石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究

張聲艷，劉 冬，馮忠偉，陳玉坤

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

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石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究

張聲艷，劉 冬，馮忠偉，陳玉坤

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

為解決目前數(shù)字閉環(huán)石英撓性加速度計(jì)(Digital Closed-Loop quartz flex Accelerometer, DCLA)實(shí)測精度與其理論極限精度存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的問題，進(jìn)行DCLA閉環(huán)檢測電路噪聲分析。建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，采用噪聲逐級(jí)檢測的方法，搭建基于噪聲分離的開環(huán)噪聲測試平臺(tái)，確定差動(dòng)電容檢測環(huán)節(jié)(C/V)是影響系統(tǒng)精度的主要因素。在此基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)后的試驗(yàn)樣機(jī)開展零偏穩(wěn)定性測試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Allan方差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的DCLA系統(tǒng)精度由65.49 μg提高到12.24 μg，與理論精度基本一致，充分驗(yàn)證了理論分析方法的正確性，為進(jìn)一步改善和優(yōu)化數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)系統(tǒng)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

數(shù)字閉環(huán);石英加速度計(jì);檢測電路;噪聲分析

0 引言

石英撓性加速度計(jì)具有精度高、長期穩(wěn)定性好、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在各種慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)、測量和控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-2]。傳統(tǒng)石英撓性加速度計(jì)一般采用模擬伺服電路，輸出為模擬信號(hào)，需外加開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路才能為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供數(shù)字信息，而轉(zhuǎn)換過程中將不可避免地造成精度損失，并隨時(shí)間累積。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)石英撓性加速度計(jì)的研究主要集中在表頭組件及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(I/F、V/F、A/D)的改進(jìn)上。盡管I/F與V/F方案能夠達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換精度，但由于采用測頻芯片，決定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率不可能很快，且成本較高；對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度受限于芯片位數(shù)，尤其是在小信號(hào)情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差較大[3]?？梢姡M式石英撓性加速度計(jì)對(duì)所用器件的依賴性大，難以解決精度損失的問題。

本文提出的基于數(shù)字閉環(huán)方案的石英撓性加速度計(jì)，可直接輸出數(shù)字量，理論上不存在開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的精度損失，且由于采用模擬電流反饋的方式，可避免因脈沖加劇引起的表頭疲勞問題[4]，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)加速度計(jì)的精度要求也越來越高，而噪聲是制約數(shù)字加速度計(jì)系統(tǒng)精度的重要因素，因此為提高數(shù)字加速度計(jì)的測量精度，需要對(duì)系統(tǒng)噪聲特性進(jìn)行深入研究。本文基于現(xiàn)有石英撓性擺式加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測方案，根據(jù)誤差的產(chǎn)生機(jī)理確定閉環(huán)系統(tǒng)中存在的各誤差源，建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，分析了各誤差參數(shù)對(duì)系統(tǒng)精度的影響，最后通過噪聲分級(jí)測試，確定影響系統(tǒng)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)及測試，從而驗(yàn)證理論分析結(jié)果。

1 工作原理

本文所研究的數(shù)字式加速度計(jì)檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由機(jī)械表頭和數(shù)字閉環(huán)檢測電路兩大部分組成。表頭檢測質(zhì)量組件由鍍膜石英擺片和粘接在它上面的兩個(gè)力矩器線圈組成，通過撓性擺片和上、下極板組成的差動(dòng)電容將敏感到的外界加速度轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號(hào)傳送到數(shù)字閉環(huán)檢測電路作進(jìn)一步處理[5-6]。

圖1 數(shù)字閉環(huán)石英撓性加速度計(jì)原理框圖

數(shù)字閉環(huán)檢測電路以FPGA為核心，主要包括電容調(diào)制信號(hào)、模擬差分放大、數(shù)字信號(hào)處理和反饋電流驅(qū)動(dòng)四部分，代替了傳統(tǒng)的模擬檢測電路和后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，其主要功能包括：(1)產(chǎn)生用于調(diào)制加速度計(jì)表頭電容的調(diào)制信號(hào)；(2)接收由表頭輸出的加速度信號(hào)；(3)輸出與加速度信號(hào)成線性關(guān)系的反饋電流信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)伺服平衡；(4)直接輸出數(shù)字信息給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。

