基于i-v轉(zhuǎn)換的隔離型加速度計采集 電路設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　凌陽，拇指凌陽學　　號 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽2011041421凌陽，拇指凌陽密　　級 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽基于I-V轉(zhuǎn)換的隔離型加速度計采集 凌陽，拇指凌陽電路設(shè)計與實現(xiàn)凌陽，拇指凌陽

2、凌陽，拇指凌陽The 凌陽，拇指凌陽Design 凌陽，拇指凌陽and 凌陽，拇指凌陽Realization 凌陽，拇指凌陽of 凌陽，拇指凌陽Isolated 凌陽，拇指凌陽Accelerometer 凌陽，拇指凌陽Acquisition 凌陽，拇指凌陽Circuit 凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽Based 凌陽，拇指凌陽on 凌陽，拇指凌陽the 凌陽，拇指凌陽I-V 凌陽，拇指凌陽conversion凌陽，拇指凌陽凌陽，拇

3、指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽學 凌陽，拇指凌陽生 凌陽，拇指凌陽姓 凌陽，拇指凌陽名 凌陽，拇指凌陽： 凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌</p><p>　　摘　　要凌陽，拇指凌陽近年來，拇指隨著航空航天與航海技術(shù)的不斷發(fā)展，拇指人們對飛船、飛機、艦船、導彈等航行器的位置、速度、姿態(tài)等的調(diào)整的精度越來高，拇指而慣性導航器件就是其中的關(guān)鍵核心器件，拇指其中的加速度采集系統(tǒng)也成為重中之重。食指加速度采集系統(tǒng)的

4、精度高低直接影響到整個導航器件的優(yōu)劣，拇指它的作用是加速度計和控制系統(tǒng)之間的連接紐帶，拇指加速度計輸出的電流信號經(jīng)過采集系統(tǒng)的電流電壓變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理等輸出和加速度大小相匹配的數(shù)字信號，拇指并將此信號提供給控制系統(tǒng)。食指本文針對慣性導航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的加速度采集系統(tǒng)進行了詳細的研究與設(shè)計。食指凌陽，拇指凌陽對于輸出方式為電流形式的加速度計，拇指其檢測方法一般有I/F變換和I/V變換兩種方式，拇指但這兩種方式都存在著缺點，拇

5、指I/F變換方式的檢測精度高，拇指但整個工作區(qū)間的線性度較差。食指I/V變換方式則在整個工作區(qū)間有很好的線性度，拇指但由于采用電壓方式，拇指采集電路很容受到系統(tǒng)內(nèi)其他電路的影響。食指針對這種情況本設(shè)計采用I/V變換方式對加速度計的輸出進行采集變換然后利用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器將變換后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。食指將</p><p>　　目　　錄凌陽，拇指凌陽摘　　要I凌陽，拇指凌陽ABSTRACTII凌陽，拇指凌

6、陽目　　錄IV凌陽，拇指凌陽第1章　緒論1凌陽，拇指凌陽1.1 凌陽，拇指凌陽課題研究背景1凌陽，拇指凌陽1.2 凌陽，拇指凌陽加速度計及其采集系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2凌陽，拇指凌陽1.3 凌陽，拇指凌陽關(guān)于FPGA3凌陽，拇指凌陽1.4本課題研究意義4凌陽，拇指凌陽1.5本論文工作及章節(jié)安排5凌陽，拇指凌陽第2章　采集電路的基本原理和構(gòu)成6凌陽，拇指凌陽2.1石英撓性加速度計基本原理6凌陽，拇指凌陽

7、2.2幾種加速度計信號的數(shù)據(jù)采集方法介紹8凌陽，拇指凌陽2.2.1 凌陽，拇指凌陽I/F轉(zhuǎn)換方案8凌陽，拇指凌陽2.2.2 凌陽，拇指凌陽A/D變換方案9凌陽，拇指凌陽2.2.3 凌陽，拇指凌陽A/D變換方案和I/F變換方案的比較9凌陽，拇指凌陽2.3 凌陽，拇指凌陽隔離電路結(jié)構(gòu)設(shè)計10凌陽，拇指凌陽第3章　隔離型加速度計信號采集的硬件設(shè)計12凌陽，拇指凌陽3.1 凌陽，拇指凌陽模數(shù)轉(zhuǎn)換器件選擇12凌陽，拇指凌

8、陽3.2 凌陽，拇指凌陽I-V轉(zhuǎn)</p><p>　　第1章　緒論凌陽，拇指凌陽1.1 凌陽，拇指凌陽課題研究背景凌陽，拇指凌陽自從臨近第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，拇指德國為了挽救頹勢，拇指使用了被稱作“第三帝國秘密武器”的V-2導彈，拇指并向英國倫敦成功發(fā)射了2000余枚，拇指該導彈飛躍300多千米，拇指飛躍英吉利海峽，拇指多半落在了距離目標中心13km的范圍內(nèi)[1]。食指這是人們第一次深刻認識慣性導航系統(tǒng)，拇

