CN109510625A - 一种石英挠性加速度计的高精度ad采样及转换电路 - Google Patents

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CN109510625A CN201910000494.6A CN201910000494A CN109510625A CN 109510625 A CN109510625 A CN 109510625A CN 201910000494 A CN201910000494 A CN 201910000494A CN 109510625 A CN109510625 A CN 109510625A
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金翔
来琦
肖永刚
李素芬
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707th Research Institute of CSIC
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/124—Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters
    • H03M1/1245—Details of sampling arrangements or methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明涉及一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，是采用FPGA扩展A/D采样芯片的结构，FPGA实现A/D采样的逻辑控制功能；包括采样电阻、信号调理电路、稳压源电路、A/D采样芯片ADS1281、FPGA，加速度计的电流信号由采样电阻转换为电压，经过信号调理电路进入A/D采样芯片ADS1281，该A/D采样芯片ADS1281的参考电压由高精度稳压源MAX6350来提供；加表输出的电流信号经过采样、信号调理以及滤波后输入到A/D采样芯片ADS1281，在FPGA的控制下，进行数据转换并把转换结果传送到FPGA，再由FPGA通过串口传送到***解算板解算。

Description

一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路
技术领域
本发明属于船舶导航***领域，涉及导航***惯性元件信号采集，尤其是一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路。
背景技术
目前，加速度计正朝着数字式、高精度、高输出速率的方向发展。作为惯导***的心脏，加速度计精度性能的优劣直接影响到捷联惯导***的精度。石英挠性加速度计虽然能提供较高的测量精度，但它采用模拟控制方式输出电流信号，而在现代惯导***中，导航计算机都采用高性能的数字计算机，要求惯性器件的数据必须是数字格式。因此，随着模拟式石英挠性加速度计精度的提高，能不失真地还原加速度计表头精度的高精度的数字读出电路的设计尤为重要。一种优异的数字电路能及时、有效地提供导航信息，而且从***的角度出发，也可以降低一些对传感器自身性能的要求。
为适应更为严苛的高精度技术指标要求，***设计要求达到——实时：解算周期10ms；高分辨率：达到1×10-5g；宽动态范围：±12g的量程。而已有的传统电路不能满足此指标要求，有必要开发一种新的电路采集***。
通过公开专利文献的检索，没有发现与本发明申请相关的公开专利文献的记载。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，该电路选用TI公司△-Σ结构的高精度模数转换器ADS1281和Xilinx公司的Spartan-6的FPGA产品XC6SLX25，完成满足精度指标要求的加速度计输出电流的检测。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，是采用FPGA扩展A/D采样芯片的结构，FPGA实现A/D采样的逻辑控制功能；包括采样电阻、信号调理电路、稳压源电路、A/D采样芯片ADS1281、FPGA，加速度计的电流信号由采样电阻转换为电压，经过信号调理电路进入A/D采样芯片ADS1281，该A/D采样芯片ADS1281的参考电压由高精度稳压源MAX6350来提供；加表输出的电流信号经过采样、信号调理以及滤波后输入到A/D采样芯片ADS1281，在FPGA的控制下，进行数据转换并把转换结果传送到FPGA，再由FPGA通过串口传送到***解算板解算。
而且，所述高精度稳压源的电路由MAX6350、电容C97、C98及R69所构成。MAX6350的电压精度达到0.02％，温度漂移典型值能达到0.5ppm/℃，C97、C98起稳压滤波作用，R69是为了满足ADS1281电压基准端要求输入要有有效阻抗的要求。
而且，所述信号调理电路包括两个运算放大器ADA4528-2及由C134、C135及C136构成的低通滤波器，用运算放大器ADA4528-2对加速度计信号进行调理，电压跟随后设置一个低通滤波器，该低通滤波器用于滤除高频信号对加速度计输出信号的干扰。
而且，所述A/D采样芯片ADS1281的转换电路是一片A/D采样芯片采集一路加速度计信号，由FPGA控制三路A/D芯片实现同步。
本发明的优点和积极效果是：
本发明成功改变了石英挠性加速度计数据采集的传统方式，通过高精度A/D转换器ADS1281和FPGA对石英挠性加速度计模拟信号进行采集，满足精度指标，节省了成本，实现了***的小型化，适用于大量程，低功耗的应用场合，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的***控制电路原理框图；
图2是本发明的稳压源MAX6350电路连接原理图；
图3是本发明的信号调理电路原理图；
图4是本发明的ADS1281转换电路原理图；
图5是本发明的A/D控制模块框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述；本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，包括采样电阻、信号调理电路、稳压源电路、A/D采样、FPGA等。加速度计的电流信号由采样电阻转换为电压，经过信号调理电路进入A/D芯片ADS1281，ADS1281的参考电压由高精度稳压源MAX6350来提供。本电路采用FPGA扩展A/D芯片的结构，FPGA实现A/D的逻辑控制功能，如图1所示。
本实施例所设计的采集石英挠性加速度计的输出电压需要高精度A/D转换器，而高精度A/D转换器的特点需要外部提供稳定的电压基准源。为了维持更为稳定的参考电压，需要将模拟地与数字地分开。本实施例采用高精度稳压源电路由MAX6350、电容C97、C98及R69所构成。MAX6350的电压精度达到0.02％，温度漂移典型值能达到0.5ppm/℃，C97、C98起稳压滤波作用，R69是为了满足ADS1281电压基准端要求输入要有有效阻抗的要求。电路连接原理图如图2所示。
本实施例中，所述信号调理电路参见图3，包括两个运算放大器ADA4528-2及低通滤波器，石英挠性加速度计输出的是电流信号，在前置电路中已经对该电流信号进行电压转换，该信号的电压范围是-2.5V～+2.5V。用运算放大器ADA4528-2对加速度计信号进行调理，主要是完成电压跟随器功能，电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，电压跟随后设置一个低通滤波器，该低通滤波器由C134、C135及C136构成，可以有效滤除高频信号对加速度计输出信号的干扰。
本实施例中，所述A/D转换电路参见图4，是利用ADS1281实现一片A/D芯片采集一路加速度计信号，由FPGA控制三路A/D芯片实现同步，这样可以避免三路A/D出现耦合现象；加表输出的电流信号经过采样、信号调理以及滤波后输入到ADS1281，在FPGA的控制下，进行数据转换并把转换结果传送到FPGA，再由FPGA通过串口传送到***解算板解算。
本实施例针对***软件的设计，其A/D控制模块可简化为如图5所示。***设计加速度计的采样率为32ksps，高精度ADS1281转换后的数据为24位串行数据，在导航计算机的解算周期内即串口发送周期内将A/D采集到的数据进行累加，累加结果保存在FIFO当中，等待串口模块的读取。
4阶△-Σ调节器为2+2型Pipeline结构，将量化噪声搬移到更高的频率域内(在通带之外)，这样，数字滤波器可以较为轻松地移除它。可编程数字滤波器接受调节器的输出，通过选择滤波器的数目，可以在分辨率与采样率之间权衡折中。滤波多，精度高；滤波少，速率高。本实施例中，经过权衡，选择片上部分滤波方式，使用Sinc Filter，采样速率达到32KSPS；校正部分是A/D芯片的增益、偏置调节器，可以调整A/D输出。

