反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路制造技术

本发明专利技术涉及惯性导航领域，具体涉及一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，用于将加速度计模拟电流信号转换为数字信号，包括积分电路、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器、压控电流源电路。积分电路对输入电流和反馈跟踪电流进行积分输出误差电压，数字信号处理器依据该误差电压实时调整与数字信号Di成正比的反馈跟踪电流使之与输入电流大小相等、符号相反，二者电荷平衡。本发明专利技术的优点：数字信号Di与输入电流成正比，其求和代表输入电流的连续积分，不存在信息丢失的问题，精度高，抗干扰性能好；反馈跟踪电流跟随输入电流变化以及模数转换器采集误差电压相结合，电路功耗低，分辨率高，测量微小电流耗时少。测量微小电流耗时少。测量微小电流耗时少。

【技术实现步骤摘要】
反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路


[0001]本专利技术涉及惯性导航领域，具体涉及一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，用于将加速度计模拟电流信号转换为数字信号以便于数字化处理。

技术介绍

[0002]加速度计是惯性导航系统的核心部件之一，通常加速度计输出为模拟电流信号，需经过模数转换以便于导航计算机数字化处理。常用的加速度计电流信号转换电路主要有V/F、A/D和I/F三种转换方案，主要衡量指标包括量程、非线性、分辨率、功耗、温度稳定性等。
[0003]V/F转换方案是把电流信号转换成电压信号后再经V/F电路转换为数字脉冲。该方案精度较低，动态范围有限，现已很少采用。
[0004]A/D转换方案是通过高精度采样电阻将电流信号转换成电压信号，再由高分辨率的模数转换器转换为数字信号，具有原理简单、体积小、功耗低等优点。主要缺点有：容易受噪声影响；输出不是电流的连续积分，存在信息丢失问题；转换速度与有效位数难以同时兼顾。A/D转换方案往往只能用于中低精度惯性导航系统。
[0005]I/F转换方案采用电流积分和电荷平衡原理将电流信号转换为数字脉冲，可对输入电流进行连续测量，不存在丢失信息的问题，具有精度高、抗干扰性能好、温度稳定性好等优点，常用于中高精度惯性导航系统。主要缺点包括：1)功耗大：对每一路电流输入，需要正负两路恒流源用于电荷平衡，且恒流源电流必须大于输入电流最大值，恒流源功耗随电流测量范围线性增加；2)分辨率低，量化噪声大：常规I/F转换方案一个计数脉冲对应几伏的积分电压变化，在小信号电流输入时电荷需要积累很长时间才会产生一个计数脉冲。
[0006]改进的I/F加A/D细分方案虽然可以提高分辨率，但细分数和细分精度受积分输出线性度影响，并且I/F功耗大的问题依然存在。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了克服现有技术的不足，提供一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，用于将加速度计模拟电流信号转换为数字信号，具有动态范围大、精度高、分辨率高、功耗低等优点。
[0008]本专利技术采用的技术解决方案为：一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，包括积分电路、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器、压控电流源电路；
[0009]积分电路对输入电流I1、反馈跟踪电流I2进行积分后输出误差电压E，误差电压E经模数转换器转换成数字信号Ei并输入到数字信号处理器。数字信号处理器依据由误差电压E生成的数字信号Ei实时调整数字信号Di并定时输出至数模转换器。Di经数模转换器线性转换成电压V，电压V经压控电流源电路线性转换为反馈跟踪电流I2。实时反馈控制使反馈跟踪电流I2与输入电流I1大小相等、符号相反，积分电路输出的误差电压E稳定在0附近，I1、I2二者电荷平衡，不存在积分误差。
[0010]由于数字信号Di与电压V成正比、电压V与反馈跟踪电流I2成正比，因此数字信号Di与反馈跟踪电流I2成正比。因实时反馈控制使反馈跟踪电流I2与输入电流I1大小相等，因此数字信号Di与输入电流I1成正比，代表输入电流I1的实时采样。由于I1、I2二者电荷平衡、数字信号Di与反馈跟踪电流I2成正比且数字信号Di定时更新，因此对数字信号Di的求和代表输入电流I1的连续积分，不存在信息丢失的问题。电流连续积分可抑制电路噪声，因而转换电路抗干扰性能好。
[0011]模数转换器位数大于等于12位时，对积分电路输出误差电压E的分辨率可优于1mV，因此误差电压E变化超过1mV即可被数字信号处理器识别到并相应调整数字信号Di和反馈跟踪电流I2，而常规I/F转换方案的积分输出变化达到几伏才会产生一个计数脉冲，因此本专利技术反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路的分辨率较常规I/F电路高很多，测量微小电流所需时间也大幅度减少，可同时满足惯性导航系统对加速度计电流信号转换电路大量程和高分辨率的要求。
