一種高精度加速度計數(shù)字采集電路設計

鄧盼盼，潘 良，白 亮

（西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西西安 710065）

在高精度慣性導航裝置中，主要采用石英撓性加速度計測量運載體的加速度[1]。由于石英撓性加速度計輸出信號是模擬電流信號，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能為導航計算機運用，進行導航結算。常用的加速度計數(shù)字采集電路有三種：A/D 轉(zhuǎn)換方案[2-3]、V/F 轉(zhuǎn)換方案[3-4]和I/F 轉(zhuǎn)換方案[5-7]。在高精度慣性導航裝置中，主要使用的是I/F 轉(zhuǎn)換方案[8-9]。I/F 轉(zhuǎn)換方案采用電荷平衡式變換原理，對輸入電流信號進行連續(xù)測量，與A/D 采樣相比不會丟失任何信號。V/F 方案由于多了一次I-V 裝換，達不到高精度要求。該文在傳統(tǒng)I/F 電路基礎上，優(yōu)化電路設計，使用單恒流源技術[10]、溫度補償[11-12]等技術，研制了一種高精度加速度計數(shù)字采集電路。

1 電路原理

傳統(tǒng)電荷平衡式I/F 轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖1 所示。電路由積分器、比較器、邏輯控制電路、電子開關、正負兩路恒流源、輸出電路等組成。加速度計電流信號i經(jīng)過積分電路轉(zhuǎn)換成積分電壓，電壓不斷升高；當經(jīng)過一段時間T1后，積分電壓大于比較器閾值電壓時，邏輯控制電路觸發(fā)電子開關導通對應恒流源Ic，積分電壓減小，積分電壓降至閾值電壓后，恒流源開關關閉，積分電路再次充電；同時邏輯控制電路產(chǎn)生一個脈沖輸出信號。積分電路如此充放電，就會產(chǎn)生一定頻率的脈沖輸出。

假定i在時間T1內(nèi)積累的電荷為Qin，i和Ic共同作用的時間T2內(nèi)電荷量為Qout，即：

根據(jù)電荷平衡原理，Qin=Qout，則有：

式中，f為輸出信號頻率；fp為標頻；T1+T2為輸入電流工作時間，T2為恒流源打開時間。

2 電路設計

2.1 硬件電路設計

該文設計的I/F 轉(zhuǎn)換電路的原理框圖如圖2 所示。電路由積分器、A/D 采樣電路、電子開關、單恒流源、FPGA 等組成。A/D 采樣電路取代圖1 中的比較器，通過FPGA 實現(xiàn)圖1 中的邏輯控制電路，A/D采樣電路能提高加速度計采集電路采樣分辨率和采樣精度[10]。同時通過FPGA 控制極性開關實現(xiàn)單恒流源替代正負恒流源電路，以達到降低功耗，提升電路性能的目的。

圖2 優(yōu)化后的I/F轉(zhuǎn)換電路原理框圖

2.2 單恒流電路的分析和設計

2.2.1 恒流源電路的主要性能

慣導系統(tǒng)中的I/F 轉(zhuǎn)換電路用的恒流源，即要滿足轉(zhuǎn)換電路本身的要求，又要滿足系統(tǒng)的要求。

1）電流幅值

由于最大加速度為amax，且加速度計的電流標度因數(shù)為K1，那么恒流源的電流幅值為：

2）電源電壓波動電流不穩(wěn)定度

實際應用中，彈上電源電壓在其他設備啟動時，波動較大，將會影響恒流源的穩(wěn)定性，正常電源電壓時恒流源輸出電流為I0，點煙電壓變化ΔV（如變化10%）后恒流源電流變化為I0v，那么電源電壓波動產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定度M（單位為10-6/V）為：

3）負載電壓波動電流不穩(wěn)定度

I/F 轉(zhuǎn)換電路隨著加速度方向的變化、幅值的變化，恒流源的負載電壓也隨之變化，如負載電壓變化3 V，負載電阻為零時的輸出電流為I0，負載電阻變化是的輸出電流為IR，則電流不穩(wěn)定度N為：

負載變化的電流不穩(wěn)定度也可以定義為輸出阻抗的大小，如式（8）所示：

式中，ΔV為負載波動引起的電壓變化值；ΔI為負載波動引起的電流變化值。

4）溫度系數(shù)

