石英加速度計(jì)的高分辨率大量程I/F轉(zhuǎn)換電路

張子鵬，馬家君，劉清楊，呂嫣然，黃月銳涵，蔣軍彪

(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西西安 710065)

0 引言

石英撓性加速度計(jì)通過輸出電流的大小來表示載體加速度的大小，是高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件，其具有精度高、抗干擾性好等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-6]。石英撓性加速度計(jì)的輸出電流需要通過轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[7-13]。常用的轉(zhuǎn)換電路主要有A/D轉(zhuǎn)換和I/F轉(zhuǎn)換2種，其中，A/D轉(zhuǎn)換電路具有功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但該轉(zhuǎn)換電路存在量化誤差、輸出噪聲大等問題；I/F轉(zhuǎn)換電路具有轉(zhuǎn)換精度高、受溫度影響小、誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于慣導(dǎo)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換中[14-15]。

然而，在I/F電路設(shè)計(jì)中，較大的閾值電壓具有較大的量程，但不能獲得較高的分辨率，較小的閾值電壓具有較高分辨率但不能獲得較大的量程，量程和分辨率這兩個(gè)指標(biāo)相互矛盾。針對(duì)這一問題，目前，主要采用I/F轉(zhuǎn)換+A/D轉(zhuǎn)換的方式[16]，此方法已廣泛應(yīng)用于各種I/F轉(zhuǎn)換電路中，提高了加速度計(jì)通道的輸出當(dāng)量，但降低了I/F轉(zhuǎn)換電路動(dòng)態(tài)分辨率[17]。王曉東、黃武揚(yáng)等提出了通過I/F+A/D+DSP的設(shè)計(jì)思路[17]，在一定程度上同時(shí)滿足了分辨率和大量程的需求，但高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片成本過高且受制于發(fā)達(dá)國(guó)家，此方案不易得到廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種新型I/F轉(zhuǎn)換電路用以解決上述問題，在電路結(jié)構(gòu)上額外增加2路比較器用來判斷小電流極性，在算法上通過設(shè)置時(shí)間t1來劃分大、小電流，對(duì)大、小電流分別執(zhí)行不同的解算程序。與現(xiàn)有I/F轉(zhuǎn)換電路方案相比，該I/F轉(zhuǎn)換電路在提升小電流轉(zhuǎn)換尤其是微小電流轉(zhuǎn)換的效率及分辨率上效果尤為顯著。

1 I/F轉(zhuǎn)換電路分析

1.1 I/F轉(zhuǎn)換電路基本原理

I/F轉(zhuǎn)換電路由電流積分器、正向通道滯回比較器、負(fù)向通道滯回比較器、邏輯處理器、標(biāo)頻電路、正向通道模擬開關(guān)、負(fù)向通道模擬開關(guān)、正向通道反饋恒流電流源、正向通道反饋電流等模塊組成，如圖1所示。

圖1 I/F轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖

在I/F轉(zhuǎn)換電路中，石英撓性加速度計(jì)的輸出電流通過電流積分器進(jìn)行積分，電流積分器輸出電壓達(dá)到滯回比較器的閾值電壓時(shí)，滯回比較器輸出從低電平跳變至高電平，數(shù)字邏輯電路則打開對(duì)應(yīng)的模擬開關(guān)使電流積分器放電。當(dāng)電流積分器電壓被放電至0時(shí)，滯回比較器從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，?shù)字邏輯電路接收由高到低的跳變信號(hào)后控制模擬開關(guān)斷開。I/F轉(zhuǎn)換電路以滯回比較器的輸出頻率作為輸出頻率。

1.2 分辨率和大量程相互矛盾的主要原因分析

在傳統(tǒng)I/F轉(zhuǎn)換電路中，電流積分器的積分電壓達(dá)到滯回比較器設(shè)置的閾值電壓時(shí)，滯回比較器才發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。圖2給出在不同閾值電壓下I/F轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換特性。