2 理論研究

2.1 誤差模型建立

根據(jù)DCLA系統(tǒng)信號(hào)流向，建立閉環(huán)系統(tǒng)誤差模型，如圖2所示。其中ain為沿輸入軸作用的加速度，ap為沿?cái)[軸作用的加速度，KB為擺性，Md為干擾力矩，J為擺組件繞輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C為擺組件的阻尼系數(shù)，Ks為撓性擺組合剛度，β為信號(hào)傳感器機(jī)電零位與擺組件機(jī)械零位之間的彈性恢復(fù)角，k1為差動(dòng)傳感器系數(shù)，kCV為C/V轉(zhuǎn)換電路伺服放大器增益系數(shù)，kAD為A/D轉(zhuǎn)換系數(shù)，kDA為D/A轉(zhuǎn)換系數(shù)，kVI為V/I轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，kt為力矩器系數(shù)，nCV為電路熱噪聲，nAD為A/D量化噪聲，nDA為D/A量化噪聲。

圖2 系統(tǒng)誤差模型結(jié)構(gòu)框圖

可以看出，本系統(tǒng)中主要存在的噪聲環(huán)節(jié)有表頭組件環(huán)節(jié)、差動(dòng)電容檢測環(huán)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)及D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，通過理論分析，得出各環(huán)節(jié)噪聲均方根值如表1所示[7]。在數(shù)字加速度計(jì)系統(tǒng)輸出端污染噪聲為白噪聲的情況下，可得到閉環(huán)檢測系統(tǒng)1 s輸出時(shí)的理論精度為5.236 4 μg。

表1 系統(tǒng)各噪聲源及表征值

2.2 Simulink建模仿真

基于上述分析結(jié)果，在連續(xù)域及數(shù)字域分別建立基于各環(huán)節(jié)噪聲源的Simulink仿真模型，如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出差動(dòng)電容檢測環(huán)節(jié)是影響系統(tǒng)精度的主要因素，其噪聲水平與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)無關(guān)，因此為提高系統(tǒng)靜態(tài)精度水平，需進(jìn)一步改善電容檢測環(huán)節(jié)的性能。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 開環(huán)噪聲分級(jí)測試

為分析數(shù)字加速度計(jì)檢測電路前向通道中各噪聲源對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，在開環(huán)情況下，采用由后至前、逐級(jí)檢測的方法進(jìn)行噪聲分級(jí)測試[8]，實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

首先，斷開反饋及調(diào)制通道并將A/D輸入端接地，所得加速度計(jì)的開環(huán)輸出為A/D環(huán)節(jié)的量化噪聲；其次，恢復(fù)C/V轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換之間的連接，并將差動(dòng)電容輸入端接地，所得輸出為C/V及A/D兩個(gè)環(huán)節(jié)的綜合噪聲；最后，接通調(diào)制環(huán)節(jié)并將兩個(gè)電容值相等的獨(dú)石電容代替表頭電容，所得輸出為調(diào)制、C/V及A/D三個(gè)環(huán)節(jié)的綜合噪聲。

圖4 開環(huán)噪聲分級(jí)測試原理

根據(jù)噪聲獨(dú)立作用原理，利用方和根公式，計(jì)算得到A/D量化噪聲、C/V檢測電路噪聲、調(diào)制環(huán)節(jié)噪聲等效加速度分別為0.709 μg、18.918 μg、3.423 μg。可以看出，開環(huán)情況下，A/D量化噪聲對(duì)系統(tǒng)精度影響較小，而C/V檢測電路噪聲所占比例為82.07%，其對(duì)系統(tǒng)精度的影響是最為顯著的。

上述理論及試驗(yàn)結(jié)果均表明差動(dòng)電容檢測電路是影響系統(tǒng)精度的主要因素，因此對(duì)其進(jìn)行如下改進(jìn)：(1)采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)配置的方法，解決了大阻值與低噪聲之間的矛盾；(2)采用“驅(qū)動(dòng)電纜”及等電勢屏蔽技術(shù)以減小表頭寄生雜散電容影響。對(duì)改進(jìn)后的樣機(jī)重復(fù)進(jìn)行上述開環(huán)噪聲測試實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如圖5所示，測得A/D量化噪聲、C/V檢測電路噪聲、調(diào)制環(huán)節(jié)噪聲等效加速度分別為0.856 μg、5.168 μg、2.591 μg。可以看出，改進(jìn)后樣機(jī)噪聲水平有了較大的改善。