外界環(huán)境溫度變化ΔT時，輸出電流的變化量ΔI，常溫時恒流源電流為I0，其溫度系數(shù)Tc（單位為10-6/℃）為：

5）時間穩(wěn)定性

恒流源在常溫下連續(xù)通電時，電流的相對變化量與通電時間t的比值為時間穩(wěn)定性系數(shù)（單位為10-6/h），如式（10）所示：

6）頻帶寬度

恒流源的負載是變化的，因而它應具有快速的響應能力，其頻帶寬度應比轉(zhuǎn)換電路時鐘頻率值大。

2.2.2 恒流源電路的工作原理和誤差分析

恒流源電路是一個負反饋自動調(diào)整系統(tǒng)，通過負反饋調(diào)整系統(tǒng)達到恒定電路的目的，恒流精度與放大器的放大倍數(shù)有關，放大倍數(shù)越大，其靜態(tài)誤差就越小，也就是要有高增益低漂移的運算放大器。當增益很高時，恒流源電流可寫成I0=VstRs。Vst為基準電壓，Rs為基準采樣電阻。實際上，采樣電壓Vs與基準電壓Vst是相同的，因而恒流源電流可改為I0=VsRs，所以Vst、Vs、Rs及運算放大器是決定恒流源精度的關鍵。恒流源電路如圖3 所示。

圖3 恒流源電路圖

影響恒流源精度的主要因素：一個來源于基準穩(wěn)壓管的Vst，一個來源于采樣電阻Rs。Vst和Rs隨溫度和時間的任何變化，都將直接影響輸出電流I0，由公式可得：

就時間漂移來講，現(xiàn)選用精度基準穩(wěn)壓管的時漂在5×10-6/1 000 h的水平，而精密電阻器時漂在10-5量級。因此，恒流源輸出的時漂主要取決于采樣電阻Rs。

針對溫度漂移，Vst和Rs都是溫度系數(shù)的函數(shù)。只有將兩種參數(shù)的溫度系數(shù)調(diào)整到相同時，I0的溫度系數(shù)達到最佳。

另外，由于基準穩(wěn)壓管內(nèi)阻的存在，Vst還是工作電流的函數(shù)，要保證Vst極其穩(wěn)定，其工作電流要非常穩(wěn)定。在此單元電路設計時，應考慮到這點。恒流源第一級電路，采用基準穩(wěn)壓管自穩(wěn)定設計，運放的失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流、偏置電流及其各自的漂移，都會影響穩(wěn)壓管Vst的輸出穩(wěn)定。相對其他因素，基準穩(wěn)壓管的內(nèi)阻可忽略不計。

在電流調(diào)整級電路中，運放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及偏置電流，也是影響恒流源電流精度的因數(shù)?？紤]誤差項的恒流源電路如圖4 所示。

圖4 考慮誤差項后恒流源等效電路

圖4 中，Eos為運放的失調(diào)電壓，Ib為偏置電流，Ig為漏電流，由圖可知：

由公式可知，Eos、Ib和Ig的時間、溫度不穩(wěn)定都將影響輸出電流I0的穩(wěn)定性。只是這些因素的影響都很微弱，通?？珊雎圆挥?。

電源電壓的變化，也會影響基準穩(wěn)壓管輸出電壓Vst，同時影響恒流源I0的精度。穩(wěn)壓值Vst是相對電源的一個相對值，其變化微不足道，在選取較大放大倍數(shù)的運算放大器時，電源電壓影響的量級可忽略不計。

綜上所述，要保證恒流源精度，運算放大器要有較小的失調(diào)漂移和足夠大的放大倍數(shù)；其次是采樣電阻Rs的選擇，采用合金箔電阻器，其溫度系數(shù)在×10-6量級；基準穩(wěn)壓管Vst的值要選用溫度系數(shù)為2×10-6/℃，長期穩(wěn)定性為5×10-6，動態(tài)電阻為0.5 Ω等性能指標以上的穩(wěn)壓基準管。

