eng
Выпуск #7/2018
Ю. Ю. Колбас, И. В. Дронов
Исследование высокоточного аналого-цифрового преобразователя для измерения сигналов акселерометров с токовым выходом
Исследование высокоточного аналого-цифрового преобразователя для измерения сигналов акселерометров с токовым выходом
Просмотры: 2951
Настоящая работа посвящена анализу различных типов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для акселерометрического канала инерциальных навигационных систем. Сформулированы требования к таким АЦП, исходя из режимов работы акселерометров. Рассмотрены различные виды АЦП и проведен анализ присущих им ошибок. Установлено, что наиболее критичным параметром является изменение смещения нуля при циклическом воздействии повышенной и пониженной температур. Показано, что наиболее приемлемым для удовлетворения сформулированных требований к АЦП является использование сигма-дельта АЦП с возможностью периодической калибровки смещения нуля. Приведены схема и результаты экспериментальных исследований АЦП такого типа. Показано, что применение температурной алгоритмической коррекции позволяет уменьшить изменение смещения нуля АЦП в 18 раз. Проанализирована амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого АЦП для применений на динамичных объектах.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.7.684.694
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.7.684.694
Теги: accelerometer analog-to-digital converter frequency response scale factor zero offset акселерометр аналого-цифровой преобразователь масштабный коэффициент смещение нуля частотная характеристика
ВВЕДЕНИЕ
В современных инерциальных навигационных системах измерение ускорения имеет очень большое значение. По показаниям акселерометров производится начальная выставка системы – определение углов крена и тангажа перед движением и счисление линейных координат во время движения. Акселерометрический канал инерциальной навигационной системы (ИНС) состоит из собственно акселерометра и преобразователя его выходного сигнала в цифровую форму (код). Существует множество разновидностей преобразователей аналоговых сигналов в код – аналого-цифровых преобразователей (АЦП): интегрирующие на основе преобразователей ток-частота, прямого преобразования, сигма-дельта и др. Все они имеют свои достоинства и недостатки, становящиеся критичными в условиях малого времени преобразования и температурных воздействий. Задачей настоящей работы является анализ существующих АЦП и их пригодности для работы в таких условиях в акселерометрическом канале инерциальной навигационной системы динамичных объектов с целью построения наиболее оптимального АЦП для данного применения.
Требования к АЦП акселерометрического канала ИНС и различные виды АЦП
Выходным сигналом акселерометра обычно является ток, проходящий через эталонный резистор. Поэтому возможно использование 2-х типов преобразователей: ток акселерометра -код и напряжение на нагрузочном резисторе акселерометра -код. К АЦП акселерометрического канала ИНС предъявляется ряд специфических требований:
• большой диапазон по амплитуде входного сигнала (от единиц микровольт до 10 вольт);
• точность измерения – не хуже 0,001% (не менее 18 двоичных разрядов с учетом знака);
• воспроизводимость характеристик в широком диапазоне температур;
• поскольку для счисления линейных координат используется двойной интеграл по времени от измеренного ускорения, АЦП должно работать в режиме непрерывного измерения ускорения "а" за интервал времени выдачи информации (рис. 1) [1];
• достаточный динамический диапазон частот измеряемых ускорений, на порядок превышающий диапазон частот ускорений объекта, на котором установлены акселерометры.
С функциональной точки зрения для работы с акселерометрами необходим АЦП с непрерывным интегрированием. Вариант схемы такого АЦП представлен на рис. 2 [2].
В инвертирующий вход интегратора, состоящего из операционного усилителя ОУ и конденсатора С, втекает выходной ток акселерометра Iакс. В начале каждого измерительного такта схема управления СУ проверяет состояние компаратора К и подает на вход интегратора положительное или отрицательное напряжение ±Uоп через аналоговый ключ АК и резистор R для обнуления интегратора. Время обнуления интегратора будет пропорционально току Iакс, накопленному за интервал измерения. При достижении нулевого напряжения на выходе интегратора У схема управления СУ отключает резистор R от соответствующего опорного источника, т. е. ток от акселерометра Iакс уравновешивается током, вызываемым подачей напряжения Uоп на инвертирующий вход усилителя. В установившемся режиме должно выполняться следующее условие:
, (1)
, (2)
. (3)
Выражение (3) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки Uоп, точностью выдержки длительности импульса Uоп, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на конечную точность измерения. Достоинства такой схемы АЦП состоят в том, что:
• не требуется фильтр низких частот на выходе акселерометра;
• АЦП выполняет одно измерение за такт управления, что упрощает обработку данных в системе.
