嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法。在控制闭环中直接使用F/V或F/I转换电路来实现石英挠性加速度计表头机械部分的石英摆片的力矩平衡，使数字信号处理电路的频率控制信号与最终输出到力矩线圈上的驱动电流有严格的对应关系，避免了一般控制环使用D/A作为控制输出、A/D作为电流采样带来的量化误差和非线性误差造成的精度损失，由于该频率控制信号可以真实等效于石英挠性加速度计随载体运动所感应的加速度值。因此，本发明专利技术将直接输出该频率控制信号作为加速度值的测量数据给到惯导系统，使其无需配置I/F变换电路就可以在保证系统精度的前提下简化系统设计、降低系统功耗、节约成本。节约成本。节约成本。

【技术实现步骤摘要】
嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法


[0001]本专利技术涉及惯性测量传感器的伺服电路，尤其涉及一种嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法。

技术介绍

[0002]石英挠性加速度计也称为挠性加表，是惯性导航系统的关键组件，用于测量载体的运动加速度，其性能直接影响到系统导航和制导的精度。由于石英挠性加速度计体积小、质量轻、灵敏度高、稳定性好等优势，使其被广泛应用于惯性导航领域，并且在石油测井、隧道开凿等领域也得到了广泛的应用。
[0003]如图1所示，一般石英挠性加速度计主要是由表头机械部分和配套伺服电路两部分组成的。其中表头的结构主要包括：力矩线圈、石英摆片、力矩器等部分。当系统有加速度输入时，石英摆片将由于惯性而偏离初始平衡位置，导致其关联的差动电容结构的电容值发生变化。配套伺服电路通过检测电容变化来确定石英摆片的位置误差，经过误差放大和校正网络再经过功放，控制石英挠性角速度计力矩器中的电流使石英摆片始终维持在平衡位置。因此，反馈到力矩线圈中的电流大小就正比于加速度的当前值。
[0004]目前配套的伺服电路主要分为两种：一种是如图2所示的经典的模拟伺服电路，通过模拟PID控制和功率放大输出模拟电流以实现石英摆片的力矩平衡，并将该电流信号输出给上层导航系统进行加速度解算。因此，如图3所示，在惯导系统中一般需要采用I/F变换电路来处理加速度计输出的电流信号。
[0005]另一种配套伺服电路是如图4所示的数字闭环伺服电路，其核心思路是：由差动电容检测到的模拟差动电容电压信号不直接作为闭环反馈控制信号用于石英摆片的力矩平衡，而是先经过数字处理电路转换成离散数字量并进行数字滤波和补偿后再输出到D/A转换电路转换成模拟反馈电压信号，最后再经过驱动放大电路转换成反馈电流信号用于驱动石英摆片回到平衡位置的方式。
[0006]比较以上两种伺服电路，使用I/F转换电路的模拟加速度计系统可以获得更高精度的导航结果，主要原因是模拟系统中I/F转换电路具有全时积分的特性，转换在长时间轴上不会丢失任何信号具有更高的精度，而数字方式的加速度计系统都是在石英摆片力矩控制环中使用D/A转换来实现加速度计石英摆片力矩平衡的，因此就不可避免的引入了D/A量化误差和带宽限制带来的加速度精度损失和信息丢失的问题，如果对模拟加速度计的电流输出进行A/D采样同样会因为量化误差和带宽问题带来精度损失，如图5所示，图5中f
p
为A/D或D/A转换可处理的最大频率，f
h
为原始输入信号的高频信号，fs为A/D或D/A转换的采样频率。
[0007]因此，目前主流惯导系统设计方案依然多是采用输出模拟电流反馈型的石英挠性加速度计再搭配I/F转换电路的方式进行设计的。但是I/F接口板的造价高且功耗高，这不仅增加了惯导系统的体积和成本还增加了系统功耗，还带了系统温漂的相关问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法，在取消I/F变换电路的同时具备较高的系统精度。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路，所述挠性加表数字伺服电路的控制环包括差动电容检测电路、前置滤波放大电路、A/D转换电路、数字信号处理电路以及三角波发生电路，还包括频率脉冲转换电路，所述差动电容检测电路的输入端与三角波发生电路的输出端以及石英挠性加速度计的差动电容分别连接，所述差动电容检测电路的输出端依次通过前置滤波放大电路、A/D转换电路与所述数字信号处理电路的输入端连接，所述数字信号处理电路的输出端通过频率脉冲转换电路与石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接。
[0010]进一步的，所述频率脉冲转换电路为F/I转换电路或F/V转换电路或∑ΔD/A转换电路。
[0011]进一步的，所述F/I转换电路包括第一比较器、第一单稳态触发器、反相器、模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02，所述第一比较器的反相输入端与参考电压Vref相连，所述数字信号处理电路输出的频率控制信号f
IN
与第一比较器的同相输入端相连，第一比较器的输出端与第一单稳态触发器输入端相连；第一电容跨接在第一单稳态触发器上，第一单稳态触发器的输出端与反相器的输入端相连，反相器的输出端与模拟开关SPDT_02的控制端相连，且第一单稳态触发器的输出端与模拟开关SPDT_01的控制端相连，模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的单端分别和对应的恒流源连接，模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的双端均有一个接点和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，且模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的动作逻辑相反。
[0012]进一步的，所述模拟开关SPDT_01双端的常闭接点和模拟开关SPDT_02双端的常开接点均接地，所述模拟开关SPDT_01双端的常开接点和模拟开关SPDT_02双端的常闭接点均和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，或者，所述模拟开关SPDT_01双端的常闭接点和模拟开关SPDT_02双端的常开接点均和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，所述模拟开关SPDT_01双端的常开接点和模拟开关SPDT_02双端的常闭接点均接地。
