大量程精密I/F转换电路研究
【摘要】：在中高精度惯性导航系统中,石英挠性加速度计输出电流信号,需要经过模数转换才能进行导航解算。由于受到国内高性能A/D转换芯片制造水平的制约,加上发达国家的禁运,目前,I/F转换电路仍是这一领域的主流应用。顾名思义,I/F转换电路就是将电流信号转化为数字脉冲,因为其工作原理是电流积分和电荷平衡,理论上不丢失加速度计电流信号,同惯性导航解算中速度、位置的积分累加原理相似,I/F转换电路的这一特性对提高导航精度有着非常重要的意义,这也是其在中高精度惯性导航系统中有着重要工程应用地位的原因之一。但是,受制于传统I/F转换电路的工作方式,量程、线性度、分辨率这三个指标相互制约,基于目前电子元器件的性能不太可能产生质的飞跃的情况下,从纯硬件方面进一步提高I/F单板性能已经变得十分困难,且改进空间逐渐减小。在此种背景下,本论文对传统I/F转换电路进行了两方面的改进工作:一是将恒流源的导通反馈方式由三元等宽(或三元变宽)改为三元展宽,使得在不降低线性度的情况下量程提高了60%;二是使用了FPGA+ADC等数字器件,由ADC采集积分电压,FPGA根据得到的数据和三元展宽方式中的逻辑标志,运行脉冲数扩展算法,将计算得到的扩展脉冲输出。在课题进行的具体过程中,本文梳理了传统I/F转换电路的工作原理,定义了三元展宽式I/F转换电路的关键参数,并推导出关键参数的计算公式;硬件电路设计方面,模拟电路部分以积分器和恒流源为设计重点,重新选型部分元器件,并改进了几处细节设计,数字电路部分以FPGA最小系统和ADC采集电路为设计重点,三元展宽控制逻辑整合进FPGA芯片内部;以同步时钟树作为FPGA时钟模块的首要设计准则,以保证电路系统工作时的时序严格性;在分析三元展宽式I/F电路工作特点以及波形的基础上,提出了一种脉冲数扩展算法,运用自顶向下的模块化程序设计方法,使用ISE开发平台进行FPGA程序实现;单板测试实验按照I/F板调试规范进行,实验结果为:三元展宽式I/F转换电路(脉冲未扩展)的量程可达40mA,刻度因数为788.2~790.5Hz/mA,且线性度可达5.3510(优于1.0510),而扩展脉冲的刻度因数为31.5~31.6kHz/mA,脉冲数扩展倍数为39.94~40.02,满量程输出脉冲频率可达1.26MHz,线性度可达2.6910(优于7.6010);实验结果表明各项参数符合设计要求,论文工作实现了既定目标。
【摘要】：在中高精度惯性导航系统中,石英挠性加速度计输出电流信号,需要经过模数转换才能进行导航解算。由于受到国内高性能A/D转换芯片制造水平的制约,加上发达国家的禁运,目前,I/F转换电路仍是这一领域的主流应用。顾名思义,I/F转换电路就是将电流信号转化为数字脉冲,因为其工作原理是电流积分和电荷平衡,理论上不丢失加速度计电流信号,同惯性导航解算中速度、位置的积分累加原理相似,I/F转换电路的这一特性对提高导航精度有着非常重要的意义,这也是其在中高精度惯性导航系统中有着重要工程应用地位的原因之一。但是,受制于传统I/F转换电路的工作方式,量程、线性度、分辨率这三个指标相互制约,基于目前电子元器件的性能不太可能产生质的飞跃的情况下,从纯硬件方面进一步提高I/F单板性能已经变得十分困难,且改进空间逐渐减小。在此种背景下,本论文对传统I/F转换电路进行了两方面的改进工作:一是将恒流源的导通反馈方式由三元等宽(或三元变宽)改为三元展宽,使得在不降低线性度的情况下量程提高了60%;二是使用了FPGA+ADC等数字器件,由ADC采集积分电压,FPGA根据得到的数据和三元展宽方式中的逻辑标志,运行脉冲数扩展算法,将计算得到的扩展脉冲输出。在课题进行的具体过程中,本文梳理了传统I/F转换电路的工作原理,定义了三元展宽式I/F转换电路的关键参数,并推导出关键参数的计算公式;硬件电路设计方面,模拟电路部分以积分器和恒流源为设计重点,重新选型部分元器件,并改进了几处细节设计,数字电路部分以FPGA最小系统和ADC采集电路为设计重点,三元展宽控制逻辑整合进FPGA芯片内部;以同步时钟树作为FPGA时钟模块的首要设计准则,以保证电路系统工作时的时序严格性;在分析三元展宽式I/F电路工作特点以及波形的基础上,提出了一种脉冲数扩展算法,运用自顶向下的模块化程序设计方法,使用ISE开发平台进行FPGA程序实现;单板测试实验按照I/F板调试规范进行,实验结果为:三元展宽式I/F转换电路(脉冲未扩展)的量程可达40mA,刻度因数为788.2~790.5Hz/mA,且线性度可达5.3510(优于1.0510),而扩展脉冲的刻度因数为31.5~31.6kHz/mA,脉冲数扩展倍数为39.94~40.02,满量程输出脉冲频率可达1.26MHz,线性度可达2.6910(优于7.6010);实验结果表明各项参数符合设计要求,论文工作实现了既定目标。