2.2.3 恒流源電路主要器件

該文設計了一種單恒流源電路，如圖5 所示。在目前生產(chǎn)的帶隙基準電壓源中，以LM199AH 的電壓溫度系數(shù)為最低，性能最佳。LM199AH 自帶恒溫器，可將芯片溫度自動調(diào)節(jié)到90 ℃。普通穩(wěn)壓管是在半導體內(nèi)部的次表面上發(fā)生齊納擊穿的，使器件的噪聲電壓顯著降低，穩(wěn)定性大為提高。LM199AH就是采用次表面隱埋技術制成的齊納穩(wěn)壓管提供的，具有長期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點。此外它還具有恒溫特性，只要環(huán)境溫度小于90 ℃，就能消除溫度變化對基準電壓的影響，使其溫度系數(shù)達到0.3×10-6/℃（典型值）。LM199AH 是目前工程應用中穩(wěn)定性最好的電壓基準管，各種高精度數(shù)字表、標準源均使用它作為電壓基準。

圖5 單恒流源電路

對采樣電阻的要求是阻值精度高、體積小、溫度系數(shù)小。I/F 轉(zhuǎn)換電路采樣電阻選用RJ711 精密合金箔電阻，其阻值精度可達到±0.01 Ω，溫度系數(shù)達到±5×10-6/℃。

比較放大器由運算放大器和符合調(diào)整管組成。它將基準電壓和恒流電流在采樣電阻上的壓降（即采樣電壓）進行比較，在負反饋的作用下，達到負載電流的穩(wěn)定。電路的動態(tài)電阻可以用復合管的ΔVDSΔI0來表示，它與電壓放大倍數(shù)成正比，也與復合管的特性有關，特性曲線越平坦，輸出阻抗就越大，可以導出動態(tài)阻抗的表達式：

式中，K1為運算放大器的開環(huán)電壓增益；K2為復合調(diào)整管的電壓增益；RST為采樣電阻；ΔVDS為調(diào)整管上電壓的變化值，即負載電壓波動時的變化值；ΔI0為負載變化時引起恒流電流的變化值。

運算放大器應具有較低的輸入偏置電流和失調(diào)電壓、高壓擺率、低漂移等。運算放大器的主要參數(shù)如下：輸入失調(diào)電壓為30 μV，輸入失調(diào)電流為10 nA，失調(diào)電壓溫漂≤1 μV/℃，轉(zhuǎn)換速率為2.8 V/μs。

經(jīng)過調(diào)試，高精度恒流源的性能指標可達：恒流電流42 mA、電源電壓波動10%時的電流相對變化率小于2×10-5、輸出阻抗大于3 MΩ、時間穩(wěn)定性小于10-5/h、溫度系數(shù)小于10-5/℃。

極性開關最主要的性能包括漏電流、導通電阻、開關速度等，這幾項指標也直接影響I/F 轉(zhuǎn)換電路的經(jīng)度。該文選用雙SPST 模擬開關ADG1423，該器件具有高速、低功耗、低延時、低導通電阻、低導通電阻平坦度和高線性度等特點。ADG1423 導通電阻不大于2.1 Ω，導通平坦度不大于0.5 Ω，不用數(shù)字電壓供電。

2.2.4 恒流源電路設計

傳統(tǒng)I/F 轉(zhuǎn)換電路使用正負兩路恒流源，如圖6所示，正負恒流源通過兩個電子開關與積分器信號相連，當需要正恒流源時，打開電子開關U4；當需要負恒流源時，打開電子開關U3。傳統(tǒng)的一路I/F 轉(zhuǎn)換電路需要正負兩路恒流源電路，實現(xiàn)相同功能需要的電子元器件多，需要的功耗大，不利于電路的小型化。

圖6 雙恒流源電路

該文電路通過電子開關切換實現(xiàn)單恒流源電路代替正負雙恒流源電路的功能。R1是高精密合金箔電阻，S1-S6 為3 組雙SPST 模擬開關ADG1423，通過FPGA 控制開關的打開和閉合。當S1、S3 閉合，S2、S4 斷開時，恒流源為正恒流源；當S1、S3 斷開，S2、S4閉合時，恒流源為負恒流源。通過S5、S6 控制恒流源與積分器信號的通斷。單恒流源I/F 電路與傳統(tǒng)I/F電路相比，積分電路是一樣的，區(qū)別在于通過增加電子開關，實現(xiàn)了恒流源的精簡，達到降低功耗、減小熱量產(chǎn)生、減小溫度影響，提高線性度和對稱性的目的。