Точность преобразования будет определяться стабильностью интегратора, опорных источников напряжения и их симметрией, проходным сопротивлением и смещением нуля аналогового ключа. Смещение нуля такого преобразователя достигает ±100 мкВ, нелинейность и нестабильность коэффициента преобразования ±0,01% против требуемых ±0,001%. В результате такие простые АЦП применяются только в ИНС низкой точности, где требуется малая масса и энергопотребление электронных блоков.
Популярные АЦП с поразрядным уравновешиванием имеют точность не лучше 0,005% (16 двоичных разрядов), что не соответствует ранее сформулированным требованиям к АЦП акселерометрического канала ИНС – не хуже 0,001%.
АЦП с двухтактным интегрированием удовлетворяют требованиям по точности, но имеют время преобразования, зависящее от амплитуды входного сигнала, что недопустимо, поскольку решение навигационной задачи производится с жестким временным тактом. В таком АЦП процесс преобразования сигнала может быть описан следующим уравнением:
. (4)
Таким образом, ни один из рассмотренных видов АЦП не удовлетворяет в полной мере требованиям к акселерометрическому каналу ИНС.
СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКОЙ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
В последние годы сигма-дельта архитектура АЦП становится все более и более популярной для реализации АЦП высокого разрешения. Своим названием они обязаны наличию двух блоков: "сигма" – интегратора, "дельта" – дифференциального усилителя. Основным принципом, заложенным в этих преобразователях и позволяющим увеличить разрешающую способность, является усреднение результатов измерения [3]. Схема ΣΔ-АЦП первого порядка представлена на рис. 3. Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение на эталонном резисторе, через который протекает выходной ток акселерометра, сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором.
На вход интегратора подается напряжение положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора "отслеживает" входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой фильтр низких частот (ФНЧ) ФНЧ, как правило, объединен с дециматором – устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их "прореживания".
В простейшем случае для получения N-разрядного кода на выходе необходимо просуммировать выдаваемую компаратором однобитовую последовательность в течение 2N тактов. Целью этого суммирования является получение среднего значения измеряемой величины за этот интервал времени. В реальных приборах применяется более эффективный с точки зрения производительности способ получения среднего значения измеряемой величины: использование цифровых фильтров высокого порядка.
Следует отметить, что ΣΔ-АЦП первого порядка в настоящее время нигде не применяются вследствие целого ряда преимуществ преобразователей более высокого порядка.
Наиболее серьезным недостатком ΣΔ-АЦП является зависимость масштаба преобразования от температуры и тактовой частоты, что приводит к необходимости регулярной калибровки устройства. Эта зависимость вызвана невозможностью изготовления в К-МОП-схемах конденсаторов со стабильной величиной емкостей интеграторов, определяющих масштаб. Как правило, современные микросхемы ΣΔ-преобразователей имеют встроенные узлы для калибровки, что упрощает эту процедуру.
Еще одним недостатком, ограничивающим применение ΣΔ-АЦП, является невозможность жесткой синхронизации с сигналом. Напомним, что в состав устройства входит фильтр, подавляющий высокочастотные компоненты сигнала и сдвигающий его во времени. Поэтому довольно проблематично точно отнести получаемые отсчеты к фиксированному моменту времени. Тем не менее, в настоящее время существует достаточно широкая номенклатура ΣΔ-АЦП в интегральном исполнении с возможностью работы в широком температурном диапазоне, а их недостатки могут быть скомпенсированы современными средствами цифровой техники. На рис. 5 изображена функциональная трехканальная схема АЦП для работы с акселерометрами на современных ΣΔ-преобразователях.