[0013]进一步的，所述F/V转换电路包括第二比较器、第二单稳态触发器、运算放大器，所述第二比较器的反相输入端与参考电压Vref相连，所述数字信号处理电路输出的频率控制信号f
IN
与第二比较器的同相输入端相连，第二比较器的输出端与第二单稳态触发器输入端相连，第二电容跨接在第二单稳态触发器上，第二单稳态触发器的输出端与模拟开关SPDT的控制端相连，模拟开关SPDT的单端与恒流源相连，模拟开关SPDT的双端常开接点与运算放大器的反相输入端相连，且模拟开关SPDT的双端常闭接点与运算放大器的输出端相连，运算放大器的反相输入端到其输出端之间跨接有积分电阻R
INT
和积分电容C
INT
，运算放大器的输出端与石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接。
[0014]进一步的，所述∑ΔD/A转换电路包括1bit数模转换器和低通滤波器，所述1bit数模转换器的常闭接点与参考电压Vref相连，所述1bit数模转换器的常开接点接地，所述
1bit数模转换器的控制端和所述数字信号处理电路输出的频率控制信号f
IN
相连，所述1bit数模转换器的输出端通过低通滤波器和自稳零运算放大器的同相输入端相连，所述自稳零运算放大器的输出端和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，所述自稳零运算放大器的反相输入端以及加速度计的力矩线圈输出端均通过电阻接地。
[0015]本专利技术还提出所述的嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路的控制方法，包括以下步骤：S1）差动电容检测电路接收来自三角波发生电路产生的三角波信号，将检测到的差分电容的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路，其特征在于，所述挠性加表数字伺服电路的控制环包括差动电容检测电路（1）、前置滤波放大电路（2）、A/D转换电路（3）、数字信号处理电路（4）以及三角波发生电路（5），还包括频率脉冲转换电路（6），所述差动电容检测电路（1）的输入端与三角波发生电路（5）的输出端以及石英挠性加速度计的差动电容分别连接，所述差动电容检测电路（1）的输出端依次通过前置滤波放大电路（2）、A/D转换电路（3）与所述数字信号处理电路（4）的输入端连接，所述数字信号处理电路（4）的输出端通过频率脉冲转换电路（6）与石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，所述频率脉冲转换电路（6）为F/I转换电路或F/V转换电路或∑ΔD/A转换电路。2.根据权利要求1所述的嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路，其特征在于，所述F/I转换电路包括第一比较器、第一单稳态触发器、反相器、模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02，所述第一比较器的反相输入端与参考电压Vref相连，所述数字信号处理电路（4）输出的频率控制信号f
IN
与第一比较器的同相输入端相连，第一比较器的输出端与第一单稳态触发器输入端相连；第一电容跨接在第一单稳态触发器上，第一单稳态触发器的输出端与反相器的输入端相连，反相器的输出端与模拟开关SPDT_02的控制端相连，且第一单稳态触发器的输出端与模拟开关SPDT_01的控制端相连，模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的单端分别和对应的恒流源连接，模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的双端均有一个接点和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，且模拟开关SPDT_01和模拟开关SPDT_02的动作逻辑相反。3.根据权利要求2所述的嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路，其特征在于，所述模拟开关SPDT_01双端的常闭接点和模拟开关SPDT_02双端的常开接点均接地，所述模拟开关SPDT_01双端的常开接点和模拟开关SPDT_02双端的常闭接点均和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，或者，所述模拟开关SPDT_01双端的常闭接点和模拟开关SPDT_02双端的常开接点均和石英挠性加速度计的力矩线圈输入端连接，所述模拟开关SPDT_01双端的常开接点和模拟开关SPDT_02双端的常闭接点均接地。4.根据权利要求1所述的嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路，其特征在于，所述F/V转换电路包括第二比较器、第二单稳态触发器、运算放大器，所述第二比较器的反相输入端与参考电压Vref相连，所述数字信号处理电路（4）输出的频率控制信号f
IN
与第二比较器的同相输入端相连，第二比较器的输出端与第二单稳态触发器输入端相连，第二电容跨接在第二单稳态触发器上，第二单稳态触发器的输出端与模拟开关SPDT的控制端相连，模拟开关SPDT的单端与恒流源相连，模拟开关SPDT的双端常开接点与运算放大器的反相输入端相连，且模拟开关SPDT的双端常闭接点与运算放大器的输出端相连，运算放大器的反相输入端到其输出端之间跨接有积分电阻R
INT
和积分电容C
INT
，运算放大器的输出端与石英挠性加速度计的力矩线圈输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长虹，李冠南，熊永超，严铖，
申请(专利权)人：湖南天羿领航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：