非陀螺尋北儀信號處理電路的設計與實現

白云超 劉思偉 田育民 陳曉璧

摘 要:非陀螺尋北是一種新穎的尋北技術。介紹其尋北的原理以及輸出信號處理電路的設計思路,詳細闡述帶通濾波器、數字正交運算電路以及數字濾波電路的設計方案及實現。正交運算和數字濾波采用專用的數字芯片來完成,使系統既能克服模擬電路固有的誤差和系統的不穩定等不足,又減輕DSP的運算負擔,滿足了非陀螺尋北儀信號處理的高精度和快速性要求,從而使得非陀螺尋北技術由理論研究轉化為實用儀器裝備成為了可能。

關鍵詞:尋北;帶通濾波器;正交解調;數字濾波

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-124-03

Design and Implementation of Non-gyro North Finder Signal Processing Circuit

BAI Yunchao1,LIU Siwei1,2,TIAN Yumin1,CHEN Xiaobi1

(1.Xi′an Research Institute of Surveying and Mapping,Xi′an,710054,China;

2.Department of Automation Conctrol,Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710032,China)

Abstract:Non-gyro north finder is a novel finding north technology.The principles of its north-seeking and output signal processing circuit design are introduced,the implementation of bandpass filter,digital quadrature computing circuit and digital filter circuit are described.Orthogonal computing and digital filtering using a dedicated digital chips to complete,the system can overcome the error inherent in analog circuits and system instability,such as inadequate,it also can reduce the DSP computational burden,meet non-gyro north finder signal processing requirements of high precision and fast,allow non-gyro north-seeking technology from theoretical research into practical equipment has become possible.

Keywords:north seek;band pass filter;quadrature demodulator;digital filter

高精度尋北儀可以分為傳統的陀螺儀尋北儀和非陀螺尋北儀[1]兩類。利用陀螺儀尋北的方法受陀螺儀本身的精度和成本的限制,很難做到高精度和低成本并存。而利用高精度的加速度計研制非陀螺尋北儀則可突破這一局限,并可實現高精度、自動化、快速化尋北,從而成為尋北儀研究的一個新的技術方向。許多參考文獻對該尋北原理和信號處理的方法進行了大量的仿真研究,但對電路的具體實現進行研究的較少,本文是進行該尋北儀電路構成的設計。

1 非陀螺尋北原理

非陀螺尋北的原理是將一只加速度計安裝在恒速轉臺上,以轉臺邊緣的某個切點為參考點(相對運動),其切向速度與地球自轉角速度的北向分量形成復合運動產生哥氏加速度。通過轉臺動態調制,地球自轉角速度的北向分量與該點上切向速度復合生成的哥氏加速度輸出為一正弦信號,利用高精度的石英撓性加速度計檢測出該正弦信號的峰值所對應的相位,即為地球上所在位置的正北方向[2],從而實現尋北。其基本原理如圖1所示。

圖1 基于哥氏效應的尋北方案動力學基本原理

設轉臺的轉速為Ω,加速度計測量軸IA垂直向上,距離轉臺軸的偏心距為ρ,ωN為地球速率的北向分量。加速度計實際輸出為:

a=f+FMcos(Ωt-Ψ)+ω

(1)

式中:f=-g+a0,a0為加速度計的零偏,g為重力加速度;ω為輸出噪聲;FM=2ΩρωN,為最大Coriolis加速度;Ψ為轉臺的初始方位角。

上述信號的直流部分通過交流放大器可以濾掉。已知ρ和ωN為常值;另外,通過鎖相回路將編碼器和電動機閉環,使Ω保持恒定,所以FM為常值。利用編碼器的基準脈沖,對正弦信號進行同步檢波,就能計算出初始方位角Ψ[3,4]。設:

F=FMcos(Ωt-Ψ)+ω=Acos(Ωt)+Bsin(Ωt)+ω

(2)

式中:A=FMcos Ψ,B=FMsin Ψ。

通過0°和90°同步檢波器,得:

=Ω4∫T0Fsgn[cos(Ωt)]dt

=Ω4∫T0Fsgn[cos(Ωt)]dt

(3)

式中:T=2π/Ω為轉速周期。由式(3)得方位角:

d=atctan(/)

(4)

2 電路的設計與實現

2.1 電路的設計原理

尋北系統選用了分辨率優于1×10-6的高精度石英撓性加速度計作為檢測傳感器,相應的信號處理整體思路框圖如圖2所示。為了實現對數據的實時處理,正交變換以及數字濾波電路采用了專用數字信號處理芯片來完成。

圖2 信號處理器方塊圖

2.2 電路的實現

2.2.1 高精度I/V變換

所選用的石英撓性加速度計的輸出為電流信號,其標度因數為1.3 mA/g。因此需利用I/V轉換電路將被測的微弱電流信號轉換為電壓信號。I/V轉換電路輸出信號包含直流和交流兩個部分,而只有交流信號是有用,還需進一步利用交流放大器進行電壓放大,以隔離掉直流成分(即加速度計的零偏及重力加速度),放大交流信號。

2.2.2 帶通濾波器的設計

轉臺的轉速為900 r/min,則加速度計實際輸出的有用信號的頻率為15 Hz。采樣數據中除了有用信號外,還包含低于15 Hz的低頻成分、整數倍頻信號以及非整數倍頻信號等較大的噪聲,其次信號經過導電滑環、傳輸電纜以及運算處理電路,也會產生噪聲信號。為了提高線路的信噪比,設計了高Q值的帶通濾波器進行濾波。