В качестве АЦП выбрана модель ADS1259 фирмы Texas Ins., имеющая следующие основные характеристики:
• разрядность 24 бита;
• скорость выдачи данных – до 14 400 измерений в секунду;
• диапазон входных напряжений ±2,5В;
• нелинейность преобразования – не хуже ±0,0003% от полной шкалы.
В состав АЦП кроме собственно ΣΔ-преобразователя входит программируемый цифровой фильтр, схема калибровки и высокоскоростной последовательный интерфейс для сопряжения с процессором. Особенность данного АЦП – возможность подключения измеряемых синфазных напряжений с симметрией по отношению к земле, что упрощает сопряжение с акселерометрами. Более распространенные АЦП с положительным синфазным напряжением требуют схемы смещения уровня, что, в данном случае, может приводить к ошибкам смещения нуля.
На входе каждого АЦП включен фильтр низких частот с частотой среза 200 Гц. В качестве фильтра выбран фильтр Баттерворта 2-го порядка. Особенностью этого фильтра является то, что он имеет единичный коэффициент передачи для постоянного тока, не зависящий от параметров фильтра. Это позволяет исключить влияние фильтра на стабильность масштабного коэффициента преобразователя.
Акселерометр, имеющий токовый выход, нагружен на прецизионный резистор и сопрягается с фильтром через аттенюатор, состоящий из прецизионного резистивного делителя с коэффициентом 1 / 4, повторителей на ОУ и аналогового переключателя, управляемого процессором CPU. Дополнительно к измеряемым входам на аналоговый переключатель заведено опорное напряжение и аналоговая земля, что позволяет калибровать АЦП. Фактически, каждый канал имеет два диапазона: ±10g и ±40g. Такой подход позволяет повысить интегральную точность в системе, так как большую часть времени необходимо измерять ускорение в диапазоне ±10g – при измерении в этом диапазоне входной делитель отключен и не вносит погрешностей в результирующую точность АЦП. Частота преобразования АЦП выбрана равной 14 400 выборок в секунду; внутренний фильтр настроен на выдачу в процессор со скоростью 1 200 отсчетов в секунду. На уровне процессора осуществляется дополнительное накопление и фильтрация с выдачей данных в систему через шину ISA-PC104 на частоте 200 Гц. По теореме отсчетов такой подход позволяет снизить уровень шумов АЦП не менее чем в восемь раз.
Проблема привязки выдачи данных с АЦП к временной сетке системы решена с помощью формирования опорной частоты АЦП на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Используется внутренний синтезатор частоты ПЛИС и дополнительная цифровая логика, осуществляющая привязку к внешней синхронизации 200 Гц.
Дополнительно на модуле АЦП реализована схема сопряжения с термодатчиками акселерометров – учет температурной модели акселерометров позволяет повысить точность измерения ускорений. Термодатчики через схему сопряжения подключатся к встроенному АЦП процессора, имеющего точность 12 бит. После преобразования и масштабирования данные о температуре выдаются на внешнюю шину с привязкой к данным ускорений.
Для получения точности АЦП на основе ΣΔ-преобразователя необходима процедура калибровки по смещению нуля и масштабному коэффициенту. Для выбранного АЦП задача упрощается наличием средств поддержки на кристалле микросхемы – полученные при калибровке поправочные значения смещения нуля и масштабного коэффициента запоминаются и используются при коррекции выходных данных непосредственно на уровне микросхемы АЦП.
При включении модуля АЦП процедура калибровки выполняется автоматически. При работе в системе калибровку целесообразно проводить периодически – при существенном изменении температуры. Так как калибровка выполняется достаточно длительное время – до 50 мс (10 тактов) при выбранных режимах АЦП, то для получения корректных выходных данных возможна аппроксимация выходных данных по предыстории отсчетов с помощью процессора модуля.
