基于AD7609的石英撓性加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)

王浩 程文明 張國財(cái)

摘要：本文針對(duì)AD7609芯片和石英撓性加速度計(jì)相關(guān)內(nèi)容展開論述，通過研究轉(zhuǎn)換電路的選擇、設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)、移相電路設(shè)計(jì)、乘法器設(shè)計(jì)、低通濾波電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、開關(guān)電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，其目的在于提升采集電路設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性，提高加速計(jì)的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞：AD7609芯片;石英撓性加速度計(jì);移相電路;乘法器

加速度計(jì)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在航空航天、航海導(dǎo)航、武器系統(tǒng)制導(dǎo)等環(huán)節(jié)當(dāng)中，在分支體系當(dāng)中，石英撓性加速度計(jì)因結(jié)構(gòu)簡單、精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢，目前也得到了不斷推廣?；贏D7609芯片展開石英撓性加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)，可以對(duì)原有電路運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化處理，使其能夠轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電流輸出，從而提高電路信息傳遞的時(shí)效性和可靠性。

1相關(guān)內(nèi)容概述

1.1AD7609芯片

AD7609芯片是AD公司出品的一款A(yù)D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以將接收到的輸入信號(hào)，直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)對(duì)外輸出，及時(shí)輸入信號(hào)較弱，也可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化和輸出。同時(shí)芯片內(nèi)的可編程放大器，能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行增益處理，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部的寄存器對(duì)濾波時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以此來提高系統(tǒng)本身的更新頻率。同時(shí)在應(yīng)用中的+3V電源和1MHz主時(shí)鐘時(shí)，AD7609芯片的功耗只有1mW，具備較高的節(jié)能性，是非常便利的法分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.2石英撓性加速度計(jì)

石英撓性加速度計(jì)是指采用撓性支承的擺式加速度計(jì)。擺組件用兩根撓性桿與儀表殼體連接。撓性桿繞輸出軸的彎曲剛度很低，而其他方向的剛度很高。它的基本工作原理與液浮擺式加速度計(jì)類似。這種系統(tǒng)有一高增益的伺服放大器，使擺組件始終工作在零位附近。這樣撓性桿的彎曲很小，引入的彈性力矩也微小，因此儀表能達(dá)到很高的精度。這類加速度計(jì)有充油式和干式兩種。充油式的內(nèi)部充以高粘性液體作為阻尼液體，可改善儀表動(dòng)態(tài)特性和提高抗振動(dòng)、抗沖擊能力。干式加速度計(jì)采用電磁阻尼或空氣膜阻尼，便于小型化、降低成本和縮短啟動(dòng)時(shí)間，但精度比充油式低。

2基于AD7609的石英撓性加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1轉(zhuǎn)換電路的選擇

進(jìn)行石英撓性加速度計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇是采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度直接影響系統(tǒng)的精度。轉(zhuǎn)換器的選擇主要考慮以下幾個(gè)因素：（1）輸入電壓，為確保加速計(jì)正常工作，直接輸出電壓應(yīng)控制在-10V到+10V之間;（2）分辨率，這也是決定加速計(jì)顯示結(jié)果精細(xì)度的重要保障，基于AD7609芯片，其分辨率需要達(dá)到18位才能滿足要求;（3）精度，影響精度的因素包括系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種，這也是選擇時(shí)需要注意的內(nèi)容之一;（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間，即ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。一般情況下，毫米級(jí)屬于低速，微秒級(jí)屬于中速，而納秒級(jí)的屬于高速，結(jié)合實(shí)際情況匹配相應(yīng)參數(shù)，提升加速計(jì)的可靠性。

2.2設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)

進(jìn)行設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)也屬于重要的應(yīng)用內(nèi)容之一，為提升數(shù)據(jù)信息串聯(lián)的針對(duì)性和有效性，在實(shí)際應(yīng)用中，采用了同步串行接口，該接口的應(yīng)用優(yōu)勢在于，能夠?qū)o定總線上的多個(gè)互聯(lián)設(shè)備進(jìn)行額信息處理。這樣在數(shù)據(jù)信息傳遞的過程中，可以同時(shí)進(jìn)行多組數(shù)據(jù)信息的交互，即主機(jī)向從機(jī)傳遞信息的同時(shí)，其他的主機(jī)也可以完成字節(jié)數(shù)據(jù)傳遞，以此來提高轉(zhuǎn)換信號(hào)的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)該接口還能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行初始化調(diào)整，從而提高設(shè)備接口電路數(shù)據(jù)傳遞的有效性。

2.3移相電路設(shè)計(jì)

