石英加速度计的高分辨率大量程I/F转换电路

张子鹏，马家君，刘清杨，吕嫣然，黄月锐涵，蒋军彪

(1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳 550025；2.西安现代控制技术研究所，陕西西安 710065)

0 引言

石英挠性加速度计通过输出电流的大小来表示载体加速度的大小，是高精度惯导系统的核心元件，其具有精度高、抗干扰性好等一系列优点[1-6]。石英挠性加速度计的输出电流需要通过转换电路将模拟量转换为数字量[7-13]。常用的转换电路主要有A/D转换和I/F转换2种，其中，A/D转换电路具有功耗低、电路结构简单等优点，但该转换电路存在量化误差、输出噪声大等问题；I/F转换电路具有转换精度高、受温度影响小、误差不累积等优点，广泛应用于惯导系统的模数转换中[14-15]。

然而，在I/F电路设计中，较大的阈值电压具有较大的量程，但不能获得较高的分辨率，较小的阈值电压具有较高分辨率但不能获得较大的量程，量程和分辨率这两个指标相互矛盾。针对这一问题，目前，主要采用I/F转换+A/D转换的方式[16]，此方法已广泛应用于各种I/F转换电路中，提高了加速度计通道的输出当量，但降低了I/F转换电路动态分辨率[17]。王晓东、黄武扬等提出了通过I/F+A/D+DSP的设计思路[17]，在一定程度上同时满足了分辨率和大量程的需求，但高精度A/D转换芯片成本过高且受制于发达国家，此方案不易得到广泛的应用。

本文设计了一种新型I/F转换电路用以解决上述问题，在电路结构上额外增加2路比较器用来判断小电流极性，在算法上通过设置时间t1来划分大、小电流，对大、小电流分别执行不同的解算程序。与现有I/F转换电路方案相比，该I/F转换电路在提升小电流转换尤其是微小电流转换的效率及分辨率上效果尤为显著。

1 I/F转换电路分析

1.1 I/F转换电路基本原理

I/F转换电路由电流积分器、正向通道滞回比较器、负向通道滞回比较器、逻辑处理器、标频电路、正向通道模拟开关、负向通道模拟开关、正向通道反馈恒流电流源、正向通道反馈电流等模块组成，如图1所示。

图1 I/F转换电路结构框图

在I/F转换电路中，石英挠性加速度计的输出电流通过电流积分器进行积分，电流积分器输出电压达到滞回比较器的阈值电压时，滞回比较器输出从低电平跳变至高电平，数字逻辑电路则打开对应的模拟开关使电流积分器放电。当电流积分器电压被放电至0时，滞回比较器从高电平跳变为低电平，数字逻辑电路接收由高到低的跳变信号后控制模拟开关断开。I/F转换电路以滞回比较器的输出频率作为输出频率。

1.2 分辨率和大量程相互矛盾的主要原因分析

在传统I/F转换电路中，电流积分器的积分电压达到滞回比较器设置的阈值电压时，滞回比较器才发生电平翻转。图2给出在不同阈值电压下I/F转换电路的转换特性。

图2(a)中，在较大的阈值电压下，大电流输入信号可以在短时间内积分到阈值电压，但若输入电流信号较小，电流积分器在长时间内无法积分到滞回比较器的阈值电压，导致转换电路长时间无法更新输出，破坏转换电路的实时性，导致电路对小电流信号不敏感，从而在大量程下不能获得较高的分辨率；图2(b)中，在较小的阈值电压下，小电流输入信号可以在短时间内积分到阈值电压，但若输入电流信号较大，因为电流不能突变，电流上升的过程中积分器输出已达到阈值电压，导致测量大电流时电路输出产生失真，从而在高分辨率下不能获得较的大量程。

(a)大阈值电压

以上分析表明，在I/F转换电路中，固定的滞回比较器的阈值电压是影响I/F转换电路分辨率和量程相互矛盾的主要原因。

1.3 I/F转换电路的改进

根据以上分析，若能消除阈值电压对I/F转换电路分辨率和量程所造成的影响，就可以解决I/F转换电路大量程和高分辨率相互矛盾的问题。本文提出了一种新的I/F转换电路，该电路首先将I/F转换电路的阈值电压设置足够大以保证转换电路的量程，其次在电路结构和算法上改进，保证在小电流输入情况下，I/F转换电路也可在短时间内更新输出，确保I/F转换电路具有较高的分辨率。在电路结构上，新增加了2路比较器，一路正向通道比较器。一路负向通道比较器；正向通道比较器正相输入端接地，反相输入端接电流积分器输出端，输出端接逻辑处理器。反向通道比较器反相输入端接地，正相输入端接电流积分器输出端，输出端接逻辑处理器；在逻辑处理器输出端后分别增加正、反向通道比较器所对应的模拟开关和恒流反馈电流源，改进后的I/F转换电路如图3所示。