Полезным решением задачи сохранения информации об ускорении за время калибровки является параллельное подключение модулей АЦП с поочередной калибровкой каждого модуля при работе в системе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКОЙ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
Рассмотрим экспериментальные результаты реализации АЦП, представленного на рис. 6. На рис. 6 приведены температурные зависимости относительного отклонения коэффициента преобразования dK для двух каналов АЦП от единичного значения:
dK = Ki – 1. (5)
На рис. 7 и 8 представлены температурные зависимости смещения нуля Sa как с использованием периодической калибровки, так и без нее. Обобщенные результаты эксперимента приведены в таблице. Таким образом, использование периодической калибровки позволяет уменьшить ошибку смещения нуля до 18 раз. Наиболее же эффективно использование аппроксимирующей функции с полиномом 4-го порядка от температуры:
Sa (T) = K1 · Т4 + K2 · Т3 + K3 · Т2 + K4 · Т + К5 (6)
На рис. 9 и 10 приведены зависимости коэффициента преобразования K и смещения нуля Sa от частоты переменного входного сигнала от акселерометра f. Как видно из рисунков, частотный диапазон АЦП по К-уровню 0,7 составляет 0,45 · f0 (f0 – частота передачи информации от АЦП). То есть при частоте опроса АЦП 1000 Гц мы получили приемлемую ошибку при измерении сигнала частотой до 450 Гц. Если исходить из ошибки смещения нуля, то правильным критерием ограничения частотного диапазона будет достижение относительной ошибкой смещения нуля величины нелинейности преобразования. В нашем случае, считая нелинейность равной 1,4 · 10–4 отн. ед., получим частотный диапазон равный 0,55 · f0. При частоте опроса 1 000 Гц это составляет 550 Гц. Учитывая, что современные акселерометры имеют частотный диапазон до 300 Гц [5], исследуемое АЦП имеет вполне достаточный частотный диапазон преобразования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, для измерения сигналов акселерометров наиболее привлекательным является ΣΔ-АЦП с дублированием каналов, сочетающий как малую ошибку измеренного интеграла ускорения, так и высокую частоту преобразования информации при приемлемой ошибке коэффициента преобразования. Применение температурной алгоритмической коррекции позволяет уменьшить изменение смещения нуля АЦП в 18 раз. Для получения наиболее высоких характеристик в состав АЦП должен быть включен термодатчик, позволяющий реализовать температурную аппроксимацию погрешностей, прежде всего смещение нуля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дронов И. В., Колбас Ю. Ю., Коновалов С. Ф., Соловьева Т. И., Томилин А. В. Исследования прецизионных аналого-цифровых преобразователей для высокоточных инерциальных измерительных систем// Труды Международной конференции и Российской научной школы "Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования и инфотелекоммуникационных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА‑2012)" – Ивантеевка МО: НИИ предельных технологий, 2012, ч. 1, с. 30–31.
Dronov I. V., Kolbas YU.YU., Konovalov S. F., Solov’eva T.I., Tomilin A. V. Issledovaniya precizionnyh analogo-cifrovyh preobrazovatelej dlya vysokotochnyh inercial’nyh izmeritel’nyh sistem// Trudy Mezhdunarodnoj konferencii i Rossijskoj nauchnoj shkoly "Sistemnye problemy nadezhnosti, kachestva, matematicheskogo modelirovaniya i info-telekommunikacionnyh tekhnologij v innovacionnyh proektah (INNOVATIKA‑2012)" – Ivanteevka MO: NII predel’nyh tekhnologij, 2012, ch.1, p. 30–31.
2. Хоровиц, П. Искусство схемотехники// П. Хоровиц, У. Хилл. -М.: БИНОМ, 2014.
Horovic, P. Iskusstvo skhemotekhniki// P. Horovic, U. Hill. -M.: BINOM, 2014.
3. Шахнович И. Сигма-Дельта АЦП: Архитектура, принципы, компоненты// Электроника: НТБ, 2006, № 4, с. 18–22.
Shahnovich I. Sigma-Del’ta ACP: Arhitektura, principy, komponenty// Elektronika: NTB, 2006, № 4. p.18–22.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника// – М.: ДМК Пресс, 2008.
