捷聯(lián)慣導(dǎo)高精度加速度計(jì)信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鮑海閣,趙 濤,王國臣

1.海軍駐長春航空軍事代表室,長春 130051;2.海軍駐錦州地區(qū)軍代表室,遼寧 錦州 121000;3.哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,哈爾濱 150001

在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,加速度計(jì)及加速度計(jì)采集單元的性能對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度影響很大,一個(gè)高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)不僅要求加速度計(jì)有良好的性能,還要求加速度計(jì)采集電路的高精度和高穩(wěn)定性。目前,石英撓性加速度計(jì)制造技術(shù)已十分成熟,具有精度和靈敏度高、功耗小、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。而國內(nèi)的加速度計(jì)采集電路多采用 I/F轉(zhuǎn)換電路、或者16位 A/D轉(zhuǎn)換器及 I/F+A/D的方法。I/F轉(zhuǎn)換電路往往用分立器件搭建,體積和功耗較大,其轉(zhuǎn)換速率慢、分辨率低。16位 A/D轉(zhuǎn)換器的理論精度都不能超過 15×10-6,對(duì)于 I/F+A/D的方法,電路復(fù)雜、不適合多通道,要保證 I/F的測量精度,需加溫控電路,整個(gè)電路板體積大,不適合捷聯(lián)導(dǎo)航體積小的發(fā)展方向,不能滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的要求[1-2]。針對(duì)這種現(xiàn)狀,本文提出一種高精度的加速度計(jì)采集單元設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)及分析

1.1 采集單元基本原理

石英撓性加速度計(jì)采集單元的基本原理是將石英撓性加速度計(jì)其與外部加速度成正比的輸出電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)模擬濾波后,送入 A/D轉(zhuǎn)換器,從而轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)字信號(hào)[3]。原理圖如圖 1所示。

圖1 加速度計(jì)信號(hào)采集電路原理圖

由圖 1可知,加速度的值為

其中：a—加速度值;K—加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù);Iin—加速度計(jì)的輸出電流;V—A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓;Rf—采樣電阻的電阻值。

1.2 性能指標(biāo)分解

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)加速計(jì)的性能要求是綜合了加速度計(jì)本身以及加速計(jì)采集電路的性能后的總體指標(biāo)。以加速計(jì)的零偏為例,若加速計(jì)本身的零偏穩(wěn)定性為 aμgn,采集電路的零偏穩(wěn)定性為 bμgn,則最后總的零偏穩(wěn)定性為：

c的值不應(yīng)超過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)加速計(jì)零偏性能指標(biāo)的要求。

在精度要求較高的場合,加速度計(jì)的價(jià)格一般比采集電路的價(jià)格要高出許多,一般在一個(gè)量級(jí)以上。因此,設(shè)計(jì)中采集電路的性能與加速計(jì)本身的性能相比,應(yīng)盡可能地好,以便充分發(fā)揮加速計(jì)的性能[3]。

本設(shè)計(jì)采用 JN-06G-03石英加速度計(jì),其精度很高,而且有較強(qiáng)的抗干擾能力,能感受的最小加速度為 10-5gn,線性度在 0.01%。具體性能指標(biāo)如下[4]。

輸入量程：±25 gn;偏值：＜2mgn;標(biāo)度因數(shù)：1.4～1.6mA/gn;偏值月綜合誤差：＜10μgn;偏值溫度系數(shù)：＜10μgn/℃。

從而給出加速度計(jì)采集電路的設(shè)計(jì)性能：

量程：±10mA;零偏溫度系數(shù)：1μV/℃;零偏24 h穩(wěn)定性 ：2 μV;噪聲：1 μVrms@100 Hz/s;數(shù)據(jù)輸出速率：100Hz/s。