9、指V-2 凌陽，拇指凌陽火箭就安裝了這一高科技產(chǎn)品。食指凌陽，拇指凌陽由于慣性導航系統(tǒng)具有高度隱藏、高度自主的特點，拇指使其成為各類大中型武器平臺和現(xiàn)代化武器最為優(yōu)先考慮的系統(tǒng)。食指慣性導航系統(tǒng)是三大尖端武器：戰(zhàn)略核潛艇、洲際導彈、遠程轟炸機不可缺少的一部分，拇指失去了慣導系統(tǒng)這些武器也就不會存在了。食指凌陽，拇指凌陽慣性導航系統(tǒng)（Inertial 凌陽，拇指凌陽Navigation 凌陽，拇指凌陽System，拇指簡稱INS）是利

10、用慣性敏感元件（陀螺儀、加速度計）、基準方向和最初的位置、速度信息來確定載體的方位和速度的自主式航跡遞推導航系統(tǒng)[2]。食指凌陽，拇指凌陽加速度計是慣性導航和慣性制導的基本測量元件之一，拇指安裝于運</p><p>　　第2章　采集電路的基本原理和構(gòu)成 凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽2.1石英撓性加速度計基本原理凌陽，拇指凌陽本設(shè)計隔離型加速度計采集系統(tǒng)采用的加速度計是石英撓性加速度計，拇指石英撓性加速度計（

11、如圖2.1所示）是一種力反饋擺式加速度計，拇指精度高，拇指抗干擾能力強。食指撓性加速度計產(chǎn)生于20世紀60年代中期，拇指它采用撓性支承，拇指其結(jié)構(gòu)與工藝大為簡化。食指撓性加速度計也是一種擺式加速度計，拇指它與液浮加速度計的主要區(qū)別在于：擺組件不是懸浮在液體中，拇指而是彈性地連接在撓性支承上。食指這種支承避免了軸承摩擦力矩，拇指當擺組件偏角很小時，拇指由此引入的微小彈性力矩往往可以忽略不計[13]。食指石英撓性力平衡加速度計的組成分為兩大

12、部分，拇指一部分是表芯，拇指包括敏感元件、阻尼器、彈性支撐、電容變換器、力矩器；另一部分包括振蕩器、高增益運放、解調(diào)及校補等。食指凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽圖2.1 凌陽，拇指凌陽石英撓性加速度計實物圖凌陽，拇指凌陽石英撓性加速度計將輸入的加速到戶轉(zhuǎn)換為撓性擺片的微小位移，拇指并用力反饋進行平衡,因為采用了力反饋回路，拇指使石英撓性加速度計具有了精度高，拇</p><p>　　第3章　隔離型加速度計信號采

13、集的硬件設(shè)計凌陽，拇指凌陽3.1 凌陽，拇指凌陽模數(shù)轉(zhuǎn)換器件選擇凌陽，拇指凌陽高精度的AD轉(zhuǎn)換器是高精度電流測量電路的保障。食指本設(shè)計要求輸出精度達到5×10-4 凌陽，拇指凌陽g，拇指故首先考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇。食指因為要保證最終輸出的準確性，拇指因此需要原始精度高于測量精度的兩倍以上。食指AD位數(shù)的計算公式：凌陽，拇指凌陽（3-1）凌陽，拇指凌陽其中n表示AD轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)凌陽，拇指凌陽

14、（3-2）凌陽，拇指凌陽（3-3）凌陽，拇指凌陽因為215<4105<216 凌陽，拇指凌陽所以選擇的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片精度至少要達到16位，拇指為保證采集電路的精度這里選擇德州儀器（Texas 凌陽，拇指凌陽Instrument）的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1281作為AD轉(zhuǎn)換芯片。食指同時該轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出采用單根引腳的串行輸出方式，拇指與并行輸出相比節(jié)省了可編程門陣列FPGA的I/O占用。食

15、指采用串行方式與并行ADC轉(zhuǎn)換器相比雖然采樣轉(zhuǎn)換速度會有所降低，拇指但仍能滿足艦船用導航系統(tǒng)對加速度計采集周期3~</p><p>　　第4章　加速度計采集平臺的軟件設(shè)計凌陽，拇指凌陽加速度計采集電路設(shè)計完成后需要與FPGA系統(tǒng)板相連接，拇指并寫入采集程序，拇指分配FPGA管腳功能，拇指初始化AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1281后才能正常工作進行加速度采集。食指凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽4.1 凌陽，拇指凌陽軟件設(shè)