Titce U., SHenk K Poluprovodnikovaya skhemotekhnika// – M.: DMK Press, 2008.
5. Голяев, Ю.Д., Колбас Ю. Ю., Коновалов С. Ф., Соловьева Т. И., Томилин А. В. Критерии выбора акселерометров для инерциального измерительного блока// Системотехника, 2012, № 10.
Golyaev, YU.D., Kolbas YU.YU., Konovalov S. F., Solov’eva T.I., Tomilin A. V. Kriterii vybora akselerometrov dlya inercial’nogo izmeritel’nogo bloka// Sistemotekhnika, 2012, № 10.
В современных инерциальных навигационных системах измерение ускорения имеет очень большое значение. По показаниям акселерометров производится начальная выставка системы – определение углов крена и тангажа перед движением и счисление линейных координат во время движения. Акселерометрический канал инерциальной навигационной системы (ИНС) состоит из собственно акселерометра и преобразователя его выходного сигнала в цифровую форму (код). Существует множество разновидностей преобразователей аналоговых сигналов в код – аналого-цифровых преобразователей (АЦП): интегрирующие на основе преобразователей ток-частота, прямого преобразования, сигма-дельта и др. Все они имеют свои достоинства и недостатки, становящиеся критичными в условиях малого времени преобразования и температурных воздействий. Задачей настоящей работы является анализ существующих АЦП и их пригодности для работы в таких условиях в акселерометрическом канале инерциальной навигационной системы динамичных объектов с целью построения наиболее оптимального АЦП для данного применения.
Требования к АЦП акселерометрического канала ИНС и различные виды АЦП
Выходным сигналом акселерометра обычно является ток, проходящий через эталонный резистор. Поэтому возможно использование 2-х типов преобразователей: ток акселерометра -код и напряжение на нагрузочном резисторе акселерометра -код. К АЦП акселерометрического канала ИНС предъявляется ряд специфических требований:
• большой диапазон по амплитуде входного сигнала (от единиц микровольт до 10 вольт);
• точность измерения – не хуже 0,001% (не менее 18 двоичных разрядов с учетом знака);
• воспроизводимость характеристик в широком диапазоне температур;
• поскольку для счисления линейных координат используется двойной интеграл по времени от измеренного ускорения, АЦП должно работать в режиме непрерывного измерения ускорения "а" за интервал времени выдачи информации (рис. 1) [1];
• достаточный динамический диапазон частот измеряемых ускорений, на порядок превышающий диапазон частот ускорений объекта, на котором установлены акселерометры.
С функциональной точки зрения для работы с акселерометрами необходим АЦП с непрерывным интегрированием. Вариант схемы такого АЦП представлен на рис. 2 [2].
В инвертирующий вход интегратора, состоящего из операционного усилителя ОУ и конденсатора С, втекает выходной ток акселерометра Iакс. В начале каждого измерительного такта схема управления СУ проверяет состояние компаратора К и подает на вход интегратора положительное или отрицательное напряжение ±Uоп через аналоговый ключ АК и резистор R для обнуления интегратора. Время обнуления интегратора будет пропорционально току Iакс, накопленному за интервал измерения. При достижении нулевого напряжения на выходе интегратора У схема управления СУ отключает резистор R от соответствующего опорного источника, т. е. ток от акселерометра Iакс уравновешивается током, вызываемым подачей напряжения Uоп на инвертирующий вход усилителя. В установившемся режиме должно выполняться следующее условие:
, (1)
, (2)
. (3)
Выражение (3) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки Uоп, точностью выдержки длительности импульса Uоп, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на конечную точность измерения. Достоинства такой схемы АЦП состоят в том, что:
• не требуется фильтр низких частот на выходе акселерометра;
• АЦП выполняет одно измерение за такт управления, что упрощает обработку данных в системе.