1.3 采集電路的性能分析

1.3.1 零偏穩(wěn)定性

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,零偏穩(wěn)定性是陀螺和加速度計(jì)最重要的性能指標(biāo)。有源器件都會(huì)影響系統(tǒng)零偏穩(wěn)定性,通過觀察原理圖可以看出,采集單元中的有源器件運(yùn)算放大器和 A/D轉(zhuǎn)換器,它們的零偏穩(wěn)定性都將直接影響采集單元的零偏穩(wěn)定性[5]。

運(yùn)算放大器的零偏由輸入零偏電壓和輸入失調(diào)電流 Ios引起的零偏電壓的合成,符號(hào)分別為 Vos和V′os。 Vos含義是輸入為零時(shí),正輸入端相對(duì)于負(fù)輸入端的電壓值。Ios表示輸入為零時(shí),正輸入端和負(fù)輸入端的電流值的差。那么由Ios引起的零偏V′os為：

其中 RP表示運(yùn)算放大器正輸入端的補(bǔ)償電阻。

溫度和時(shí)間的變化會(huì)使運(yùn)算放大器的 Vos發(fā)生變化,分別稱之為溫度系數(shù)和時(shí)間穩(wěn)定性。決定A/D零偏穩(wěn)定性主要是它的溫度系數(shù),一般的 A/D轉(zhuǎn)換器很少有零偏時(shí)間穩(wěn)定性的性能指標(biāo),這是因?yàn)楦呔鹊?A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶自動(dòng)標(biāo)定功能,所以零偏的時(shí)間穩(wěn)定性較高,基本可以忽略不計(jì)。1μV/℃的輸入零偏電壓溫度系數(shù)和 0.1 nA/℃的輸入失調(diào)電流溫度系數(shù)對(duì)于運(yùn)算放大器是一個(gè)可以接受的性能指標(biāo)。

1.3.2 噪聲和動(dòng)態(tài)響應(yīng)

除了零偏穩(wěn)定性外,噪聲和動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)影響采集單元的性能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),導(dǎo)航算法需要的是加速度計(jì)信號(hào)的積分值。因此采集單元對(duì)加速計(jì)信號(hào)噪聲的要求并不苛刻,但是過大的噪聲也會(huì)湮沒真實(shí)值。噪聲的大小與系統(tǒng)帶寬均方根成正比,也與選取的元器件密切相關(guān)。過窄的動(dòng)態(tài)響應(yīng)使高頻的加速度信號(hào)被濾除,對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生不利影響;而過寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬會(huì)增加系統(tǒng)噪聲,需要對(duì)兩者做一個(gè)折衷。船用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)帶寬不用太大,10 Hz左右即可。但是通帶的響應(yīng)的一致性要好,因此濾波器選用最大平坦濾波器。不過即使最大平坦濾波器的通帶響應(yīng)也是隨頻率衰減的,為了避免通帶內(nèi)衰減過大并考慮濾波延時(shí)及帶寬對(duì)精度的影響,濾波器帶寬設(shè)為 100 Hz。這樣在 10 Hz內(nèi)對(duì)系統(tǒng)性能生產(chǎn)的不利影響基本可以忽略,而且噪聲也不會(huì)太大[6]。高階的無源濾波器比較復(fù)雜,成本較高,而有源濾波器又噪聲過大,所以選取二階無源濾波器。船用的設(shè)備雖然對(duì)功耗沒有很大限制,但是較大的功耗導(dǎo)致較大的溫升,影響精度,所以選擇功耗盡可能小的元器件對(duì)系統(tǒng)精度是有好處的。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 關(guān)鍵器件選擇

2.1.1 運(yùn)算放大器

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求,運(yùn)算放大器采用模擬器件公司的 AD708。AD708是高精度,雙運(yùn)放裝的運(yùn)算放大器,每個(gè)運(yùn)放都能提供非常出眾的直流性能,兩個(gè)運(yùn)放之間的匹配是現(xiàn)有的運(yùn)放中最好的。它可以達(dá)到的開環(huán)增益至少為 5 V/μV,0.1Hz到 10 Hz的最大輸入等效噪聲為 0.35μVp-p。所有的直流特性都具有非常高的溫度穩(wěn)定性：零偏電壓溫漂 0.1μV/℃;輸入偏值電流的溫漂為 25 pA/℃。AD708典型的開環(huán)增益為 10 V/μV,共模抑制比(CMRR)140 dB使得它非常適合于精密的應(yīng)用場合。