普通有源濾波器參數調整困難、穩定性較差,較難實現窄帶寬的設計,不易獲得高的Q值。這里采用MAX260集成有源濾波器來設計帶通濾波器。MAX260是CMOS雙二階通用開關有源濾波器,不需外部元件就可構成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置。可在程序控制下設置中心頻率f0、品質因數Q和濾波器的工作方式[5]。該芯片采用24引腳DIP或SO封裝,有四種工作方式及各自的時鐘輸入和獨立的f0和Q控制。按圖3的方式連接,可以構成四階有源濾波器。濾波器設計可通過計算機結合Maxim提供的設計軟件實現對芯片的功能以及各項參數的設置 [6]。

2.2.3 A/D轉換及正交化電路的設計

圖4是數字正交解調電路的一種基本模型,輸入的模擬中頻信號首先經過A/D變換,實現數字采樣,其數據流分兩路通過數字乘法器分別與本地數字振蕩器(NCO)產生的cos分量和sin分量相乘,實現輸入信號的正交變換。

圖3 用MAX260設計的四階帶通濾波器

圖4 數字正交解調原理框圖

圖5所示是一種運用于矢量信號分析儀的數字解調電路,其構成包括1片12 b輸出的A/D轉換芯片ADS809、1片數字混頻器HSP45116和2片低頻數字濾波器HSP43220以及DDS時鐘電路和2片FPGA控制和芯片初始化電路[7]。

圖5 采用HSP45116構成的正交解調電路原理框圖

輸入信號s(t)首先經過ADS809進行數字化。A/D采樣后的數據流進入數字混頻器HSP45116,在芯片內數據流分成兩路分別與數字振蕩器的輸出相乘,實現正交變換。HSP45116是一款高性能的數字混頻器,最高工作時鐘頻率為33 MHz,片內包含具有兩路正交輸出的數字控制振蕩器(NCO)和一個16位高速乘法器/累加器。圖6是HSP45116內部的簡化原理框圖。可以看出,芯片功能分3個主要部分:相位/頻率控制、sin/cos振蕩器和乘法器/累加器(CMAC)。相位/頻率控制由外部控制總線通過FPGA設置相位步進值實現NCO的頻率控制,相位累加器為32 b。相位累加器取高20 b輸出作為地址查找sin/cos表,于是NCO產生兩路正交分量sin和cos。在電路中,為實現中頻信號的正交解調,信號從Rin輸入,Iin置為0[9]。

圖6 HSP45116內部原理框圖

系統時鐘采用DDS(直接數字合成)形成,可以實現時鐘頻率、相位以較小分辨率進行改變,因為在系統要求中提到I路和R路輸出信號采樣率與被測調制信號碼元速率成整數倍關系,為了滿足這一點,系統時鐘同時提供給A/D變換器、HSP45116和HSP43220。另外,系統中還包括FPGA,主要用于對HSP45116和HSP43220的初始化和控制。

經過HSP45116變換后輸出的兩路數字信號送入集成數字濾波器HSP43220進行數字濾波。HSP43220是一款具有線性相位特性的抽取數字濾波器(DDF),其主要應用特點是高速率數據輸入、低速率輸出。DDF采用兩級串聯濾波器結構實現,兩級濾波器結合可獲得16384的信號抽取能力。信號輸出包括24 b信號數據流和DATA_RDY信號線。根據系統要求,HSP43220在系統中的主要作用有三個方面:濾除數字正交混頻產生的二次諧波分量;靈活和大范圍的抽取因子設置解決輸出基帶信號采樣率與碼元速率的關聯問題;優越的低通特性以及可編程通帶頻率設置[10]。

濾波后的數字信號送入FPGA,在碼盤輸出的第一個零位信號到來時,FPGA在碼盤輸出的脈沖倍頻

信號的控制線下不斷讀取輸出數據,并累加,在碼盤輸

出的第二個零位信號到來時,停止數據采集和累加運算,并給出數據好信號,從而實現積分運算。DSP通過I/O口讀取到FPGA數據好信號后,讀出FPGA數據寄存器中的數據,按式(4)計算出尋北儀零位的方位角。

3 結 語

給出了非陀螺尋北儀詳細的電路設計思路與具體實現過程。采用高性能的專用數字混頻器HSP45116和集成數字濾波器HSP43220來實現非陀螺尋北儀中加速度計輸出信號的正交運算和數字濾波,具有良好的信號混頻和正交解算性能,既能克服模擬電路固有的誤差和系統的不穩定等不足,又減輕DSP的運算負擔,滿足非陀螺尋北儀所要求的高精度和快速性要求,從而使得非陀螺尋北技術由理論研究轉化為實用儀器裝備成為了可能。

參考文獻

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[10]HSP43220 Decimating Digital Filter Data Sheet[Z].2004.

作者簡介 白云超 男,1975年出生,四川漢源人,碩士,西安測繪研究所工程師。從事測繪儀器研究。

劉思偉 男,1962年出生,山東諸城人,西北工業大學在讀博士研究生,高級工程師。研究方向為慣性測量技術。