一种闭环积分式加速度计动态电流测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种闭环积分式加速度计动态电流测量装置，该装置包括依次连接的积分电路、A/D模数转换电路、数字处理电路、D/A数模转换电路以及压控恒流电路，压控恒流电路与积分电路相连形成闭环反馈，压控恒流电路产生与被测电流信号反向的补偿电流信号，对积分电路放电，使经过所述积分电路后的积分电压保持在固定电压值，在经过若干周期的闭环反馈后，数字处理电路输出正比于所述被测电流信号的测量值，由此完成对输入电流的测量。按照本发明，具有高灵敏度、线性度和带宽的优点，同时对元器件要求低，处理电路精简，体积小、功耗低，在微弱加速度计动态电流测量领域都可使用，效益显著。

说明书

技术领域

本发明属于电流精密测量领域，更具体地，涉及一种闭环积分式加速 度计动态电流测量装置及方法。

背景技术

在惯性产品中陀螺和加速度计是最重要的敏感部件，随着技术的进步， 陀螺类型和种类飞速发展，微机电陀螺(MEMS)和干涉式光纤陀螺(IFOG)逐 渐取代现在的环形激光陀螺(RLG)和传统机械陀螺，体积越来越小，精度越 来越高，输出也直接为数字信号，给应用带来方便。但是加速度的测量还 没有出现具有绝对优势的技术，从而取代传统的石英挠性加速度计，石英 挠性加速度计由挠性摆片、磁缸和伺服电路等组成，输出信号为稳定的电 流，正比于测量方向的视加速度。因为在惯性产品中使用石英挠性加速度 计就要解决电流的精确测量问题，需要综合考虑高分辨率、大量程、带宽、 线性度等问题。在目前成熟的技术中无法做到对加速度计微弱电流的直接 测量，往往采用间接测量方法，例如：通过I/V转换后对电压的测量，或 者使用I/F转换电路将电流转换为脉冲信号，通过计数完成电流的精确测 量。

从已有的资料分析，在加速度计电流测量方案中，采用I/V(电流/电 压)转换后，直接使用AD转换的方式，多用于精度不高的场合，测量精度 主要受限于电路设计的电气噪声水平和模数转换的位数。当输入量较小时， 微弱电流转换为电压后被淹没在噪声中，无法识别出来，不能满足高精度 的使用要求。

在使用I/F转换电路的方案中，往往有积分电路和门电路组成，使用 一定的频标进行时钟同步，为了兼顾量程和微弱电流的测量，频标选择一 般不能太高，在100kHz以内，这就造成测量的带宽限制在100kHz，不利于 对高频变化电流的测量。同时在微弱电流时量化过小，分辨率也得不到保 证。如果进一步提高频标，由三极管等晶体管设计的门电路也会受到影响， 不能保证线性度。

因此，加速度计加速度计动态电流测量方案中I/V+A/D(电流/电压+ 模数转换)方式具有电路简单、功耗低、带宽大等优点，但测量精度低， 噪声大，不能应用于高精度测量。I/F(电流/频率)方式精度高，稳定性 好，但微弱电流测量时分辨率低，同时由于频标限制，造成系统带宽低， 也不利于高频动态信号的测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种闭环积分式 加速度计动态电流测量装置及方法，其目的在于满足惯性产品精度高、动 态范围宽、线性度好等要求，由此解决惯性产品中石英挠性加速度计输出 电流的精确测量的技术问题，也可用于其它微弱动态电流的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种闭环积分式加 速度计动态电流测量装置，其特征在于，该装置包括依次连接的积分电路、 A/D模数转换电路、数字处理电路、D/A数模转换电路以及压控恒流电路， 其中，所述压控恒流电路与所述积分电路相连形成闭环反馈，所述压控恒 流电路产生与被测电流信号反向的补偿电流信号，对所述积分电路放电， 使经过所述积分电路后的积分电压保持在固定电压值；

