第31卷第8期2014年8月机电工程JournalofMechanical&ElectricalEngineeringVol.31No.8Aug.2014DOI：10.3969/j.issn.1001-4551.2014.08.016全数字挠性加速度计加矩设计与读出精度分析*文一青，贺慧勇*，唐立军，赵丹，王燕，商梅雪，刘文，曾鹏飞（长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114）摘要：针对石英挠性加速度计全数字闭环系统设计问题，开展了对加速度计力矩器的结构和工作原理以及与加速度数据输出的关系的分析，对加速度计力矩器的驱动和加速度计的读出精度等方面进行了研究，提出了一种数字脉宽调制（PWM）电路对力矩器进行的驱动方法，该方法不仅实现PWN对加速度计力矩器的驱动，并且该PWM数字电路的占空比参数直接作为加速度数字信号输出。利用PWM数字脉冲对加速度计力矩器进行驱动实现加速度计全数字闭环读出，对加速度计全数字读出系统进行了仿真和实验测试。研究结果表明，在一定范围内，通过调整力矩器外接电阻、PWM频率和逻辑位数，全数字挠性加速度计闭环读出电路可以测得标准偏差为1.5×10-5g，精度为10-4g的加速度值，该方法精简了电路，减少了模拟驱动电路引起的干扰。关键词：石英挠性加速度计；力矩器；PWM驱动中图分类号：TH824.4；U666.12文献标志码：A文章编号：1001-4551（2014）08-1035-05Read-outaccuracyanalysisandtorquer-dirverdesignofquartzflexibleaccelerometerWENYi-qing，HEHui-yong，TANGLi-jun，ZHAODan，WANGYan，SHANGMei-xue，LIUWen，ZENGPeng-fei（SchoolofPhysicsandElectronicSciences，ChangshaUniversityofScience&Technology，Changsha410114，China）Abstract：Aimingatrealizingtheall-digitalclosed-loopsystemofthequartzflexibleaccelerometer，thetorquer-dirverandread-outaccuracyoftheaccelerometer，aftertheanalysisofthestructureandworkingprincipleofthetorquerandrelationsbetweentorquer-dirverandread-outaccuracy，werestudied.Thedigitalpulse-widthmodulation（PWM）circuithasbeendesigned，whichwasusedtodrivethetorqueroftheaccelerometeranditsdutyparameterswasworkedastheexportoftheaccelerometer.BythemeansofPWM，theall-digitalclosed-loopsystemwassimulatedandexperimented.Theexperimentalandthesimulationresultsshowthatthestandarddeviationofthesystemcanreachatabout1.5×10-5g，andthesystemaccuracycanreachatabout10-4gbyadjustingtheexternalresistorofthetorquer，frequencyandlogicdigitsofthePWMwithinthespecificlimits.Andthisschemesimplifythecircuitandreducestheinterference.Keywords：quartzflexureaccelerometer；torquer；PWMdriver0引言加速度计是惯性导航系统的重要组成部件之一，其工作性能决定了导航系统的精确性［1-2］。传统的模拟加速度计力矩器加矩电路结构复杂，电路元器件参数偏差和温漂影响测量精度。目前，有研究人员采用模数结合力矩器驱动方法对加矩电路进行了改进［3-6］。该方法对于高精度加速度测量，所需的D/A转换器位数及性能要求比较高，而且D/A转换器的失调误差容收稿日期：2014-03-31基金项目：湖南省科技厅计划资助项目（2011GK3116）作者简介：文一青（1988-），男，湖南株洲人，主要从事信号检测与处理方面的研究.E-mail：936816089@qq.com通信联系人：贺慧勇，男，教授，硕士生导师.E-mail：he_37@qq.comt·1036·机电工程第31卷易造成整体读出电路的不稳定，测量结果不精确。本研究采用PWM直接对加速度计力矩器实现驱动，减少影响加速度测量精度的环节，并由PWM占空比参数实现加速度信号数字输出，是提高全数字石英挠性加速度计闭环系统测量精度的一条可能途径。1力矩器的PWM驱动及加速度输出全数字加速度计闭环读出系统是由石英挠性加速度计表头和基于FPGA的数字电路构成，全数字闭环系统原理图如图1所示。图1全数字闭环系统原理图电路主要包括：差动电容检测模块、控制处理模块和力矩器驱动模块。当外界加速度信号沿轴输入时，石英挠性摆片相对平衡位置产生偏离角度Δθ，形成电容差ΔC，电容检测模块检测表头差动电容器的电容...