基于i-v轉(zhuǎn)換的隔離型加速度計(jì)采集 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　凌陽，拇指凌陽學(xué)　　號(hào) 凌陽，拇指凌陽 凌陽，拇指凌陽2011041421凌陽，拇指凌陽密　　級(jí) 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(jì)采集 凌陽，拇指凌陽電路設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué) 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(duì)飛船、飛機(jī)、艦船、導(dǎo)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(dǎo)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(gè)導(dǎo)航器件的優(yōu)劣，拇指它的作用是加速度計(jì)和控制系統(tǒng)之間的連接紐帶，拇指加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)經(jīng)過采集系統(tǒng)的電流電壓變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等輸出和加速度大小相匹配的數(shù)字信號(hào)，拇指并將此信號(hào)提供給控制系統(tǒng)。食指本文針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的加速度采集系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與設(shè)計(jì)。食指凌陽，拇指凌陽對(duì)于輸出方式為電流形式的加速度計(jì)，拇指其檢測(cè)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(diǎn)，拇

5、指I/F變換方式的檢測(cè)精度高，拇指但整個(gè)工作區(qū)間的線性度較差。食指I/V變換方式則在整個(gè)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(duì)這種情況本設(shè)計(jì)采用I/V變換方式對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)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(hào)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(jì)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(jì)基本原理6凌陽，拇指凌陽

7、2.2幾種加速度計(jì)信號(hào)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(jì)10凌陽，拇指凌陽第3章　隔離型加速度計(jì)信號(hào)采集的硬件設(shè)計(jì)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(shí)，拇指德國為了挽救頹勢(shì)，拇指使用了被稱作“第三帝國秘密武器”的V-2導(dǎo)彈，拇指并向英國倫敦成功發(fā)射了2000余枚，拇指該導(dǎo)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(biāo)中心13km的范圍內(nèi)[1]。食指這是人們第一次深刻認(rèn)識(shí)慣性導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)具有高度隱藏、高度自主的特點(diǎn)，拇指使其成為各類大中型武器平臺(tái)和現(xiàn)代化武器最為優(yōu)先考慮的系統(tǒng)。食指慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是三大尖端武器：戰(zhàn)略核潛艇、洲際導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)不可缺少的一部分，拇指失去了慣導(dǎo)系統(tǒng)這些武器也就不會(huì)存在了。食指凌陽，拇指凌陽慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial 凌陽，拇指凌陽Navigation 凌陽，拇指凌陽System，拇指簡(jiǎn)稱INS）是利

10、用慣性敏感元件（陀螺儀、加速度計(jì)）、基準(zhǔn)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(dǎo)航系統(tǒng)[2]。食指凌陽，拇指凌陽加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)的基本測(cè)量元件之一，拇指安裝于運(yùn)</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(jì)基本原理凌陽，拇指凌陽本設(shè)計(jì)隔離型加速度計(jì)采集系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是石英撓性加速度計(jì)，拇指石英撓性加速度計(jì)（

11、如圖2.1所示）是一種力反饋擺式加速度計(jì)，拇指精度高，拇指抗干擾能力強(qiáng)。食指撓性加速度計(jì)產(chǎn)生于20世紀(jì)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(jiǎn)化。食指撓性加速度計(jì)也是一種擺式加速度計(jì)，拇指它與液浮加速度計(jì)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(dāng)擺組件偏角很小時(shí)，拇指由此引入的微小彈性力矩往往可以忽略不計(jì)[13]。食指石英撓性力平衡加速度計(jì)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(yùn)放、解調(diào)及校補(bǔ)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(jì)實(shí)物圖凌陽，拇指凌陽石英撓性加速度計(jì)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(jìn)行平衡,因?yàn)椴捎昧肆Ψ答伝芈罚粗甘故闲约铀俣扔?jì)具有了精度高，拇</p><p>　　第3章　隔離型加速度計(jì)信號(hào)采