图3 改进后的I/F转换电路

在电流解算算法上，首先在逻辑处理器内设置2个有固定时钟频率的时间计数器1和时间计数器2，并设置时间t1，石英挠性加速度计输入电流的积分电压U若在t1时间内达到滞回比较器所设阈值电压Uth，即

(1)

式中：t1为逻辑处理器设置时间，s；I为转换电路输入电流，A；C为积分电容，F；Uth为滞回比较器阈值电压，V。

则认定为大电流输入，计数器1开始计数，电流积分器输出达到Uth时计数器1输出计数时长t2并清零，根据积分式

(2)

式中t2为逻辑处理器设置时间，s。

可得小电流输入下的转换电流与计数时间的关系为

I=UthC/t2

(3)

(4)

式中：t3为计数器2输出时间数据，s；I1为反馈电流源电流，A。

则大电流输入下的转换电流与计数时间的关系为

(5)

改进后的I/F转换电路流程图如图4所示。

图4 程序流程图

2 实验验证与分析

2.1 实验平台搭建

本文选用QA系列石英挠性加速度计表头来进行实验，具体参数如表1所示。在实验过程中，将I/F转换电路、石英挠性加速度计表头固定在高精度温箱转台上，通过斜置法给定不同的加速度，并对I/F转换电路的分辨率、量程和转换速度等性能指标进行测试。

表1 石英挠性加速度计表头性能

2.2 转换速度与量程测试

实验过程中，积分电容为0.2 μF、正阈值电压为0 V与12 V、负阈值电压为-12 V与0 V、大电流反馈电流源为±40 mA、小电流反馈电流源为±5 mA。电流量程为36 mA(约30g)，积分器的输出电压由0 V升至某一数值后又降为0 V为一个电流解算周期，积分器的输出波形与输入电流的关系如图5所示。

图5结果表明：在大电流输入时，2种I/F转换电路的转换曲线基本重合，解算速度基本一致，说明新型I/F转换电路不会降低大电流解算速度和原有的转换量程。然而，新型I/F转换电路在小电流输入时的解算速度较快，在微小电流输入时的解算速度得到明显提升。表2对比了原有I/F转换电路与新型I/F转换电路在±3、±1、±0.1、±0.05 mA输入电流下的解算速度。在输入电流为±3、±1、±0.1、±0.05 mA时，新型I/F转换电路的解算速度分别提升了约30%、298%、4 800%、9 600%；在输入电流为±0.1 mA时，新型I/F转换电路只需0.5 ms就产生输出。

(a)36 mA

表2 不同输入电流下解算速度对比

2.3 分辨率测试

为了分析新型I/F转换电路的分辨率，图6对比了新型I/F转换电路与传统I/F转换电路在输入电流为-1～1 mA连续变化时的输出响应，为了进一步证实2种I/F转换电路的最小有效分辨率，对图6中的部分数据进行处理并作出表3。

图6 输入输出电流对比图

表3 不同输入小电流下数据对比表

实验结果表明：传统I/F转换电路因为对小电流的转换需较长的时间，在连续变化的小电流输入下，无法及时更新输出，从而造成转换输出台阶效应特别明显。新型I/F转换电路解决了对小电流转换慢的问题，电流解算时间快，台阶效应基本消失。在表3中，新型I/F转换电路在输入电流为0.001 mA时转换精度可以达到95%，转换时间为0.5 ms，在输入电流大于0.001 mA时转换精度可以达到96%以上，表明新型I/F转换电路的转换分辨率优于1×10-6g。

3 结论

为了解决I/F转换电路高分辨率和大量程相互矛盾的问题，本文提出了新型I/F转换电路结构和电流解算程序。指出原有I/F转换电路分辨率和量程相互矛盾的主要原因是在小电流输入下不能在短时间内积分到阈值电压，而导致I/F转换电路分辨率下降。改进后的I/F转换电路在保证量程的同时解决了原有I/F转换电路在小电流输入时分辨率下降的问题，有效提升了I/F转换电路的分辨率，为高性能I/F转换电路的设计提供了重要参考。