圖2(a)中，在較大的閾值電壓下，大電流輸入信號(hào)可以在短時(shí)間內(nèi)積分到閾值電壓，但若輸入電流信號(hào)較小，電流積分器在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無法積分到滯回比較器的閾值電壓，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電路長(zhǎng)時(shí)間無法更新輸出，破壞轉(zhuǎn)換電路的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致電路對(duì)小電流信號(hào)不敏感，從而在大量程下不能獲得較高的分辨率；圖2(b)中，在較小的閾值電壓下，小電流輸入信號(hào)可以在短時(shí)間內(nèi)積分到閾值電壓，但若輸入電流信號(hào)較大，因?yàn)殡娏鞑荒芡蛔儯娏魃仙倪^程中積分器輸出已達(dá)到閾值電壓，導(dǎo)致測(cè)量大電流時(shí)電路輸出產(chǎn)生失真，從而在高分辨率下不能獲得較的大量程。

(a)大閾值電壓

以上分析表明，在I/F轉(zhuǎn)換電路中，固定的滯回比較器的閾值電壓是影響I/F轉(zhuǎn)換電路分辨率和量程相互矛盾的主要原因。

1.3 I/F轉(zhuǎn)換電路的改進(jìn)

根據(jù)以上分析，若能消除閾值電壓對(duì)I/F轉(zhuǎn)換電路分辨率和量程所造成的影響，就可以解決I/F轉(zhuǎn)換電路大量程和高分辨率相互矛盾的問題。本文提出了一種新的I/F轉(zhuǎn)換電路，該電路首先將I/F轉(zhuǎn)換電路的閾值電壓設(shè)置足夠大以保證轉(zhuǎn)換電路的量程，其次在電路結(jié)構(gòu)和算法上改進(jìn)，保證在小電流輸入情況下，I/F轉(zhuǎn)換電路也可在短時(shí)間內(nèi)更新輸出，確保I/F轉(zhuǎn)換電路具有較高的分辨率。在電路結(jié)構(gòu)上，新增加了2路比較器，一路正向通道比較器。一路負(fù)向通道比較器；正向通道比較器正相輸入端接地，反相輸入端接電流積分器輸出端，輸出端接邏輯處理器。反向通道比較器反相輸入端接地，正相輸入端接電流積分器輸出端，輸出端接邏輯處理器；在邏輯處理器輸出端后分別增加正、反向通道比較器所對(duì)應(yīng)的模擬開關(guān)和恒流反饋電流源，改進(jìn)后的I/F轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的I/F轉(zhuǎn)換電路

在電流解算算法上，首先在邏輯處理器內(nèi)設(shè)置2個(gè)有固定時(shí)鐘頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)器1和時(shí)間計(jì)數(shù)器2，并設(shè)置時(shí)間t1，石英撓性加速度計(jì)輸入電流的積分電壓U若在t1時(shí)間內(nèi)達(dá)到滯回比較器所設(shè)閾值電壓Uth，即

(1)

式中：t1為邏輯處理器設(shè)置時(shí)間，s；I為轉(zhuǎn)換電路輸入電流，A；C為積分電容，F(xiàn)；Uth為滯回比較器閾值電壓，V。

則認(rèn)定為大電流輸入，計(jì)數(shù)器1開始計(jì)數(shù)，電流積分器輸出達(dá)到Uth時(shí)計(jì)數(shù)器1輸出計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)t2并清零，根據(jù)積分式

(2)

式中t2為邏輯處理器設(shè)置時(shí)間，s。

可得小電流輸入下的轉(zhuǎn)換電流與計(jì)數(shù)時(shí)間的關(guān)系為

I=UthC/t2

(3)

(4)

式中：t3為計(jì)數(shù)器2輸出時(shí)間數(shù)據(jù)，s；I1為反饋電流源電流，A。

則大電流輸入下的轉(zhuǎn)換電流與計(jì)數(shù)時(shí)間的關(guān)系為

(5)