13、集的硬件設(shè)計(jì)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(cè)量電路的保障。食指本設(shè)計(jì)要求輸出精度達(dá)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?yàn)橐ＷC最終輸出的準(zhǔn)確性，拇指因此需要原始精度高于測(cè)量精度的兩倍以上。食指AD位數(shù)的計(jì)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?yàn)?15<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(dá)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(shí)該轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)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(huì)有所降低，拇指但仍能滿足艦船用導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)采集周期3~</p><p>　　第4章　加速度計(jì)采集平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)凌陽，拇指凌陽加速度計(jì)采集電路設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(jì)，拇指支持電路描述由門級(jí)到門級(jí)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(jì)采用寄存器控制方式對(duì)AD轉(zhuǎn)換器ADS281進(jìn)行編程控制。食指寄存器模式下可以對(duì)偏移量和滿量程量進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，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(biāo)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(shí)鐘，拇指對(duì)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(biāo)定等。食指ADS1281的數(shù)據(jù)輸出經(jīng)串行口傳遞給FPGA進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)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(biāo)定，拇指輸入一個(gè)精確的直流量，拇指讀取輸出值根據(jù)式（5-1）的計(jì)算值對(duì)滿量程偏移量寄存器進(jìn)行標(biāo)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(tái)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析凌陽，拇指凌陽電路板測(cè)試完成寫入初始化程序后需要對(duì)采集電路連同加速度計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，拇指以進(jìn)行加速度計(jì)的標(biāo)定和驗(yàn)證其采集精度能否達(dá)到設(shè)計(jì)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(tái)來測(cè)試內(nèi)的加速度輸出。食指當(dāng)加速度計(jì)的軸線和水平面的夾角不同時(shí)，拇指測(cè)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(tái)能夠精確控制加速度計(jì)和水平面之間的角度，拇指從而給加速度計(jì)一個(gè)精確的加速度。食指由連接轉(zhuǎn)臺(tái)的上位機(jī)給出的精確加速度和實(shí)際采集電路的輸出相比較，拇指即可得到加速度計(jì)的</p><p>　　表5-1 凌陽，拇指凌陽標(biāo)度因數(shù)測(cè)試過程凌陽，拇指凌陽

23、以轉(zhuǎn)臺(tái)0°為基準(zhǔn)，拇指順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，拇指然后選擇輸入軸為-g角度為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，拇指測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得的標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行對(duì)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(jì)測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)度的對(duì)比可以看出，拇指隔離型加速度計(jì)采集電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程維持了原石英撓性加速度計(jì)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(duì)加速度計(jì)采集系統(tǒng)，拇指研究了隔離型的石英撓性加速度計(jì)的采集電路設(shè)計(jì)，拇指圍繞加速度計(jì)采集電路的電流信號(hào)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(biāo)定等進(jìn)行了深入研究。食指通過對(duì)本課題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和親身體會(huì)，

25、拇指對(duì)本設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容總結(jié)如下：凌陽，拇指凌陽（1）對(duì)石英撓性加速度計(jì)輸出的小電流信號(hào)的采集電路做了仔細(xì)的研究與設(shè)計(jì)，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(jì)，拇指克服了I/V轉(zhuǎn)換固有的抗噪能力弱，拇指電流信號(hào)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(diǎn)。食指凌陽，拇指凌陽（2）對(duì)石英撓性加速度計(jì)做了深一步研究，拇指真正從基本原理，拇指和應(yīng)用兩個(gè)方面有了更深一步的認(rèn)識(shí)。食指對(duì)以后進(jìn)行導(dǎo)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(rèn)識(shí)。食指凌陽，拇指凌陽（3）通過使用Altium 凌陽，拇指凌陽Designer軟件對(duì)本課題原理圖，拇指PCB電路圖的設(shè)計(jì)和仿真，拇指Layout的注意事項(xiàng)，拇指進(jìn)一步學(xué)習(xí)了DEA軟件的使用，拇指為以后從事硬件開發(fā)和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。食指凌陽，拇指凌陽（4）學(xué)習(xí)了Ve</p><p>　　參考文獻(xiàn)凌陽，拇指凌陽[1]董景新.微慣性儀表——微機(jī)械加速度計(jì)[M].北京：清華大學(xué)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(jì)采集單元的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵器件的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，拇指2009凌陽，拇指凌陽[4]王宇.激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初步探索[D].長(zhǎng)沙：國防科技大學(xué)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(jì)系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天

28、大學(xué).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(shì)與展望[R].年慣性器件材料與工藝學(xué)術(shù)研討暨技術(shù)交流會(huì),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(shì)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào), 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(shí)候，拇指四年的大學(xué)生活也接近了尾聲，拇指即將離開生活學(xué)習(xí)四年的校園。食指在畢業(yè)前的最后一個(gè)階段畢業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)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(dǎo)老師薛冰講師。食指還記得在剛剛拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的時(shí)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(gè)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(jì)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(jì)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(diǎn)，拇指介紹應(yīng)該學(xué)習(xí)參考的數(shù)目，拇指介紹精通硬件的師兄做我的實(shí)踐指導(dǎo)。食指令我在項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)工作，拇指專業(yè)知識(shí)拓展，拇指做事為人的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度上受益良多。食指再次，拇指我想再次表達(dá)對(duì)薛冰老師的最衷心的感謝。食指凌陽，拇指凌