集合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以得知，載波激勵(lì)信號(hào)在電路中傳輸時(shí)，會(huì)受到差動(dòng)電容的影響，而出現(xiàn)相角偏移的情況，這樣也會(huì)降低電路對(duì)外輸出時(shí)的幅值，影響到信號(hào)的傳輸功率。對(duì)此在移相電路設(shè)計(jì)的過程中，可以將移動(dòng)相器電路的增益值提前設(shè)定為1，隨后將放大器設(shè)計(jì)為AD公司的AD7609芯片自運(yùn)算放大器，之前已經(jīng)簡單提到該芯片的應(yīng)用優(yōu)勢，這樣能夠滿足移相電路的正常運(yùn)行需求，具備較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2.4乘法器設(shè)計(jì)

在對(duì)乘法器進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇線性度良好、失真度較低的系統(tǒng)，這樣可以滿足系統(tǒng)進(jìn)行微弱信號(hào)調(diào)試的需求。AD7609芯片中國自帶的乘法器結(jié)構(gòu)，其精準(zhǔn)度相對(duì)較高，而且運(yùn)行期間所產(chǎn)生的噪聲相對(duì)較小，而運(yùn)行帶寬在10MHz到15MHz之間，這也有利于調(diào)制信號(hào)頻率地調(diào)整，并且在電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，也可以利用正弦波來完成既定的調(diào)制任務(wù)，從而將信號(hào)調(diào)制到幾十萬赫茲，量級(jí)遠(yuǎn)大于一般的噪聲量級(jí)，以便于濾波器進(jìn)行噪音信號(hào)的清除[1]。

2.5低通濾波電路設(shè)計(jì)

在章節(jié)2.4中已經(jīng)簡單提到，經(jīng)過乘法器處理之后，信號(hào)可以調(diào)制到幾十萬赫茲，以便以低通濾波電路來完成干擾信號(hào)的清理。在具體設(shè)計(jì)中，可以結(jié)合AD7609芯片特性來搭配相應(yīng)的濾波器結(jié)構(gòu)，例如，可以在源濾波器的基礎(chǔ)上，增加若干電阻，使其可以增加系統(tǒng)總電阻，降低通過電流，形成低通濾波電路。同時(shí)集合實(shí)際情況來調(diào)整元件參數(shù)，使其增益效果可以得到顯著提升，提高采集電路的應(yīng)用效果[2]。

2.6驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在采集電路設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電路的主要工作便是根據(jù)電容傳遞信號(hào)，對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚?。這樣可以滿足加速度計(jì)在應(yīng)用階段的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)應(yīng)用指標(biāo)，隨后將整個(gè)回路進(jìn)行通達(dá)情況的校正，對(duì)于各分支結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)和阻容參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在此過程中，可以搭配PLC技術(shù)來完成參數(shù)的校正，隨后對(duì)精密采樣電阻的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)[3]。

2.7開關(guān)電路設(shè)計(jì)

在開關(guān)電路的設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況來匹配相應(yīng)的儀表結(jié)構(gòu)，如某個(gè)加速計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)為5個(gè)G，那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中，儀表中的計(jì)標(biāo)度參數(shù)就需要控制在1.2mA/G到1.3mA/G，那么相匹配的開關(guān)恒源電流維持在8mA左右就可以滿足實(shí)用要求。而且開關(guān)電路在設(shè)計(jì)過程中，也需要滿足較高的增益性，同時(shí)帶寬也需要滿足實(shí)際的應(yīng)用要求，從而可以為采集電路的穩(wěn)定工作提供良好的輸出保護(hù)，以此來維持開關(guān)電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定性[4]。

2.8系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：第一，外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，結(jié)合AD7609芯片的應(yīng)用特點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)選擇嵌入式驅(qū)動(dòng)程度，即將程序關(guān)聯(lián)在電路接口當(dāng)中，同時(shí)對(duì)于硬件系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行屏蔽，使程序可以無差別下達(dá)指令，提高加速計(jì)計(jì)量過程的穩(wěn)定性。第二，系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)，針對(duì)加速計(jì)的不同結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中，會(huì)提供相應(yīng)的任務(wù)程序，使工作過程能夠變得更加具備針對(duì)性，以此來提高系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性[5]。

結(jié)束語

綜上所述，石英撓性加速度計(jì)在生產(chǎn)生活中具備較大的應(yīng)用優(yōu)勢，現(xiàn)階段已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了通過。通過將AD7609芯片融入到加速計(jì)采集電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于進(jìn)一步提升測量結(jié)果分辨率、精準(zhǔn)度有著積極地意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳大洋，李章承，唐立軍，賀慧勇.全數(shù)字閉環(huán)石英撓性加速度計(jì)系統(tǒng)校正與仿真[J].電子測試，2020（06）：20-23.

[3]郝鵬，張偉，陳銳.高精度石英加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，30（05）：678-683.

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[5]高雅彪，毛偉玲，李醒飛.石英撓性擺式加速度計(jì)閉環(huán)檢測電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，38（02）：70-72+76.

作者簡介：王浩（1984—），男，漢族，職稱：助理工程師，

江蘇省溧陽市，單位：浙江航天潤博測控技術(shù)有限公司，

研究方向：光纖陀螺的研發(fā)和設(shè)計(jì)。