2.1.2 采樣電阻

由標(biāo)定因素穩(wěn)定性可知,采樣電阻的精度直接影響采樣電路的精度,要取得高精度的電路性能,就要選取高精密度的采樣電阻。高精密電阻最重要的指標(biāo)是穩(wěn)定度,其次是溫度系數(shù)等其它指標(biāo)。以前常說的“誤差”已經(jīng)被不確定度、允差替代了。電路設(shè)計(jì)時(shí),選用的電阻是 VHP101,因?yàn)橘徺I很不方便,本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)時(shí),采用了相對(duì)容易的購買的替換型號(hào) VSNP0805。它的溫度系數(shù)為 0.6×10-6/℃,2000 h穩(wěn)定性為 50×10-6。

2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器

選擇了凌力爾特(Linear Technology)公司的LTC2445,這是一個(gè) 8 kHz、8通道的 24位 Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可連續(xù)地測量并自動(dòng)消除外部放大器、濾波器和其它用于傳感器輸出的信號(hào)調(diào)整電路的所有偏移和漂移誤差。LTC2445的可編程濾波器允許設(shè)計(jì)者對(duì)個(gè)別通道定制 20個(gè)不同的速度/分辨率組合,最好可提供 200 nV噪聲,并同時(shí)提供50 Hz和 60 Hz線頻噪聲抑制。高速采樣方面,在輸出速率為 8 kHz時(shí),ADC支持超過 17個(gè)有效位。LTC2445在全溫度范圍內(nèi)(-40℃到 +85℃)DNL小于 1 LSB,失調(diào)誤差為 0.5 mV,失調(diào)誤差溫漂0.02μV/℃,正負(fù)滿量程誤差為 VREF的 2.5×10-6,溫漂 0.3×10-6/℃。電源電壓 VCC在 5 V和 5.5 V之間,VREF為 5 V時(shí),INL的值為 VREF的 2×10-6[7]。

2.1.4 參考電壓

參考電壓主要的器件選用凌力爾特公司的LTZ1000,在使用時(shí),可以根據(jù)公司提供的參考設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)具體的電路。圖 2就是凌力爾特公司提供的應(yīng)用參考電路圖。

圖2 LTZ1000電壓參考電路原理圖

電路并不太復(fù)雜,很多元件都是LTZ1000內(nèi)部的,關(guān)鍵元件為 R1到 R5,其中 R1和 R4/R5最關(guān)鍵,每 100×10-6的變化會(huì)導(dǎo)致輸出 1×10-6的變化,R2每 100×10-6的變化會(huì)導(dǎo)致輸出 0.3×10-6的變化,R4每 100×10-6的變化會(huì)導(dǎo)致輸出 0.2×10-6的變化。實(shí)際上,通過測試,R1變化對(duì)系統(tǒng)影響不大,R3的變化也非常小,但R2的變化影響就超出原來的說明。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵元件R1,R2,R4,R5選用濟(jì)寧正和公司的RJ711,較關(guān)鍵的 R3選用濟(jì)寧正和的 RX70。

LTZ1000輸出的參考電壓在 6.9 V到 7.2 V左右,而 A/D轉(zhuǎn)換器需要的是 5 V的參考電壓。因此需要對(duì) LTZ1000輸出的電壓進(jìn)行分壓,才能得到所需的 5 V電壓。加速度計(jì)輸出電流,經(jīng)采用電阻采樣后成為單端的模擬電壓。而對(duì)于 A/D轉(zhuǎn)換器來說,差分輸入比單端輸入有諸多好處。需要把單端模擬電壓轉(zhuǎn)換為差分形式,這又需要一個(gè) 1/2VREF,即 2.5 V的參考電壓。采用三個(gè)阻值相同的電阻,對(duì) LTZ1000輸出的 7伏左右的參考電壓進(jìn)行分壓,得到一個(gè) 2.3 V左右和 4.6 V左右的電壓,可以滿足 A/D轉(zhuǎn)換器和單端轉(zhuǎn)差分電壓的需要。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)及仿真