在经过闭环反馈后，所述数字处理电路输出正比于所述被测电流信号 的测量值，由此完成对输入电流的测量。

进一步地，所述被测电流信号与所述补偿电流信号分别通过所述积分 电路中的电阻连接所述积分电路中的运放输入端实现上述两电流信号的相 加。

进一步地，所述数字处理电路包括电压采样模块、误差分离模块、闭 环积分模块、反馈输出模块、输出滤波模块以及通讯模块；

电压采样模块、误差分离模块、闭环积分模块依次相连，反馈输出模 块、输出滤波模块与所述闭环积分模块相连，通讯模块与所述输出滤波模 块相连；

其中，所述电压采样模块，用于控制所述A/D模数转换电路对所述积 分电路产生的积分电压采样，转化为电压数字量；

所述误差分离模块，用于对所述电压数字量误差分离处理得到闭环输 入误差；

所述闭环积分模块，对所述误差量进行积分放大获得反馈数字量；

所述反馈输出模块，用于控制D/A数模转换电路将所述反馈数字量转 换为模拟电压，并将该模拟电压输入压控恒流电路，得到正比于所述被测 电流信号的反馈补偿电流输入到所述积分电路，完成闭环控制；

所述输出滤波模块，用于对经过若干周期闭环反馈的所述反馈数字量 进行滤波处理；

所述通讯模块，用于输出经过所述输出滤波模块处理的所述反馈数字 量。

本发明还提供拉一种闭环积分式加速度计动态电流测量方法，其特征 在于，被测电流信号经过积分电路转化为积分电压信号，该积分电压信号 通过A/D模数转换电路、数字处理电路、D/A数模转换电路的信号处理产生 闭环反馈信号，输出给压控恒流电路，产生与被测电流反向的补偿电流信 号，将上述补偿电流信号与积分电路相连从而对积分电路进行放电，使得 积分电压始终保持在固定电压值；

在经过闭环反馈后，输出正比于所述被测电流信号的测量值，由此完 成对输入电流的测量。

进一步地，所述闭环反馈信号的产生过程为：

(a)对所述积分电路产生的积分电压采样，转化为电压数字量；

(b)对所述电压数字量误差分离处理得到闭环输入误差量；

(c)对所述闭环输入误差量进行积分放大获得反馈数字量；

(d)将所述反馈数字量转换为模拟电压，并将该模拟电压输入压控恒 流电路，得到正比于所述被测电流信号的闭环反馈补偿电流输入到所述积 分电路，完成闭环控制。

进一步地，所述步骤(b)中的误差分离的过程为，将所述步骤(a) 中产生的积分电压数值与设定的电压数值的差值作为闭环输入误差量。

本发明还提供了一种闭环积分式加速度计动态电流测量中的电流反馈 控制方法，其特征在于，被测电流信号经过积分电路转化为积分电压信号， 该积分电压信号通过A/D模数转换电路、数字处理电路、D/A数模转换电路 的信号处理产生闭环反馈信号，输出给压控恒流电路，产生与被测电流反 向的补偿电流信号，将上述补偿电流信号与积分电路相连从而对积分电路 进行放电，使得积分电压始终保持在固定电压值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于 采用闭环方式，直接在外部处理电路上实现闭环，不同于在加速度计表头 内部实现闭环的方案，实现简单，不改变表头的内部设计，同时测量方案 也可应用于其他微弱或高动态的电流测量领域。本发明与传统的全模拟I/F 变换电路相比，通过闭环降低了对元器件本身的指标要求，通过数字处理 将系统带宽提高到兆赫兹以上，满足高动态测量要求，而传统I/F电路的 带宽在200Hz以上已会造成很大的非线性。本发明相比I/V加模数转换的 方案，电容积分有更高的精度，且数字闭环有更高的线性度；本发明具有 高灵敏度、线性度和带宽，同时对元器件要求低，处理电路精简，体积小、 功耗低，优势明显，除在惯导系统加速度计输出电流测量领域使用外，在 其他微弱、加速度计动态电流测量领域也可方便使用，效益显著。

附图说明

图1是按照本发明的计加速度计动态电流测量装置结构图；

图2为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的积分电路原理图；

图3为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的A/D模数转换电 路原理图；

图4(a)为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的数字处理电 路FPGA存储配置及调试接口原理图；

图4(b)为为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的数字处理 电路晶振及FPGA管脚分配原理图；