圖5 開環(huán)噪聲測試曲線(改進(jìn)后)

3.2 零偏穩(wěn)定性試驗(yàn)

在穩(wěn)態(tài)情況下，數(shù)字加速度計(jì)的靜態(tài)輸出是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程，其輸出值將圍繞均值起伏波動(dòng)，零偏穩(wěn)定性作為衡量加速度計(jì)靜態(tài)精度性能的重要指標(biāo)，可以采用功率譜噪聲密度PSD、阿倫方差或均方根有效值進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文基于改進(jìn)后的樣機(jī)，搭建DCLA系統(tǒng)測試平臺(tái)，如圖6所示，在該平臺(tái)下開展DCLA零偏穩(wěn)定性試驗(yàn)，同時(shí)類比于光纖陀螺數(shù)據(jù)分析方法，采用Allan方差方法對(duì)改進(jìn)后的DCLA系統(tǒng)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6 系統(tǒng)測試平臺(tái)

圖7 1 g穩(wěn)定性測試結(jié)果

3.3 Allan方差分析

本實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)采集加速度計(jì)1 h輸出數(shù)據(jù)，將采樣時(shí)間間隔設(shè)置為10 ms，類比光纖陀螺得出加速度計(jì)中各項(xiàng)噪聲[9]，得出加速度計(jì)Allan標(biāo)準(zhǔn)差雙對(duì)數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 Allan標(biāo)準(zhǔn)差雙對(duì)數(shù)曲線

可以看出，改進(jìn)后樣機(jī)Allan標(biāo)準(zhǔn)差雙對(duì)數(shù)曲線較為平滑，除加速度斜坡系數(shù)R外，量化噪聲系數(shù)Q、速度隨機(jī)游走N、零偏不穩(wěn)定性系數(shù)B、加速度隨機(jī)游走系數(shù)K的指標(biāo)均有較大改善。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)的工作原理，通過對(duì)表頭機(jī)械環(huán)節(jié)、差動(dòng)電容檢測電路環(huán)節(jié)以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的噪聲特性進(jìn)行深入分析，并通過噪聲分級(jí)測試，驗(yàn)證了差動(dòng)電容檢測電路是影響系統(tǒng)精度的主要環(huán)節(jié)，對(duì)改進(jìn)前后的系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行零偏穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)精度由65.49 μg提高到12.24 μg，實(shí)測結(jié)果與理論精度基本處于同一量級(jí)，同時(shí)引入Allan方差對(duì)改進(jìn)后樣機(jī)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，能夠滿足高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的使用要求。

本文研究成果可為優(yōu)化和改善數(shù)字閉環(huán)加速度計(jì)系統(tǒng)的測量精度提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，且相關(guān)研究方法也可用于其他微弱信號(hào)檢測系統(tǒng)的精度分析。

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Noise analysis for the digital closed-loop detection circuit of quartz-flex accelerometer

Zhang Shengyan, Liu Dong, Feng Zhongwei, Chen Yukun

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076，China)

In order to solve the problem that the current measuring accuracy of digital closed-loop quartz flex accelerometer (DCLA) is less than its theoretical limit precision accuracy, the circuit noise of the DCLA is analyzed. The closed-loop system error model is established, and an open-loop noise-platform based on the noise separation is built with the method of detecting the noise level by level, then the differential capacitance detection link is regarded as the main factor affecting the system accuracy. With the optimized experimental prototype, Allan variance analysis and the stability test show that the system accuracy increases from 65.49 μg to 12.24 μg. Test result fully agrees with the theoretical analysis and provides the basis and guidance for further improving and optimizing the digital closed-loop accelerometer.

digital closed-loop; quartz accelerometer; detection circuit; noise analysis

V441

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.008

張聲艷，劉冬，馮忠偉，等. 石英撓性加速度計(jì)數(shù)字閉環(huán)檢測電路噪聲研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：26-29.

2016-07-10)

張聲艷(1989-)，通信作者，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：GNC系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。E-mail:buaazhangshengyan@126.com。

劉冬(1974-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

馮忠偉(1982-)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。