采集電路的作用是將加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)濾波后送入 A/D轉(zhuǎn)換器,并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過光電耦合器傳給處理加速度計(jì)信號(hào)的電路。

用電阻對(duì)電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成電壓,一般有兩種方式：分流式和反饋式,他們的原理分別如圖 3和圖 4所示。

圖3 分流式電流采樣原理圖

圖4 反饋式電流采集原理圖

本設(shè)計(jì)中,采用反饋式檢測方法。采用這個(gè)檢測方式,可使加速度計(jì)的輸出端電壓為零(或一個(gè)固定的值),減小輸出電壓對(duì)電流的影響,提高檢測精度。

采樣電路的電路圖如圖 5所示,運(yùn)放正輸入端的 2.5 V參考電壓改變采樣后采樣電壓的直流電平。2000 pF的電容與采樣電阻組成低通濾波器,可以濾除一些高頻噪聲。

圖5 采樣電路電路圖

采樣電壓是單端形式的,而 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入是差分形式的,需要把采樣電壓轉(zhuǎn)換為差分形式。電路如圖 6所示。

圖6 單端轉(zhuǎn)差分電路

電壓轉(zhuǎn)換成差分形式后,對(duì)其進(jìn)行濾波,圖7[11]是用 OrCAD畫的濾波器的電路原理圖,運(yùn)放AD708采用 Analog Devices公司官方的 AD708的spice模型。

圖7 濾波器仿真原理圖

圖7是濾波器的仿真結(jié)果。橫軸是信號(hào)的頻率,縱軸是輸出電壓,其中輸入電壓為 1 V。慣導(dǎo)系統(tǒng)感興趣的加速度頻段一般不超過 100 Hz,因此,在 500 kHz上的超調(diào)并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。

圖8是仿真結(jié)果的局部曲線,圖給出的是在100 Hz是的放大圖,從圖中可以看出：在 100Hz時(shí),濾波器的誤差很小,小于 0.1×10-6,不會(huì)對(duì)信號(hào)精度造成損傷。

圖8 濾波器仿真結(jié)果

圖9 仿真結(jié)果局部曲線

3 性能測試

3.1 噪聲

測試噪聲時(shí),采集單元電路輸入端接地,連續(xù)采集 1 min,采集的結(jié)果送入電腦,用 Matlab進(jìn)行分析,可得到電路總的噪聲。為了避免溫度等其它因素對(duì)電路的干擾,應(yīng)將電路板放在溫度比較恒定,電磁干擾小的環(huán)境中。本文測試時(shí),直接將電路放在溫箱內(nèi),溫度波動(dòng)小于 0.1℃,基本可忽略溫度對(duì)電路的影響。下圖是數(shù)據(jù)輸出速率在 880Hz/s時(shí),采集 1 min后,數(shù)據(jù)的直方圖。圖 10的橫軸是消除零偏后的數(shù)據(jù),單位是 μV,縱軸是數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。整組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為 δ=2.4μV,也就是說噪聲值可以近似認(rèn)為 2.4μVrms。從圖中可以看出,采集得的數(shù)據(jù)所做的直方圖,形狀較好,在 3δ內(nèi)沒有數(shù)值點(diǎn)的缺漏。

