基于SOC的高精度傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計
在地質(zhì)石油勘探、設(shè)備安裝、道路橋梁建設(shè)等工程應(yīng)用以及機器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)控制等系統(tǒng)的自動水平調(diào)節(jié)中,都需要高精度的傾角測量。但高精度的傾角,測量設(shè)備通常體積較大,成本高,使許多工程應(yīng)用受到限制。本文從傾角的高精度測量出發(fā),著重介紹了傾角傳感器輸出穩(wěn)定性處理、溫度補償、非線性處理(正弦曲線擬合)、信號調(diào)理及其測量電路的特殊處理等。
1 傾角測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計
傾角測量系統(tǒng)硬件部分主要由MEMS傳感器(含雙軸傾角傳感器和溫度傳感器)、SOC電路、數(shù)據(jù)處理及傳輸和其他輔助電路等模塊組成。傾角測量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
1.1 MEMS傾角傳感器接口
MEMS傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司的SCA100T系列中的SCA100T-D01,測量范圍為±30°。SCA100T系列是采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的一款高分辨率雙軸傾角傳感器。SCA100T-D01數(shù)字輸出分辨率為0.035°/LSB,模擬輸出分辨率為0.002 5°。模擬輸出的分辨率大大高于數(shù)字輸出的分辨率,故本設(shè)計采用其模擬輸出。模擬輸出將涉及較為復(fù)雜的模擬信號處理,如果模擬信號處理不當(dāng),系統(tǒng)的分辨率和精度將大打折扣,有時甚至還不如數(shù)字輸出。采用合理的模擬信號處理電路是保證系統(tǒng)精度的方法之一。
SCA100T-D01內(nèi)置溫度傳感器,可以通過其自帶的SPI數(shù)字接口讀取溫度值,并在處理器中進行相應(yīng)的溫度補償。這是保證系統(tǒng)精度的又一方法。
1.2 阻抗匹配及放大
SCA100T-D01輸出阻抗為10 kΩ,為保證MEMS傾角傳感器SCA100T-D01輸出的信號有效地傳遞,即要求衰減最小,設(shè)計中采用了具有高輸入阻抗的場效應(yīng)管型運放TL081設(shè)計了阻抗匹配電路,采用同相輸入,以提高輸入阻抗。
信號放大電路采用ICL7653斬波穩(wěn)零運算放大器來完成,如圖2所示。ICL7653具有極低的失調(diào)電壓和偏置電流,具有較高的工作穩(wěn)定性和優(yōu)良的高精度放大功能。ICL7653斬波穩(wěn)零使用內(nèi)部時鐘時,在CA、CB與CR端之間加上0.1 μF的低泄放、高穩(wěn)定性的聚酯或聚丙烯電容。同時在雙電源接入端進行濾波和去耦處理。
1.3 差分轉(zhuǎn)換及驅(qū)動
如圖3所示,差分轉(zhuǎn)換電路以AD8138AR為核心,將單端信號轉(zhuǎn)換差分信號,既可以提高共模抑制比,有效減小共模信號影響,又可以驅(qū)動SOC內(nèi)部的24位差分Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD8138AR具有較寬的模擬帶寬(320 MHz,-3 dB。增益為1時),而且AD8138AR為表面封裝器件,器件體積小,使得ADC與信號輸入點的距離可以很近,大大減少了外界噪聲的影響。
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