基于SOC的高精度傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jī)器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機(jī)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(bǔ)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(jì)
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(jī)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(jì)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(shí)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(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)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(jì)中采用了具有高輸入阻抗的場效應(yīng)管型運(yùn)放TL081設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)鐘時(shí)，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(shí)在雙電源接入端進(jìn)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(shí))，而且AD8138AR為表面封裝器件，器件體積小，使得ADC與信號輸入點(diǎn)的距離可以很近，大大減少了外界噪聲的影響。