Точность преобразования будет определяться стабильностью интегратора, опорных источников напряжения и их симметрией, проходным сопротивлением и смещением нуля аналогового ключа. Смещение нуля такого преобразователя достигает ±100 мкВ, нелинейность и нестабильность коэффициента преобразования ±0,01% против требуемых ±0,001%. В результате такие простые АЦП применяются только в ИНС низкой точности, где требуется малая масса и энергопотребление электронных блоков.
Популярные АЦП с поразрядным уравновешиванием имеют точность не лучше 0,005% (16 двоичных разрядов), что не соответствует ранее сформулированным требованиям к АЦП акселерометрического канала ИНС – не хуже 0,001%.
АЦП с двухтактным интегрированием удовлетворяют требованиям по точности, но имеют время преобразования, зависящее от амплитуды входного сигнала, что недопустимо, поскольку решение навигационной задачи производится с жестким временным тактом. В таком АЦП процесс преобразования сигнала может быть описан следующим уравнением:
. (4)
Таким образом, ни один из рассмотренных видов АЦП не удовлетворяет в полной мере требованиям к акселерометрическому каналу ИНС.
СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКОЙ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
В последние годы сигма-дельта архитектура АЦП становится все более и более популярной для реализации АЦП высокого разрешения. Своим названием они обязаны наличию двух блоков: "сигма" – интегратора, "дельта" – дифференциального усилителя. Основным принципом, заложенным в этих преобразователях и позволяющим увеличить разрешающую способность, является усреднение результатов измерения [3]. Схема ΣΔ-АЦП первого порядка представлена на рис. 3. Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение на эталонном резисторе, через который протекает выходной ток акселерометра, сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором.
На вход интегратора подается напряжение положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора "отслеживает" входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой фильтр низких частот (ФНЧ) ФНЧ, как правило, объединен с дециматором – устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их "прореживания".
В простейшем случае для получения N-разрядного кода на выходе необходимо просуммировать выдаваемую компаратором однобитовую последовательность в течение 2N тактов. Целью этого суммирования является получение среднего значения измеряемой величины за этот интервал времени. В реальных приборах применяется более эффективный с точки зрения производительности способ получения среднего значения измеряемой величины: использование цифровых фильтров высокого порядка.
Следует отметить, что ΣΔ-АЦП первого порядка в настоящее время нигде не применяются вследствие целого ряда преимуществ преобразователей более высокого порядка.
Наиболее серьезным недостатком ΣΔ-АЦП является зависимость масштаба преобразования от температуры и тактовой частоты, что приводит к необходимости регулярной калибровки устройства. Эта зависимость вызвана невозможностью изготовления в К-МОП-схемах конденсаторов со стабильной величиной емкостей интеграторов, определяющих масштаб. Как правило, современные микросхемы ΣΔ-преобразователей имеют встроенные узлы для калибровки, что упрощает эту процедуру.
Еще одним недостатком, ограничивающим применение ΣΔ-АЦП, является невозможность жесткой синхронизации с сигналом. Напомним, что в состав устройства входит фильтр, подавляющий высокочастотные компоненты сигнала и сдвигающий его во времени. Поэтому довольно проблематично точно отнести получаемые отсчеты к фиксированному моменту времени. Тем не менее, в настоящее время существует достаточно широкая номенклатура ΣΔ-АЦП в интегральном исполнении с возможностью работы в широком температурном диапазоне, а их недостатки могут быть скомпенсированы современными средствами цифровой техники. На рис. 5 изображена функциональная трехканальная схема АЦП для работы с акселерометрами на современных ΣΔ-преобразователях.
В качестве АЦП выбрана модель ADS1259 фирмы Texas Ins., имеющая следующие основные характеристики:
• разрядность 24 бита;
• скорость выдачи данных – до 14 400 измерений в секунду;
• диапазон входных напряжений ±2,5В;
• нелинейность преобразования – не хуже ±0,0003% от полной шкалы.