2.3 溫度補償電路

該文設計的高精度加速度計采集電路應在-45～75 ℃溫度范圍內(nèi)，電路中的電子元器件存在一定的溫漂，導致溫度變化時輸出頻率變化。采用數(shù)字溫度補償方法，可減小溫度對輸出頻率的影響。數(shù)字補償電路由測溫電路，A/D采樣電路和FPGA組成[12-13]。測溫電路是對鉑電阻的溫度信號進行采集和放大，再由A/D 進行采樣，F(xiàn)PGA 將A/D 采集的溫度信息進行數(shù)據(jù)處理。

3 軟件設計

FPGA 采用模塊化設計[14-15]，包括分頻模塊、A/D采樣控制模塊、電子開關控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫度補償模塊、串口通信模塊、脈沖輸出模塊，如圖7所示。FPGA 控制并接收A/D 采樣數(shù)據(jù)，控制電子開關打開相應恒流源并控制恒流源打開時間；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將計算的到的信息通過串口或脈沖輸出模塊發(fā)送給導航計算機，程序控制流程圖如圖8 所示。

圖7 FPGA模塊設計

圖8 程序流程圖

4 試驗驗證

對采用該方案原理設計的采集電路進行實際性能測試。輸入電流范圍為-42～42 mA，全溫測量范圍為-45～75 ℃。使用高精度恒流源模擬加速度計輸入電流，將測試電路置于溫箱中，模擬高低溫測試環(huán)境。

4.1 溫度特性

該文采用標度因數(shù)查表補償法[16]。溫度補償步驟如下：1）將電路放入溫箱，從低溫-45 ℃開始上電并輸入1 mA 電流，以1 ℃/min 的升溫速率升溫至75 ℃。2）將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)各溫度點下采集到的數(shù)據(jù)，建立模型繪制表格并寫入電路存儲器中。3）電路根據(jù)實時測量到的溫度參照量化表格對參數(shù)進行在線補償。溫補前后數(shù)據(jù)如圖9 所示。補償前，電路標度因數(shù)溫度系數(shù)為2.5×10-6/℃；補償后，標度因數(shù)溫度系數(shù)小于0.5×10-6/℃。采用數(shù)字溫度補償技術，電路的全溫溫度特性得到了提升。

圖9 電路全溫變化

4.2 穩(wěn)定性測試

在常溫條件下，上電通入1 mA 電流，1 min 后記錄電路數(shù)據(jù)，每60 s 均值為一組數(shù)據(jù)記錄60 min，結果如圖10 所示。經(jīng)計算，電路的標度因數(shù)穩(wěn)定性為6×10-6。

圖10 電路穩(wěn)定性測試

4.3 線性度和對稱性測試

為分析電路線性度，分別以±0.04 mA、±0.08 mA、±0.2 mA、±0.4 mA、±0.8 mA、±1 mA、±2 mA、±4 mA、±8 mA、±10 mA、±12 mA、±16 mA、±18 mA、±20 mA、±25 mA、±30 mA、±35 mA、±38 mA、±42 mA 為輸入電流對電路進行測試，采樣時間為100 s，歸一化得到每秒脈沖輸出，測試結果如圖11-12 所示。

圖11 正電流線性度測試數(shù)據(jù)

圖12 負電流線性度測試數(shù)據(jù)

非線性按照均方差法計算對應全量程輸入下的歸一化誤差，可得在低溫、常溫、高溫條件下，其非線性指標均小于15×10-6，對稱性不大于15×10-6。

5 結論

該文設計的高精度加速度計數(shù)字采集電路，在傳統(tǒng)I/F 轉(zhuǎn)換方案基礎上，電路采用單恒流源技術和數(shù)字溫度補償技術，降低了電路功耗，提高了電路線性度、對稱性和溫度性。經(jīng)試驗驗證，上電1 min 后電路穩(wěn)定性能達到6×10-6，線性度和對稱性均不大于15×10-6，標度因數(shù)溫度系數(shù)小0.5×10-6/℃，其綜合性能滿足高精度慣性導航裝置的工程化應用要求，可應用于高精度慣性導航裝置中。