非陀螺尋北儀信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高精度尋北儀可以分為傳統(tǒng)的陀螺儀尋北儀和非陀螺尋北儀兩類。利用陀螺儀尋北的方法受陀螺儀本身的精度和成本的限制，很難做到高精度和低成本并存。而利用高精度的加速度計(jì)研制非陀螺尋北儀則可突破這一局限，并可實(shí)現(xiàn)高精度、自動(dòng)化、快速化尋北，從而成為尋北儀研究的一個(gè)新的技術(shù)方向。許多參考文獻(xiàn)對(duì)該尋北原理和信號(hào)處理的方法進(jìn)行了大量的仿真研究，但對(duì)電路的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究的較少，本文是進(jìn)行該尋北儀電路構(gòu)成的設(shè)計(jì)。

1 非陀螺尋北原理
??? 非陀螺尋北的原理是將一只加速度計(jì)安裝在恒速轉(zhuǎn)臺(tái)上，以轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的某個(gè)切點(diǎn)為參考點(diǎn)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))，其切向速度與地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生哥氏加速度。通過轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)調(diào)制，地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量與該點(diǎn)上切向速度復(fù)合生成的哥氏加速度輸出為一正弦信號(hào)，利用高精度的石英撓性加速度計(jì)檢測(cè)出該正弦信號(hào)的峰值所對(duì)應(yīng)的相位，即為地球上所在位置的正北方向，從而實(shí)現(xiàn)尋北。其基本原理如圖1所示。

??? 設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為Ω，加速度計(jì)測(cè)量軸IA垂直向上，距離轉(zhuǎn)臺(tái)軸的偏心距為ρ，ωN為地球速率的北向分量。
??? 加速度計(jì)實(shí)際輸出為：
??? a=f+FMcos(Ωt-ψ)+ω (1)
??? 式中：f=-g+a0，a0為加速度計(jì)的零偏，g為重力加速度；ω為輸出噪聲；FM=2ΩoωN，為最大Coriolis加速度；ψ為轉(zhuǎn)臺(tái)的初始方位角。
??? 上述信號(hào)的直流部分通過交流放大器可以濾掉。已知10和ωN為常值；另外，通過鎖相回路將編碼器和電動(dòng)機(jī)閉環(huán)，使Ω保持恒定，所以FM為常值。利用編碼器的基準(zhǔn)脈沖，對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行同步檢波，就能計(jì)算出初始方位角ψ。設(shè)：

2 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 電路的設(shè)計(jì)原理
??? 尋北系統(tǒng)選用了分辨率優(yōu)于1×10-5的高精度石英撓性加速度計(jì)作為檢測(cè)傳感器，相應(yīng)的信號(hào)處理整體思路框圖如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，正交變換以及數(shù)字濾波電路采用了專用數(shù)字信號(hào)處理芯片來完成。

2．2 電路的實(shí)現(xiàn)
2．2．1 高精度I／V變換
??? 所選用的石英撓性加速度計(jì)的輸出為電流信號(hào)，其標(biāo)度因數(shù)為1．3 mA／g。因此需利用I／V轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。I／V轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)包含直流和交流兩個(gè)部分，而只有交流信號(hào)是有用，還需進(jìn)一步利用交流放大器進(jìn)行電壓放大，以隔離掉直流成分(即加速度計(jì)的零偏及重力加速度)，放大交流信號(hào)。
2．2．2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)
??? 轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為900 r／min，則加速度計(jì)實(shí)際輸出的有用信號(hào)的頻率為15 Hz。采樣數(shù)據(jù)中除了有用信號(hào)外，還包含低于15 Hz的低頻成分、整數(shù)倍頻信號(hào)以及非整數(shù)倍頻信號(hào)等較大的噪聲，其次信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)電滑環(huán)、傳輸電纜以及運(yùn)算處理電路，也會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)。為了提高線路的信噪比，設(shè)計(jì)了高Q值的帶通濾波器進(jìn)行濾波。
??? 普通有源濾波器參數(shù)調(diào)整困難、穩(wěn)定性較差，較難實(shí)現(xiàn)窄帶寬的設(shè)計(jì)，不易獲得高的Q值。這里采用MAX260集成有源濾波器來設(shè)計(jì)帶通濾波器。
??? MAX260是CMOS雙二階通用開關(guān)有源濾波器，不需外部元件就可構(gòu)成各種帶通、低通、高通、陷波和全通配置?？稍诔绦蚩刂葡略O(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器的工作方式。該芯片采用24引腳DIP或SO封裝，有四種工作方式及各自的時(shí)鐘輸入和獨(dú)立的f0和Q控制。按圖3的方式連接，可以構(gòu)成四階有源濾波器。濾波器設(shè)計(jì)可通過計(jì)算機(jī)結(jié)合Maxim提供的設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的功能以及各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置。