图5为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的D/A数模转换电 路原理图；

图6为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的压控恒流电路原 理图；

图7为按照本发明的加速度计动态电流测量装置中的数据处理法方法 框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-积分电路  2-模数转换电路  3-数字处理电路  4-数模转换电 路  5-压控恒流电路  31-电压采样模块  32-误差分离模块  33-闭 环积分模块  34-反馈输出模块  35-输出滤波模块  36-通讯模块

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，按照本发明实现的闭环积分式电流测量装置由积分电路1、 A/D模数转换电路2、数字处理电路3、D/A数模转换电路4和压控恒流电 路5组成。其中，被测电流经过积分电路1将电流转换为积分电压信号， 通过A/D模数转换电路2转换为电压数字量，经数字处理电路3采集处理， 产生闭环反馈数字量，反馈数字量经D/A数模转换电路4转换为反馈电压 信号，输出给压控恒流电路5，产生与被测电流符号相反的补偿电流信号， 对积分电路1进行放电，使得积分电压始终保持在设定的固定电压值，达 到稳定状态。

如图2所示，积分电路由N1运算放大器OP07、R1～R5电阻、C1～C3 滤波电容、C4积分电容和V1、V2三极管组成，其中加速计电流输入为加速 度计输出的正比于视加速度的电流；反馈电流输入为恒流源的输出，是电 路的反馈信号；积分电压输出到A/D模数转换电路2，并被采集到数字处理 电路3进行处理。另外，积分电路1将被测量电流和压控恒流电路5产生 的反馈电流通过电阻直接连接在运放输入端，实现了电流模拟加法功能； 且在输出端采用了PNP和NPN三极管组成复合晶体管，总电流增益大大提 高，实现电流的快速充放电，增强了系统响应速度。

如图3所示，A/D模数转换电路2，由N1十二位模数转换器ADS804E、 电阻R1、电容C1～C12组成，其中电压输入为积分电路的输出电压，数字 量D0～D11连接数字处理电路FPGA处理芯片，完成模拟电压到数字量的转 换。

本实施例中的A/D模数转换电路2采用十二位并口高精度模数转换器， 精度高，且并口速度高，适用于FPGA直接读取。

如图4所示，数字处理电路3由D1 FPGA逻辑芯片XC3S400、D2程序存 储芯片XCF02S、G1数字晶振、电阻R1～R3、电容C1～C18组成，其中FPGA 芯片完成全部数据处理功能，具有可靠性高、速度快、可多路并行执行适 合多通道应用等优点；晶振提供系统时钟输入；程序存储器用于断电存储 程序；AD0～AD11、ADCLK连接A/D模数处理电路，为AD数据线和时钟线； DA0～DA15、DACLK连接D/A数模转换电路，为DA数据线和时钟线。该数字 处理电路3采用一片逻辑芯片XC3S400作为系统唯一的处理芯片，实现全 部数据处理功能，相比使用DSP加FPGA的传统处理电路更简洁，体积小， 功耗低，同时并行处理速度更高。

如图5所示，D/A数模转换电路4由N1十六位高速DA转换器、N2运 算放大器、电阻R1～R3，电容C1～C13组成，其中电压输出为反馈电压， 连接到压控恒流电路；DA0～DA15、DACLK连接数字处理电路，接收数字量 转换为电压输出，本实施例采用50MHz高速十六位数模转换器，转速速度 快降低系统延迟，精度高，并口适用FPGA高速采集。

如图6所示，压控恒流电路5由N1运算放大器，V1三极管、电阻R1～ R5组成，其中电压输入为D/A数模转换电路的输出，电流输出为恒流源输 出，反馈到积分电路，形成闭环，本实施例中使用两个运放和三极管构成 的压控恒流电路，结构简单，线性度好，满足对电流反馈的要求。

如图7所示，为按照本发明实现加速度计动态电流测量的方法，FPGA 内部逻辑实现为采用31～36六个模块，电压采样模块31控制A/D模数转 换电路2完成对积分电压的采样，转化为电压数字量；经误差分离模块32 处理，得到闭环输入误差；闭环积分模块33为闭环控制器，对误差量进行 积分、放大得到反馈数字量；反馈输出模块34控制D/A数模转换电路4， 将反馈数字量转换为模拟电压，通过压控恒流电路5得到正比于被测电流 的反馈补偿电流，完成闭环控制；输出滤波模块35对反馈数字量进行低通 滤波处理，得到正比于被测电流的测量值；经通讯模块36输出，完成对输 入电流的数字测量。