В состав АЦП кроме собственно ΣΔ-преобразователя входит программируемый цифровой фильтр, схема калибровки и высокоскоростной последовательный интерфейс для сопряжения с процессором. Особенность данного АЦП – возможность подключения измеряемых синфазных напряжений с симметрией по отношению к земле, что упрощает сопряжение с акселерометрами. Более распространенные АЦП с положительным синфазным напряжением требуют схемы смещения уровня, что, в данном случае, может приводить к ошибкам смещения нуля.
На входе каждого АЦП включен фильтр низких частот с частотой среза 200 Гц. В качестве фильтра выбран фильтр Баттерворта 2-го порядка. Особенностью этого фильтра является то, что он имеет единичный коэффициент передачи для постоянного тока, не зависящий от параметров фильтра. Это позволяет исключить влияние фильтра на стабильность масштабного коэффициента преобразователя.
Акселерометр, имеющий токовый выход, нагружен на прецизионный резистор и сопрягается с фильтром через аттенюатор, состоящий из прецизионного резистивного делителя с коэффициентом 1 / 4, повторителей на ОУ и аналогового переключателя, управляемого процессором CPU. Дополнительно к измеряемым входам на аналоговый переключатель заведено опорное напряжение и аналоговая земля, что позволяет калибровать АЦП. Фактически, каждый канал имеет два диапазона: ±10g и ±40g. Такой подход позволяет повысить интегральную точность в системе, так как большую часть времени необходимо измерять ускорение в диапазоне ±10g – при измерении в этом диапазоне входной делитель отключен и не вносит погрешностей в результирующую точность АЦП. Частота преобразования АЦП выбрана равной 14 400 выборок в секунду; внутренний фильтр настроен на выдачу в процессор со скоростью 1 200 отсчетов в секунду. На уровне процессора осуществляется дополнительное накопление и фильтрация с выдачей данных в систему через шину ISA-PC104 на частоте 200 Гц. По теореме отсчетов такой подход позволяет снизить уровень шумов АЦП не менее чем в восемь раз.
Проблема привязки выдачи данных с АЦП к временной сетке системы решена с помощью формирования опорной частоты АЦП на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Используется внутренний синтезатор частоты ПЛИС и дополнительная цифровая логика, осуществляющая привязку к внешней синхронизации 200 Гц.
Дополнительно на модуле АЦП реализована схема сопряжения с термодатчиками акселерометров – учет температурной модели акселерометров позволяет повысить точность измерения ускорений. Термодатчики через схему сопряжения подключатся к встроенному АЦП процессора, имеющего точность 12 бит. После преобразования и масштабирования данные о температуре выдаются на внешнюю шину с привязкой к данным ускорений.
Для получения точности АЦП на основе ΣΔ-преобразователя необходима процедура калибровки по смещению нуля и масштабному коэффициенту. Для выбранного АЦП задача упрощается наличием средств поддержки на кристалле микросхемы – полученные при калибровке поправочные значения смещения нуля и масштабного коэффициента запоминаются и используются при коррекции выходных данных непосредственно на уровне микросхемы АЦП.
При включении модуля АЦП процедура калибровки выполняется автоматически. При работе в системе калибровку целесообразно проводить периодически – при существенном изменении температуры. Так как калибровка выполняется достаточно длительное время – до 50 мс (10 тактов) при выбранных режимах АЦП, то для получения корректных выходных данных возможна аппроксимация выходных данных по предыстории отсчетов с помощью процессора модуля.