圖10 880Hz/s時(shí)數(shù)據(jù)直方圖

由于導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際需要的加速度計(jì)信號(hào)是 100 Hz/s左右的,為了進(jìn)一步提高性能,對(duì)于輸出 880 Hz/s的數(shù)據(jù),可以采用 8個(gè)數(shù)一組,取平均數(shù)的方法來降低信號(hào)的噪聲。采用上述同組數(shù)據(jù),并對(duì)相鄰的每 8個(gè)數(shù)求一個(gè)平均數(shù),可以得到一組新的數(shù)據(jù)。這組新數(shù)據(jù)的速率是 110 Hz/s,基本接近導(dǎo)航系統(tǒng) 100 Hz/s的要求。這組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差是 0.99 μV,雖然這組數(shù)據(jù)的形狀沒有元數(shù)據(jù)好,但是也基本可認(rèn)為是正態(tài)分布的,因此這組新數(shù)據(jù)的噪聲為0.99μVrms。這組數(shù)據(jù)的直方圖如圖 11所示。

圖11 110Hz/s時(shí)數(shù)據(jù)直方圖

3.2 溫度穩(wěn)定性

測試溫度零偏穩(wěn)定性時(shí),同樣采集單元輸入接地,上電兩個(gè)小時(shí)后開始測試。系統(tǒng)的工作點(diǎn)設(shè)在25℃,因此測試溫度在 20℃到 30℃之間變化。將系統(tǒng)放在溫控箱中,逐漸將溫控箱溫度從 20℃上到30℃,測試所得曲線圖 12所示。圖中橫軸是測試的溫箱溫度變化,縱軸是輸出的零偏值的變化。該圖中零偏值沒有進(jìn)行處理,直接采用采集所得的原始數(shù)據(jù)。由圖可知,零偏從 6μV左右變化到 16μV左右,變化了 10μV,平均大約是 1μV/℃,符合設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

圖12 零偏的溫度效應(yīng)

3.3 時(shí)間穩(wěn)定性

將測試電路置于溫控箱內(nèi),設(shè)置溫箱溫度為25℃,變化不超過 ±0.1℃。上電后,連續(xù)運(yùn)行24 h,測試曲線如圖 13所示。圖的橫軸是系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間,單位為 h;縱軸是去除零偏值后,零偏的變化值,單位為微伏。需要說明的是,這并非是采集的原始數(shù)據(jù),而是用 Matlab對(duì)原始數(shù)據(jù)做九次多項(xiàng)式擬合后的曲線。原始的數(shù)據(jù)中包含噪聲的成分,噪聲的大小甚至略大于零偏值的變化。因此,包含噪聲的數(shù)據(jù)圖中,肉眼無法看出零偏漂移的趨勢。用 Matlab做九次多項(xiàng)式擬合,基本消除了噪聲了影響,可以更明顯的看出系統(tǒng)隨時(shí)間的漂移的變化[16],24 h內(nèi)零偏在 0μV到 2μV內(nèi)變化,符合設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

圖13 零偏隨時(shí)間的變化

4 結(jié)束語

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重要器件。對(duì)于高精度石英撓性加速度計(jì)來說,加速度計(jì)和加速度計(jì)采集電路的綜合性能才是慣導(dǎo)系統(tǒng)中有效的性能,兩者缺一不可。本加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)中,元器件的性能仍然是限制電路性能提高的主要因素,為了使電路達(dá)到微伏級(jí)的精度,采樣電阻、參考電壓、運(yùn)算放大器和 A/D轉(zhuǎn)換器的都需要精心選擇。每個(gè)元器件需要的性能都是在計(jì)算采集電路指標(biāo)后得出的,不能隨意更換。

高精度模擬電路容易受到各種干擾,本文對(duì)實(shí)際的采集電路進(jìn)行了大量、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試,測試過程中充分考慮了溫度、時(shí)間等因素的影響。分析測試數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)對(duì)采集電路在相隔長時(shí)間(幾個(gè)月)、多次測量(幾十次)的情況下,得到的性能結(jié)果有很好的一致性,這些性能達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)。這說明,測試的結(jié)果是可以信賴的,設(shè)計(jì)所得的采集電路性能是符合預(yù)期指標(biāo)的。

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