资料振动传感器的中文说明

第1总体方案口，以便掌握整个系统的工作。路，模拟信号调理电路，数据采集、数据处理电路，通信接口和供电电源。传调理感 传感器理部器部分信分号 温度补偿

信号放大 抗混叠滤波 AD输入缓冲电源数处据理 SCI/SPI通信接采部 口集分

DSP数据处理 多通道同步采样AD3-1无陀螺惯性测量硬件框图Figure3-1TheGF-IMUhardwarearchitectureADC转换成数字量，再由内嵌于数字信号处理器〔DigitalSignalProcessor，DSP〕中的导航算法处理得到相关导航参数，计算结果将由SPI〔SerialPeripheralInterface〕或SCI〔SerialCommunicationInterfacDSPITexasInstrument〕DSP芯片。传感器补偿电路传感器选型Systems〕微机电系统技[55~59]MEMS工艺制造的微加速度计在精度方面已能满足战略的应用要求。依据工作原理的不同，MEMS微加速度计有很多种类，应用最广最为常见0Hz的加速度，接口电路也格外简洁，缺点是温度漂移系数大，需要进展温度补偿[60]。换成变化的电信号，从而得到随加速度变化而变化的传感器输出信号。3-3M3022型压阻式硅加速度计的实物图。该传感器由3-3M3022型加速度传感器实物图Figure3-3RealobjectofM3022accelerometer美国ICSensor公司生产，承受表贴封装，内部构造由悬挂于硅架复合横梁上的3-13022型压阻式硅加速度计主要的技术指标。3-1M3022型加速度传感器主要参数Table3-1PrimaryparametersofM3022accelerometermodel参数量程零位误差非线性度横向灵敏度零点温度系数满量程温度系数电源电压输出噪声输出负载电阻加速度过载重量

单位GmV±%量程VDCμVp-pMΩGg

最小值±2——————————————540——

典型值——±5.00.51.01.01.05.01.0————6.5

最大值±500±25.01.03.02.02.010.0————2022——

注释多种量程可选——这里的量程是指传感器满量程输出电压信号范围，单位为VmV——————和量程有关——补偿电路设计的设计包括如下几个方面的考虑[61]：加速度计输出的零位偏移补偿；压阻式硅微加速度计输出受温度影响较大，需要温度补偿；为传感器供给高稳定、高精度、低噪声的恒定电源。(R1R(R1R3R2R4)(R1R2)(R3R4)UiUo

(3-1)0R1R3R2R4，这时电桥处于平衡状态，0补偿的方法很简洁，调整电桥桥臂电阻值使R1R3R2R4尽量相等，比方当R1R3R2R4R4R3来减小零位偏移误差。3-4传感器等效电阻电桥Figure3-4AccelerometesequivalentresistancebridgeM3022加速度计出厂时各桥臂电阻为固定值，无法调整，但可以通过在引脚间R3R4的电阻值。R1(1T1T)R3(1T3T)R2(1T2TR1(1T1T)R3(1T3T)R2(1T2T)R4(1T4T)R1(1T1T)R2(1T2T)R3(1T3T)R4(1T4T)Ui(3-2)Uo式中R1~R425oC下的标准阻值依据公式(3-2)可知，在输入Ui不变的状况下，由于R1~R4发生了变化，输T3T4，则温度系数因子可以全部消去，公式(3-2)变成(3-1)，输出将部电阻的温度系数全都，才能保证最小的温度漂移系数。温度的另一个影响是通过转变悬臂梁应变电阻的压阻系数转变传感器的灵Ui可以使输出电压增大，假设调度补偿的目的。Ui的误差也会引起输出误差，这从公式(3-1)Ui的误差将以肯定的比例系数折合到输出上。一般的电源无论是开关电源抑或是纹波系数较小的三端电源器件都无法供给足够精度和保证传感器输出信号的良好特性。Rzb1、Rzb2、Rztc1Rztc2是零位及温度失调补偿电阻，Rset为不同基准源电压供给适宜的电源放大倍数，Rstc设置电压梯度补偿由于温度产生的灵敏度误差，右侧虚线框是放大电路，相关内容参见后续内容。3-5传感器补偿电路Figure3-5Accelerometercompensationcircuit信号调理电路式，再通过数学运算解算出导航信息。现有的ADC模数转换器件Converter)0~5V，明显直接将传感器信号接入ADC信噪比。通常的做法是让信号先经调理电路预处理后，再送往后级电路使用。信号调理电路包括放大、滤波、ADC输入缓冲和电源局部。电源方案电源供电方案的选择直接影响整个电路的设计，是调理电路设计的第一步。系统只有一个+9V还可以用+9V+9VPWM调制的设计上很困难，简单的电源设计以及大功率要求带来的体积增大也不能够忍受种的单电源直接供电方案。放大电路设计由3.3.1节的表3-1可知，传感器电桥输出为差分方式，在标准+5V供电状况2.5V，差模电压范围为±50mV，传感器驱动力量5MΩ；依据这些要求，用仪用运算放大器搭建放大电路明显是最正确方案。这里选择的是AD公司的AD623AR仪用运放，这是一款单以满足传感器输出范围的要求，其放大倍数通过一只外接电阻可调，AD623AR3-6AD623驱动力量弱，后续电路作为其负载电路在设计时应考虑到这一点。3-2仪用运算放大器AD623AR主要参数Table3-2PrimaryparametersofAD623ARinstrumentamplifier参数单位最小值典型值最大值注释电源V+2.7——+12单电源供电模式输入范围V-0.15——7.59V供电输出范围V0.01——8.59V10KΩ输入电阻GΩ——2————放大倍数(G)11——1000外部电阻调整共模抑制比(CMRR)DB90105100110————G=10G=100带宽KHz——10——G=100输出漂移输入漂移μV————200251000200————3-6放大电路原理图Figure3-6Schematiccircuitofsignalamplification滤波电路设计它们都放大了，放大后的信号幅度范围虽然已经能充分利用ADC的转换量程，器另一方面还可以防止ADC采样时高频信号混叠到有用信号的低频段中，起到频域抗混叠的效果。常用的低通滤波电路有RC一阶无源滤波器，压控电压源有源二阶滤波器Source，VCVS)，无限增益多路负反响有源二阶滤波RC-20dB/波效果的同时体积也很小[63~6] 但由于本钱较高，本系统最终选择了二阶压控3-7是滤波器原理图。3-7压控电压源低通滤波器原理图Figure3-7SchematicdiagramofVCVSlow-passfilter阻电容值敏捷的调整滤波器品质因数Qfc为较好的实现频率选择，同时保证信号较小的失真，选择的是巴特沃斯滤波器。、(3-4)分别是滤波器的幅频特性和相频特性表达式(1f2)2((1f2)2(f2cfQf)2c