Полезным решением задачи сохранения информации об ускорении за время калибровки является параллельное подключение модулей АЦП с поочередной калибровкой каждого модуля при работе в системе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКОЙ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
Рассмотрим экспериментальные результаты реализации АЦП, представленного на рис. 6. На рис. 6 приведены температурные зависимости относительного отклонения коэффициента преобразования dK для двух каналов АЦП от единичного значения:
dK = Ki – 1. (5)
На рис. 7 и 8 представлены температурные зависимости смещения нуля Sa как с использованием периодической калибровки, так и без нее. Обобщенные результаты эксперимента приведены в таблице. Таким образом, использование периодической калибровки позволяет уменьшить ошибку смещения нуля до 18 раз. Наиболее же эффективно использование аппроксимирующей функции с полиномом 4-го порядка от температуры:
Sa (T) = K1 · Т4 + K2 · Т3 + K3 · Т2 + K4 · Т + К5 (6)
На рис. 9 и 10 приведены зависимости коэффициента преобразования K и смещения нуля Sa от частоты переменного входного сигнала от акселерометра f. Как видно из рисунков, частотный диапазон АЦП по К-уровню 0,7 составляет 0,45 · f0 (f0 – частота передачи информации от АЦП). То есть при частоте опроса АЦП 1000 Гц мы получили приемлемую ошибку при измерении сигнала частотой до 450 Гц. Если исходить из ошибки смещения нуля, то правильным критерием ограничения частотного диапазона будет достижение относительной ошибкой смещения нуля величины нелинейности преобразования. В нашем случае, считая нелинейность равной 1,4 · 10–4 отн. ед., получим частотный диапазон равный 0,55 · f0. При частоте опроса 1 000 Гц это составляет 550 Гц. Учитывая, что современные акселерометры имеют частотный диапазон до 300 Гц [5], исследуемое АЦП имеет вполне достаточный частотный диапазон преобразования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, для измерения сигналов акселерометров наиболее привлекательным является ΣΔ-АЦП с дублированием каналов, сочетающий как малую ошибку измеренного интеграла ускорения, так и высокую частоту преобразования информации при приемлемой ошибке коэффициента преобразования. Применение температурной алгоритмической коррекции позволяет уменьшить изменение смещения нуля АЦП в 18 раз. Для получения наиболее высоких характеристик в состав АЦП должен быть включен термодатчик, позволяющий реализовать температурную аппроксимацию погрешностей, прежде всего смещение нуля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дронов И. В., Колбас Ю. Ю., Коновалов С. Ф., Соловьева Т. И., Томилин А. В. Исследования прецизионных аналого-цифровых преобразователей для высокоточных инерциальных измерительных систем// Труды Международной конференции и Российской научной школы "Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования и инфотелекоммуникационных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА‑2012)" – Ивантеевка МО: НИИ предельных технологий, 2012, ч. 1, с. 30–31.
Dronov I. V., Kolbas YU.YU., Konovalov S. F., Solov’eva T.I., Tomilin A. V. Issledovaniya precizionnyh analogo-cifrovyh preobrazovatelej dlya vysokotochnyh inercial’nyh izmeritel’nyh sistem// Trudy Mezhdunarodnoj konferencii i Rossijskoj nauchnoj shkoly "Sistemnye problemy nadezhnosti, kachestva, matematicheskogo modelirovaniya i info-telekommunikacionnyh tekhnologij v innovacionnyh proektah (INNOVATIKA‑2012)" – Ivanteevka MO: NII predel’nyh tekhnologij, 2012, ch.1, p. 30–31.
2. Хоровиц, П. Искусство схемотехники// П. Хоровиц, У. Хилл. -М.: БИНОМ, 2014.
Horovic, P. Iskusstvo skhemotekhniki// P. Horovic, U. Hill. -M.: BINOM, 2014.
3. Шахнович И. Сигма-Дельта АЦП: Архитектура, принципы, компоненты// Электроника: НТБ, 2006, № 4, с. 18–22.
Shahnovich I. Sigma-Del’ta ACP: Arhitektura, principy, komponenty// Elektronika: NTB, 2006, № 4. p.18–22.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника// – М.: ДМК Пресс, 2008.
Titce U., SHenk K Poluprovodnikovaya skhemotekhnika// – M.: DMK Press, 2008.
5. Голяев, Ю.Д., Колбас Ю. Ю., Коновалов С. Ф., Соловьева Т. И., Томилин А. В. Критерии выбора акселерометров для инерциального измерительного блока// Системотехника, 2012, № 10.
Golyaev, YU.D., Kolbas YU.YU., Konovalov S. F., Solov’eva T.I., Tomilin A. V. Kriterii vybora akselerometrov dlya inercial’nogo izmeritel’nogo bloka// Sistemotekhnika, 2012, № 10.
Отзывы читателей