2．2．3 A／D轉(zhuǎn)換及正交化電路的設(shè)計(jì)
??? 圖4是數(shù)字正交解調(diào)電路的一種基本模型，輸入的模擬中頻信號(hào)首先經(jīng)過A／D變換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字采樣，其數(shù)據(jù)流分兩路通過數(shù)字乘法器分別與本地?cái)?shù)字振蕩器(NCO)產(chǎn)生的cos分量和sin分量相乘，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的正交變換。
??? 圖5所示是一種運(yùn)用于矢量信號(hào)分析儀的數(shù)字解調(diào)電路，其構(gòu)成包括1片12 b輸出的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS809、1片數(shù)字混頻器HSP45116和2片低頻數(shù)字濾波器HSP43220以及DDS時(shí)鐘電路和2片FPGA控制和芯片初始化電路。

??? 輸入信號(hào)s(t)首先經(jīng)過ADS809進(jìn)行數(shù)字化。A／D采樣后的數(shù)據(jù)流進(jìn)入數(shù)字混頻器HSP45116，在芯片內(nèi)數(shù)據(jù)流分成兩路分別與數(shù)字振蕩器的輸出相乘，實(shí)現(xiàn)正交變換。HSP45116是一款高性能的數(shù)字混頻器，最高工作時(shí)鐘頻率為33 MHz，片內(nèi)包含具有兩路正交輸出的數(shù)字控制振蕩器(NCO)和一個(gè)16位高速乘法器／累加器。圖6是HSP45116內(nèi)部的簡(jiǎn)化原理框圖。

??? 可以看出，芯片功能分3個(gè)主要部分：相位／頻率控制、sin／cos振蕩器和乘法器／累加器(CMAC)。相位／頻率控制由外部控制總線通過FPGA設(shè)置相位步進(jìn)值實(shí)現(xiàn)NCO的頻率控制，相位累加器為32 b。相位累加器取高20 b輸出作為地址查找sin／cos表，于是NCO產(chǎn)生兩路正交分量sin和cos。在電路中，為實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的正交解調(diào)，信號(hào)從Rin輸入，Iin置為0。
??? 系統(tǒng)時(shí)鐘采用DDS(直接數(shù)字合成)形成，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率、相位以較小分辨率進(jìn)行改變，因?yàn)樵谙到y(tǒng)要求中提到I路和R路輸出信號(hào)采樣率與被測(cè)調(diào)制信號(hào)碼元速率成整數(shù)倍關(guān)系，為了滿足這一點(diǎn)，系統(tǒng)時(shí)鐘同時(shí)提供給A／D變換器、HSP45116和HSP43220。另外，系統(tǒng)中還包括FPGA，主要用于對(duì)HSP45116和HSP43220的初始化和控制。
??? 經(jīng)過HSP45116變換后輸出的兩路數(shù)字信號(hào)送入集成數(shù)字濾波器HSP43220進(jìn)行數(shù)字濾波。HSP43220是一款具有線性相位特性的抽取數(shù)字濾波器(DDF)，其主要應(yīng)用特點(diǎn)是高速率數(shù)據(jù)輸入、低速率輸出。DDF采用兩級(jí)串聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，兩級(jí)濾波器結(jié)合可獲得16384的信號(hào)抽取能力。信號(hào)輸出包括24 b信號(hào)數(shù)據(jù)流和DATA RDY信號(hào)線。根據(jù)系統(tǒng)要求，HSP43220在系統(tǒng)中的主要作用有三個(gè)方面：濾除數(shù)字正交混頻產(chǎn)生的二次諧波分量；靈活和大范圍的抽取因子設(shè)置解決輸出基帶信號(hào)采樣率與碼元速率的關(guān)聯(lián)問題；優(yōu)越的低通特性以及可編程通帶頻率設(shè)置。
??? 濾波后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA，在碼盤輸出的第一個(gè)零位信號(hào)到來時(shí)，F(xiàn)PGA在碼盤輸出的脈沖倍頻信號(hào)的控制線下不斷讀取輸出數(shù)據(jù)，并累加，在碼盤輸出的第二個(gè)零位信號(hào)到來時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集和累加運(yùn)算，并給出數(shù)據(jù)好信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。DSP通過I／O口讀取到FPGA數(shù)據(jù)好信號(hào)后，讀出FPGA數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，按式(4)計(jì)算出尋北儀零位的方位角。

3 結(jié) 語
??? 給出了非陀螺尋北儀詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)思路與具體實(shí)現(xiàn)過程。采用高性能的專用數(shù)字混頻器HSP45116和集成數(shù)字濾波器HSP43220來實(shí)現(xiàn)非陀螺尋北儀中加速度計(jì)輸出信號(hào)的正交運(yùn)算和數(shù)字濾波，具有良好的信號(hào)混頻和正交解算性能，既能克服模擬電路固有的誤差和系統(tǒng)的不穩(wěn)定等不足，又減輕DSP的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，滿足非陀螺尋北儀所要求的高精度和快速性要求，從而使得非陀螺尋北技術(shù)由理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)用儀器裝備成為了可能。