩個測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。11.2.3校正網(wǎng)絡設計及系統(tǒng)仿真對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、靜態(tài)指標。靜態(tài)指標是指系統(tǒng)在角度常值、速率和角加速度輸入信號下的穩(wěn)態(tài)偏差；良好的動態(tài)指標是指系統(tǒng)及時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轉子偏角不超過規(guī)定的范圍。系統(tǒng)開環(huán)傳函矩陣超前校正閉環(huán)傳函11.2.3校正網(wǎng)絡設計及系統(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)絡設計及系統(tǒng)仿真時域特性分析單位階躍響應斜坡響應11.2.3校正網(wǎng)絡設計及系統(tǒng)仿真11.3電路設計11.3.1預處理電路11.3.2校正電路11.3.3控制解耦網(wǎng)絡11.3.4功率放大電路11.3.1預處理電路預處理電路的目的：將偏擺信號從信號輸出的調(diào)幅信號中準確的提取出來，包括：前置放大帶通濾波相敏解調(diào)陷波電路前置放大：用于對陀螺內(nèi)部電感傳感器輸出的微弱電壓信號進行測量放大，提高信噪比，便于阻抗匹配靜態(tài)指標：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態(tài)指標：足夠大的增益帶寬積，保證足夠快的響應速度較高的轉換速率AR和較快的建立時間，能夠不失真的放大高速信號前置放大設計要求應用環(huán)境中熱噪聲、電源噪聲等在地線中幅值較大，嚴重影響系統(tǒng)的測量精度。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，用于精確放大一個存在大的共模分量的毫伏級小信號，最大限度的抑制共模噪聲信號，放大差模輸入信號慣性導航系統(tǒng)中，累計誤差是主要的誤差來源，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)各個環(huán)節(jié)中逐級放大，并輸出角速度中隨著積分增長。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前置放大設計要求動調(diào)陀螺電感傳感器輸出信號為較高頻率（10~20kHz）的調(diào)幅信號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運放設計，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，120dB）.前置放大二階無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)——無限增益多路反饋濾波器引入負反饋，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、無限增益多路反饋型濾波電路采用檢波電路將調(diào)幅信號還原為與陀螺轉子相對陀螺殼體偏擺成線性關系的電壓信號包絡檢波：不具備判別信號相位和頻率的能力相敏檢波：乘法器、開關式、相加式采用乘法器使相敏檢波電路相敏解調(diào)偏角信號陷波器低頻信號載波頻率二倍頻信號模擬乘法器調(diào)幅信號經(jīng)過線路傳輸和帶通濾波會產(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參考信號移相以抵消附加相移的影響。移相電路相當于一個全通濾波器，在設計的過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：激磁信號相敏解調(diào)

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

分壓網(wǎng)絡傳遞系——

品質(zhì)因數(shù)——壓控電壓源性濾波電路因為引入正反饋，所以增益不能選的太大，否則容易引起自激振蕩。同時，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)絡傳遞函數(shù)：其中，比例增益——

微分增益——

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

由于陀螺力矩器相當于一個線圈，阻值很小，負載很大，一般的運算放大電路以及信號調(diào)理電路都無法驅(qū)動，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)的是一個高精度的采樣電阻，由于通過此采樣電阻的電流會很大，所以必須專門定做大功率的高精密采樣電阻。功率放大輸出級補償阻容網(wǎng)絡緩沖電路：用于驅(qū)動大容性負載與感性負載（電機、長導線傳輸）輸出級保護箝位二極管：負載可能產(chǎn)生反作用（例如反電勢）作用于放大器輸出電流持續(xù)電流：3A峰值電流：5A過電流、過熱保護溫度過高或電流過大時，自動斷路保護。功率放大解耦電路控制解耦電路：由積分器、加法器構成積分器：米勒積分器11.4測試實驗11.4.1動力調(diào)