(3-3) fQfQf()arctan

(3-4)1

f2f2c式中品质因素Qfc

值分别由下式打算RRCRRCC1 2 1 21cRC2 2RC1 1RRC2 2RC1 1RC1 2RC2 1Q0.742，当Q为0.707时为巴特沃斯滤波器，但由于分立元件参数的不连续性，只能做到Q值尽量等于0.707。图3-8是滤波器的幅频特性曲线，可以看到小于截止频率频程”的衰减速率递减。入阻抗，也就是前级电路的负载电阻，是很大的，可以不损失AD623AR的满摆OP213同样也是专用的单电源供电芯片，具有9V8mV~8V〔500欧姆负载电阻。3-8压控电压源低通滤波器幅频特性伯德图Figure3-8BodediagramofVCVSlow-passfiltesamplitude-frequencycharacteristicADC输入缓冲ADC采样保持电容首14ADC的采14ADC的区分精度，这就要ADC产生的ADC前端设计特地的缓冲电路。承受低噪声、低失真、宽频带视频运算放大器AD8052可以实现这种缓冲功能，该放大器单位增益带宽典型值达110MHz，输出电压摆持电容作为负载的状况下快速建立和稳定信号。设计ADC输入缓冲的另外一个问题是，ADC在每次转换完毕时都会产生一ADCRC滤波器电容的容值远大于ADC输入电容容值，这个大电容用来为ADC采样电容供给充电电荷，从而消退瞬变；为到达较好的效果，电容的容值通常选择3-9是缓冲单元电路原理图。3-9ADC输入缓冲电路原理图Figure3-9SchematiccircuitforADCinputbuffer数字信号处理电路SPI/SCI通信接口，这三局部连同电源模块构成了整个数字信号处理电路。数字局部电源设计9V1.9V、3.3V、5V三种电源，其中1.8V为纯数字电源。电源变换的根本想法是，9V5V5V3.3V1.8V电源，这样的分级降压方法。5VADCPWM5V电源供给，因此承受线性电源时热是该级电源正常工作的关键措施。这里选用的是美国国家半导体NI(NationalLM117三端可调稳压器，依据电路的最大电流值选用负载电LM117使0.01%的典型线性调整率、0.1%80db纹波[66]。3.3V和1.8V电源使用TI公司专为DSP设计的双电源芯片TPS767D301，它可以同时输出3.3V1.8V电压，每路最大输出电流为1A，可F2812的正常工作。DSP数字信号处理单元TITMS320F2812DSPTI32DSP芯片，既具有数字信号处理力量理的测控场合。其主要性能如下[68]：150MHz主频〔6.67ns1.8，I/O3.3V16位×1632位×32位的乘且累加操作哈佛总线构造，4兆字的程序和数据空间寻址力量128K×16Flash，18K×16SRRAM1MBBootRom，内置标准数学表96个外部中断，128Flash/L0/L1存储器密码保护功能2个大事治理器、串行外围接口