高精度加速度计采集单元的设计及关键器件的研究

论文摘要

加速度计是惯性导航系统中重要的惯性敏感器件,它输出与载体的运动加速度成比例的信号,加速度计的输出精度直接影响惯性导航系统的精度。对于高精度的石英挠性加速度计来说,一般都是输出模拟的电流信号。加速度计采集电路的作用是将加速度计输出的模拟信号转换为数字信号,并且转换后的精度应尽量不损害加速计原有的精度。本文研究了高精度加速度计采集电路以及制约其性能的关键器件。设计的加速度计采集电路的主要指标包括:零偏温度系数1uV/℃,零偏24小时稳定性2uV,噪声1uVrms@100Hz/s。为了达到上述的性能,本文着重研究了采集电路的设计以及关键器件的选择。首先设计采样电路的大体框架,不同的采集电路适应不同量程、精度的电流采集,通过分析采集电路性能得出最适合加速度计的采集电路。然后确定采样电阻、运放、参考电压和A/D转换器等关键器件具体性能参数。取得性能参数要求后,将商业上可以购得的器件性能进行比较,选取符合性能要求的器件。由于采集电路的电压和电流分辨率分别达到了微伏和纳安级,因此在设计过程中还应注意一些在普通电路中可以忽略的寄生效应,如热电势、漏电流和电磁干扰等的影响。否则,系统的精度将无法保证。完成电路设计和制作后,对系统的性能进行测试,测试的结果表明,系统完全达到了当初设定的性能指标。本文还对主要制约系统性能的元件——A/D转换器进行了研究。特别着重研究了限制其提高的性能的诸多因素,从而更加深入的认识了整个限制电路性能的一些基本的因素。通过研究加速度计采集电路,学习了高精度模拟数字混合电路的设计,加速度计的原理与使用以及Sigma-DeltaA/D转换器的基本原理,为以后进一步的工作和学习打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高精度加速度计及采集单元
• 1.3 本文研究的主要内容及意义
• 1.4 本文主要工作及内容安排
• 第2章 石英挠性加速计
• 2.1 石英挠性加速度计的原理
• 2.2 几种典型的石英挠性加速度计
• 2.2.1 Q-Flex系列
• 2.2.2 JN系列石英挠性加速度计
• 2.2.3 其它
• 2.3 惯性导航系统对加速计精度的要求
• 2.4 本章小结
• 第3章 高精度模拟电路的寄生效应
• 3.1 热电势
• 3.1.1 热电势的原理
• 3.1.2 减小热电势的影响
• 3.2 漏电流
• 3.2.1 漏电流产生的原因
• 3.2.2 采取措施减少漏电流
• 3.3 应力及振动
• 3.3.1 机械应力对器件的影响及应对措施
• 3.3.2 振动的影响及应对方法
• 3.4 电磁干扰
• 3.4.1 电磁屏蔽技术原理
• 3.4.2 屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合
• 3.4.3 屏蔽注意事项
• 3.5 本章小结
• 第4章 采集电路原理及器件选择
• 4.1 设计指标
• 4.2 采集电路原理及性能分析
• 4.2.1 电路原理
• 4.2.2 零偏稳定性
• 4.2.3 标度因数稳定性
• 4.2.4 其它
• 4.3 器件选择
• 4.3.1 运算放大器
• 4.3.2 采样电阻
• 4.3.3 参考电压
• 4.3.4 A/D转换器
• 4.3.5 其它器件
• 4.4 本章小结
• 第5章 电路设计与性能测试
• 5.1 电路设计
• 5.1.1 参考电压电路
• 5.1.2 采集电路设计与仿真
• 5.1.3 PCB绘制及实物
• 5.2 性能测试
• 5.2.1 噪声
• 5.2.2 温度稳定性
• 5.2.3 时间稳定性
• 5.3 进一步提高系统性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 高精度 Sigma-Delta转换器的研究
• 6.1 Sigma-Delta转换器的原理
• 6.1.1 过采样转换器
• 6.1.2 Sigma-Delta转换器
• 6.2 Sigma-Delta转换器的非理想因素
• 6.2.1 积分器的非理想因素
• 6.2.2 电路噪声
• 6.2.3 失真
• 6.2.4 时钟抖动
• 6.3 数字滤波器
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