16、計方法與下載凌陽，拇指凌陽為FPGA寫入的程序稱為硬件描述語言，拇指主要有VHDL和Verilog 凌陽，拇指凌陽HDL兩種。食指VHDL是硬件描述語言（Hardware 凌陽，拇指凌陽Description 凌陽，拇指凌陽Language）的縮寫，拇指是由美國國防部開發(fā)及確認的標準硬件描述語言。食指Verilog 凌陽，拇指凌陽HDL語言最早是由美國GDA公司的Phil 凌陽，拇指凌陽Moorby開發(fā)的。食指目前VHDL和Veril

17、og 凌陽，拇指凌陽HDL都是IEEE認證的標準硬件描述語言，拇指被眾多DEA開發(fā)公司所支持。食指它們共同點在于：都能抽象的表示電路的結(jié)構(gòu)和行為，拇指都支持層次化的系統(tǒng)設(shè)計，拇指支持電路描述由門級到門級網(wǎng)表的轉(zhuǎn)換。食指但VHDL和Verilog 凌陽，拇指凌陽HDL又是有區(qū)別的，</p><p>　　表4.2.1 凌陽，拇指凌陽引腳控制和寄存器控制的功能區(qū)別凌陽，拇指凌陽不同控制方式下的引腳功能區(qū)別如表4.2.

18、2所示：</p><p>　　表4.2.2 凌陽，拇指凌陽不同控制方式下的引腳功能區(qū)別凌陽，拇指凌陽本設(shè)計采用寄存器控制方式對AD轉(zhuǎn)換器ADS281進行編程控制。食指寄存器模式下可以對偏移量和滿量程量進行標定校準，拇指如圖4.2.1所示，拇指濾波器的輸出首先減去偏移量寄存器設(shè)定值，拇指然后在和滿量程設(shè)定值相乘之后得到最終的數(shù)據(jù)輸出：凌陽，拇指凌陽（4-1）凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽圖4.1 凌

19、陽，拇指凌陽寄存器標定圖凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽圖 凌陽，拇指凌陽4.2 凌陽，拇指凌陽ADS1281的控制流程圖凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽采用FPGA產(chǎn)生外部時鐘，拇指對ADS初始化，拇指包括寫工作命令控制字，拇指設(shè)定ADS1281的工作參數(shù)如工作模式，拇指輸出模式，拇指采樣頻率，拇指偏移量寄存器和滿量程寄存器標定等。食指ADS1281的數(shù)據(jù)輸出經(jīng)串行口傳遞給FPGA進行進一步的數(shù)字信號處理。食指ADS1281的控制流程

20、圖如圖4.2.2所示：凌陽，拇指凌陽采集電路控制程序：凌陽，拇指凌陽輸入輸出接口選擇設(shè)定模塊：凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽module 凌陽，拇指凌陽ReadTemp</p><p>　　凌陽，拇指凌陽滿量程寄存器(full-scale 凌陽，拇指凌陽register,FSC)標定，拇指輸入一個精確的直流量，拇指讀取輸出值根據(jù)式（5-1）的計算值對滿量程偏移量寄存器進行標定。食指凌陽，拇指凌陽

21、(5-1)凌陽，拇指凌陽(5-2)凌陽，拇指凌陽5.3 凌陽，拇指凌陽轉(zhuǎn)臺實驗測試與分析凌陽，拇指凌陽電路板測試完成寫入初始化程序后需要對采集電路連同加速度計進行轉(zhuǎn)臺實驗，拇指以進行加速度計的標定和驗證其采集精度能否達到設(shè)計要求。食指因船的加速度一般小于1g,這里采用高精度轉(zhuǎn)臺來測試內(nèi)的加速度輸出。食指當加速度計的軸線和水平面的夾角不同時，拇指測得的加速度大小是不同的加速度和夾角的關(guān)系如式(5-3)[27]。

22、食指凌陽，拇指凌陽（5-3）凌陽，拇指凌陽其能 凌陽，拇指凌陽g表示重力加速度，拇指這里取9.811，拇指表示高精度和水平面的夾角凌陽，拇指凌陽高精度轉(zhuǎn)臺能夠精確控制加速度計和水平面之間的角度，拇指從而給加速度計一個精確的加速度。食指由連接轉(zhuǎn)臺的上位機給出的精確加速度和實際采集電路的輸出相比較，拇指即可得到加速度計的</p><p>　　表5-1 凌陽，拇指凌陽標度因數(shù)測試過程凌陽，拇指凌陽

23、以轉(zhuǎn)臺0°為基準，拇指順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，拇指然后選擇輸入軸為-g角度為基準進行數(shù)據(jù)分析，拇指測得的試驗結(jié)果與標準實驗室試驗測得的標度因數(shù)進行對比，拇指X，拇指Y，拇指Z軸差距分別為-0.03433601%、-0.03552748%、-0.04006135%。食指從加速度計測試與標準標度的對比可以看出，拇指隔離型加速度計采集電路的信號轉(zhuǎn)換過程維持了原石英撓性加速度計的高精度要求。食指凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指