改進(jìn)后的I/F轉(zhuǎn)換電路流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文選用QA系列石英撓性加速度計(jì)表頭來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，將I/F轉(zhuǎn)換電路、石英撓性加速度計(jì)表頭固定在高精度溫箱轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過斜置法給定不同的加速度，并對(duì)I/F轉(zhuǎn)換電路的分辨率、量程和轉(zhuǎn)換速度等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

表1 石英撓性加速度計(jì)表頭性能

2.2 轉(zhuǎn)換速度與量程測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過程中，積分電容為0.2 μF、正閾值電壓為0 V與12 V、負(fù)閾值電壓為-12 V與0 V、大電流反饋電流源為±40 mA、小電流反饋電流源為±5 mA。電流量程為36 mA(約30g)，積分器的輸出電壓由0 V升至某一數(shù)值后又降為0 V為一個(gè)電流解算周期，積分器的輸出波形與輸入電流的關(guān)系如圖5所示。

圖5結(jié)果表明：在大電流輸入時(shí)，2種I/F轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換曲線基本重合，解算速度基本一致，說明新型I/F轉(zhuǎn)換電路不會(huì)降低大電流解算速度和原有的轉(zhuǎn)換量程。然而，新型I/F轉(zhuǎn)換電路在小電流輸入時(shí)的解算速度較快，在微小電流輸入時(shí)的解算速度得到明顯提升。表2對(duì)比了原有I/F轉(zhuǎn)換電路與新型I/F轉(zhuǎn)換電路在±3、±1、±0.1、±0.05 mA輸入電流下的解算速度。在輸入電流為±3、±1、±0.1、±0.05 mA時(shí)，新型I/F轉(zhuǎn)換電路的解算速度分別提升了約30%、298%、4 800%、9 600%；在輸入電流為±0.1 mA時(shí)，新型I/F轉(zhuǎn)換電路只需0.5 ms就產(chǎn)生輸出。

(a)36 mA

表2 不同輸入電流下解算速度對(duì)比

2.3 分辨率測(cè)試

為了分析新型I/F轉(zhuǎn)換電路的分辨率，圖6對(duì)比了新型I/F轉(zhuǎn)換電路與傳統(tǒng)I/F轉(zhuǎn)換電路在輸入電流為-1～1 mA連續(xù)變化時(shí)的輸出響應(yīng)，為了進(jìn)一步證實(shí)2種I/F轉(zhuǎn)換電路的最小有效分辨率，對(duì)圖6中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理并作出表3。

圖6 輸入輸出電流對(duì)比圖

表3 不同輸入小電流下數(shù)據(jù)對(duì)比表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳統(tǒng)I/F轉(zhuǎn)換電路因?yàn)閷?duì)小電流的轉(zhuǎn)換需較長(zhǎng)的時(shí)間，在連續(xù)變化的小電流輸入下，無法及時(shí)更新輸出，從而造成轉(zhuǎn)換輸出臺(tái)階效應(yīng)特別明顯。新型I/F轉(zhuǎn)換電路解決了對(duì)小電流轉(zhuǎn)換慢的問題，電流解算時(shí)間快，臺(tái)階效應(yīng)基本消失。在表3中，新型I/F轉(zhuǎn)換電路在輸入電流為0.001 mA時(shí)轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到95%，轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.5 ms，在輸入電流大于0.001 mA時(shí)轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到96%以上，表明新型I/F轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換分辨率優(yōu)于1×10-6g。

3 結(jié)論

為了解決I/F轉(zhuǎn)換電路高分辨率和大量程相互矛盾的問題，本文提出了新型I/F轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)和電流解算程序。指出原有I/F轉(zhuǎn)換電路分辨率和量程相互矛盾的主要原因是在小電流輸入下不能在短時(shí)間內(nèi)積分到閾值電壓，而導(dǎo)致I/F轉(zhuǎn)換電路分辨率下降。改進(jìn)后的I/F轉(zhuǎn)換電路在保證量程的同時(shí)解決了原有I/F轉(zhuǎn)換電路在小電流輸入時(shí)分辨率下降的問題，有效提升了I/F轉(zhuǎn)換電路的分辨率，為高性能I/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)提供了重要參考。