[0012]积分电路通常包含运放和积分电容，积分电容漏电流是影响转换电路精度的重要因素，积分电容两端电压越大，漏电流越大；积分电容两端电压变化越快，对运放摆率和输出电流要求越高。I/F转换方案中积分电路输出通常在几伏内变化，且电荷平衡期间输出电压快速变化，因而对运放摆率和输出电流要求较高。因为本专利技术积分电路输出误差电压E稳定在0附近，积分电容两端电压几乎为0，因而不仅可大幅降低运放摆率和输出电流要求，也减小了积分电容漏电流，有利于提高转换电路精度。
[0013]与I/F转换方案中需要正负两路恒流源用于电荷平衡因而功耗大不同，本专利技术中用于电荷平衡的反馈跟踪电流I2跟随输入电流I1变化，而惯性导航系统中加速度计输出电流I1大部分时间为小电流，因此本专利技术电路平均功耗相比I/F转换方案低很多。提高电流测量范围对电流数字转换电路的平均功耗影响很小，这进一步提升了本专利技术反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路的量程和动态范围。
[0014]数字信号处理器依据由误差电压E生成的数字信号Ei实时调整数字信号Di时，调整控制算法可采用常规PID算法或其它控制算法。
[0015]为保证电流跟踪精度和分辨率，作为控制算法输出的数字信号Di采用32位整型数据参与控制算法运算，最后输出至数模转换器时保留与数模转换器相同的位数。数模转换器采用16位或16位以上数模转换芯片。
[0016]为保证电流跟踪速度，模数转换器对误差电压E的采样频率fs可根据需要取为1kHz至200kHz。采样频率fs越高，跟踪速度越快，对数字信号处理器的要求也越高。Di定时输出频率、数模转换器更新频率与模数转换器对误差电压E的采样频率fs相同。
[0017]本专利技术的优点：
[0018]1、采用电荷平衡原理，可对输入电流进行连续测量，不存在信息丢失的问题，精度高，抗干扰性能好。
[0019]2、分辨率高，测量微小电流耗时少。不同于常规I/F转换方案的积分输出变化达到几伏才会产生一个计数脉冲，本专利技术积分电路输出变化超过1mV即可被数字信号处理器识别并作出相应调整，因此分辨率较常规I/F电路高很多，测量微小电流所需时间也大幅度减少。
[0020]3、功耗低。反馈跟踪电流I2与输入电流I1大小相等、符号相反，而惯性导航系统中
加速度计输出电流I1大部分时间为小电流，因此电路功耗相比I/F低很多。
附图说明
[0021]图1是本专利技术一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路的结构框图；
[0022]图2是本专利技术数字信号处理器结构框图；
[0023]图3是本专利技术具体实施例分辨率测试曲线。
具体实施方式
[0024]以下将结合具体实施例和说明书附图对本专利技术做进一步详细说明。
[0025]如图1所示，本专利技术一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路包括积分电路1、模数转换器2、数字信号处理器3、数模转换器4、压控电流源电路5。其中数字信号处理器3结构框图如图2所示，数字信号处理器3包含控制处理模块31、求和模块32、脉冲生成模块33。数字信号处理器3可以是能完成本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，其特征在于：包括积分电路、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器、压控电流源电路；积分电路对输入电流I1、反馈跟踪电流I2进行积分后输出误差电压E，误差电压E经模数转换器转换成数字信号Ei并输入到数字信号处理器；数字信号处理器依据由误差电压E生成的数字信号Ei实时调整数字信号Di并定时输出至数模转换器；Di经数模转换器线性转换成电压V，电压V经压控电流源电路线性转换为反馈跟踪电流I2；实时反馈控制使反馈跟踪电流I2与输入电流I1大小相等、符号相反，积分电路输出的误差电压E稳定在0附近，I1、I2二者电荷平衡，不存在积分误差。2.一种根据权利要求1所述反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，其特征在于：模数转换器位数大于等于12位。3.一种根据权利要求1或2所述反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，其特征在于：模数转换器既可由独立于数字信号处理器的模数转换芯片实现，也可由内嵌模数转换功能的数字信号处理器实现。4.一种根据权利要求1所述反馈跟踪和电荷平衡型电流数字转换电路，其特征在于：数模转换器采用16位或16位以上数模转换芯片。5.一种根据权利要求4所述反馈跟踪和电荷平...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢元平，罗晖，于旭东，樊振方，魏国，高春峰，王林，丁浩珅，廖志坤，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：