Claims (4)

1.一种石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，其特征在于：是采用FPGA扩展A/D采样芯片的结构，FPGA实现A/D采样的逻辑控制功能；包括采样电阻、信号调理电路、稳压源电路、A/D采样芯片ADS1281、FPGA，加速度计的电流信号由采样电阻转换为电压，经过信号调理电路进入A/D采样芯片ADS1281，该A/D采样芯片ADS1281的参考电压由高精度稳压源MAX6350来提供；加表输出的电流信号经过采样、信号调理以及滤波后输入到A/D采样芯片ADS1281，在FPGA的控制下，进行数据转换并把转换结果传送到FPGA，再由FPGA通过串口传送到***解算板解算。
2.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，其特征在于：所述高精度稳压源的电路由MAX6350、电容C97、C98及R69所构成。MAX6350的电压精度达到0.02％，温度漂移典型值能达到0.5ppm/℃，C97、C98起稳压滤波作用，R69是为了满足ADS1281电压基准端要求输入要有有效阻抗的要求。
3.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，其特征在于：所述信号调理电路包括两个运算放大器ADA4528-2及由C134、C135及C136构成的低通滤波器，用运算放大器ADA4528-2对加速度计信号进行调理，电压跟随后设置一个低通滤波器，该低通滤波器用于滤除高频信号对加速度计输出信号的干扰。
4.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的高精度AD采样及转换电路，其特征在于：所述A/D采样芯片ADS1281的转换电路是一片A/D采样芯片采集一路加速度计信号，由FPGA控制三路A/D芯片实现同步。
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