按照本实施例的数据处理方式，全部数据处理在FPGA中实现，积分方 式保证系统稳态误差为零，稳定裕度高；闭环处理方式，工作点固定，降 低了对元器件的指标要求，即可达到高精度的电流测量；数字处理方式可 将带宽提高到1MHz以上，同时满足了精度和带宽的要求；输出采用低通滤 波，滤掉高频电气噪声，进一步保证测量精度。

本发明的工作原理如下：

被测电流经过积分电路1将电流转换为积分电压信号，通过A/D模数 转换电路2转换为电压数字量，经数字处理电路3采集处理，产生闭环反 馈数字量，反馈数字量经D/A数模转换电路4转换为反馈电压信号，输出 给压控恒流电路5，产生与被测电流符号相反的补偿电流信号，对积分电路 1进行放电，使得积分电压始终保持在设定的固定电压值，达到稳定状态。

采用闭环的电流测量方法，在FPGA内部误差分离模块32将积分电压 数值U与设定的电压数值U0差值△U＝U0-U作为测量系统闭环输入误差 量；在闭环积分模块33采用闭环反馈数字量积分方式D＝D+ku*△U(其中， ku为数字积分放大倍数，为PID反馈控制中的常见的系数，调节反馈系统 使之处于稳定状态)，积分环节能保证测量系统的稳态误差为零；采用压控 恒流电路5根据闭环反馈数字量D产生反馈电流If＝ki*D(其中，ki为数模 转换的放大倍数，即数模转换电路4的比例系数，其为模数电路本身所附 加的放大倍数)作为闭环系统的执行机构，对积分电路1放电，使电压保 持恒定，达到稳定目的。

积分电路1采用电容积分方式完成I/V(电流/电压)转换，依据电量守 恒定律U＝U+I*t/C，相比精密电阻方式，具有更高的转换精度，并且采用压 控恒流电路5产生补偿电流对积分电路1放电，使积分电压保持U0，充电、 放电电量在固定时间内保持相同，可以降低对恒流源稳定性的要求。

根据电量守恒，由于积分电压保持恒定，反馈电流对积分电路的充、 放电电量在固定时间内等于被测电流对积分电路的充、放电电量。因此通 过输出滤波模块35对多个闭环周期的反馈数字量D累加、放大，得到正比 于被测加速度电流的输出值N＝ko*∑Di(i＝1～n)(其中ko为输出放大倍数， 由软件实现，其作用为使不同单位的参数进行调整的系数)，通过通讯模块 36输出，完成测量，其中T为闭环周期，nT为输出周期。

本方案采用数字闭环的测量方法，测量和反馈都是电流信号，对误差 电流的测量采用电容积分方式，无精度损失，同时闭环方式使得积分不会 出现饱和，不管输入量的变化，始终工作在同一电压处，系统线性度不受 元器件本身特性影响。方案采用数字处理方式，工作品频率可以很高，达 到1MHz以上，实现对高频变变化电流的测量，系统具有高带宽的特性。

本发明采用闭环方式，直接在外部处理电路上实现闭环，不同于在加 速度计表头内部实现闭环的方案，实现简单，不改变表头的内部设计，同 时测量方案也可应用于其他微弱或高动态的电流测量领域。本发明与传统 的全模拟I/F变换电路相比，通过闭环降低了对元器件本身的指标要求， 通过数字处理将系统带宽提高到兆赫兹以上，满足高动态测量要求，而传 统I/F电路的带宽在200Hz以上已会造成很大的非线性。本发明相比I/V 加模数转换的方案，电容积分有更高的精度，且数字闭环有更高的线性度； 本发明具有高灵敏度、线性度和带宽，同时对元器件要求低，处理电路精 简，体积小、功耗低，优势明显，除在惯导系统加速度计输出电流测量领 域使用外，在其他微弱、加速度计动态电流测量领域也可方便使用，效益 显著。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。