24、凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽</p><p>　　結(jié)　　論凌陽，拇指凌陽本文針對加速度計采集系統(tǒng)，拇指研究了隔離型的石英撓性加速度計的采集電路設(shè)計，拇指圍繞加速度計采集電路的電流信號采集轉(zhuǎn)換，拇指模數(shù)轉(zhuǎn)換，拇指模數(shù)電路隔離，拇指AD轉(zhuǎn)換器的寄存器標定等進行了深入研究。食指通過對本課題的設(shè)計與實現(xiàn)和親身體會，

25、拇指對本設(shè)計的工作內(nèi)容總結(jié)如下：凌陽，拇指凌陽（1）對石英撓性加速度計輸出的小電流信號的采集電路做了仔細的研究與設(shè)計，拇指在一般的電流-電壓-模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式中加入了隔離電路的設(shè)計，拇指克服了I/V轉(zhuǎn)換固有的抗噪能力弱，拇指電流信號采集電路中模擬電路容易受到數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲污染的缺點。食指凌陽，拇指凌陽（2）對石英撓性加速度計做了深一步研究，拇指真正從基本原理，拇指和應用兩個方面有了更深一步的認識。食指對以后進行導航設(shè)備研究的加速度

26、選型，拇指使用有了更好的選擇和認識。食指凌陽，拇指凌陽（3）通過使用Altium 凌陽，拇指凌陽Designer軟件對本課題原理圖，拇指PCB電路圖的設(shè)計和仿真，拇指Layout的注意事項，拇指進一步學習了DEA軟件的使用，拇指為以后從事硬件開發(fā)和學習打下基礎(chǔ)。食指凌陽，拇指凌陽（4）學習了Ve</p><p>　　參考文獻凌陽，拇指凌陽[1]董景新.微慣性儀表——微機械加速度計[M].北京：清華大學出版社

27、，拇指2005:1-10凌陽，拇指凌陽[2]丁衡高.慣性技術(shù)文集[M].北京：國防工業(yè)出版社，拇指1994：5-20凌陽，拇指凌陽[3]陸陽.高精度加速度計采集單元的設(shè)計和關(guān)鍵器件的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，拇指2009凌陽，拇指凌陽[4]王宇.激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的初步探索[D].長沙：國防科技大學碩士，拇指2005凌陽，拇指凌陽[5] 凌陽，拇指凌陽王愛萍.新型高精度光纖加速度計系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天

28、大學.2006凌陽，拇指凌陽[6]鄭辛，拇指宋有山.國外慣性技術(shù)發(fā)展趨勢與展望[R].年慣性器件材料與工藝學術(shù)研討暨技術(shù)交流會,2005 凌陽，拇指凌陽凌陽，拇指凌陽[7]王巍.慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].自動化學報, 凌陽，拇指凌陽2013凌陽，拇指凌陽[8]Foote 凌陽，拇指凌陽SA, 凌陽，拇指凌陽Grindeland 凌陽，拇指凌陽DB，拇指Model 凌陽，拇指凌陽QA-3000 凌陽，拇指凌陽Q-FLEX 凌

29、陽，拇指凌陽Acceler</p><p>　　致　　謝凌陽，拇指凌陽伴隨著致謝內(nèi)容開始編輯的時候，拇指四年的大學生活也接近了尾聲，拇指即將離開生活學習四年的校園。食指在畢業(yè)前的最后一個階段畢業(yè)設(shè)計論文完成的過程中很多人給了我無私的幫助，拇指在論文即將完成之際我想對他們表示深深的感謝。食指凌陽，拇指凌陽首先，拇指要感謝我的論文指導老師薛冰講師。食指還記得在剛剛拿到畢業(yè)設(shè)計題目的時候我是多么的迷茫和無助，拇指一

30、直在問為什么我拿到這么一個困難的題目，拇指可是現(xiàn)在我也經(jīng)完全沒有了這種想法，拇指我在慶幸拿到的是加速度計采集的題目，拇指慶幸有薛冰老師在幫助我，拇指知道我完成畢業(yè)設(shè)計完成畢業(yè)論文。食指在此之間薛冰老師多次給予講解論文中的難點，拇指介紹應該學習參考的數(shù)目，拇指介紹精通硬件的師兄做我的實踐指導。食指令我在項目各個環(huán)節(jié)工作，拇指專業(yè)知識拓展，拇指做事為人的嚴謹態(tài)度上受益良多。食指再次，拇指我想再次表達對薛冰老師的最衷心的感謝。食指凌陽，拇指凌