白云超 劉思偉 田育民 陳曉璧

摘 要:非陀螺尋北是一種新穎的尋北技術(shù)。介紹其尋北的原理以及輸出信號處理電路的設(shè)計思路,詳細(xì)闡述帶通濾波器、數(shù)字正交運(yùn)算電路以及數(shù)字濾波電路的設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)。正交運(yùn)算和數(shù)字濾波采用專用的數(shù)字芯片來完成,使系統(tǒng)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),滿足了非陀螺尋北儀信號處理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。

關(guān)鍵詞:尋北;帶通濾波器;正交解調(diào);數(shù)字濾波

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-124-03

Design and Implementation of Non-gyro North Finder Signal Processing Circuit

BAI Yunchao1,LIU Siwei1,2,TIAN Yumin1,CHEN Xiaobi1

(1.Xi′an Research Institute of Surveying and Mapping,Xi′an,710054,China;

2.Department of Automation Conctrol,Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710032,China)

Abstract:Non-gyro north finder is a novel finding north technology.The principles of its north-seeking and output signal processing circuit design are introduced,the implementation of bandpass filter,digital quadrature computing circuit and digital filter circuit are described.Orthogonal computing and digital filtering using a dedicated digital chips to complete,the system can overcome the error inherent in analog circuits and system instability,such as inadequate,it also can reduce the DSP computational burden,meet non-gyro north finder signal processing requirements of high precision and fast,allow non-gyro north-seeking technology from theoretical research into practical equipment has become possible.

Keywords:north seek;band pass filter;quadrature demodulator;digital filter

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[1]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、自動化、快速化尋北,從而成為尋北儀研究的一個新的技術(shù)方向。許多參考文獻(xiàn)對該尋北原理和信號處理的方法進(jìn)行了大量的仿真研究,但對電路的具體實(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。

1 非陀螺尋北原理

非陀螺尋北的原理是將一只加速度計安裝在恒速轉(zhuǎn)臺上,以轉(zhuǎn)臺邊緣的某個切點(diǎn)為參考點(diǎn)(相對運(yùn)動),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)動產(chǎn)生哥氏加速度。通過轉(zhuǎn)臺動態(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,利用高精度的石英撓性加速度計檢測出該正弦信號的峰值所對應(yīng)的相位,即為地球上所在位置的正北方向[2],從而實(shí)現(xiàn)尋北。其基本原理如圖1所示。

圖1 基于哥氏效應(yīng)的尋北方案動力學(xué)基本原理

設(shè)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為Ω,加速度計測量軸IA垂直向上,距離轉(zhuǎn)臺軸的偏心距為ρ,ωN為地球速率的北向分量。加速度計實(shí)際輸出為:

a=f+FMcos(Ωt-Ψ)+ω

(1)

式中:f=-g+a0,a0為加速度計的零偏,g為重力加速度;ω為輸出噪聲;FM=2ΩρωN,為最大Coriolis加速度;Ψ為轉(zhuǎn)臺的初始方位角。

上述信號的直流部分通過交流放大器可以濾掉。已知ρ和ωN為常值;另外,通過鎖相回路將編碼器和電動機(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,對正弦信號進(jìn)行同步檢波,就能計算出初始方位角Ψ[3,4]。設(shè):

F=FMcos(Ωt-Ψ)+ω=Acos(Ωt)+Bsin(Ωt)+ω

(2)

式中:A=FMcos Ψ,B=FMsin Ψ。

通過0°和90°同步檢波器,得:

=Ω4∫T0Fsgn[cos(Ωt)]dt

=Ω4∫T0Fsgn[cos(Ωt)]dt

(3)

式中:T=2π/Ω為轉(zhuǎn)速周期。由式(3)得方位角:

d=atctan(/)

(4)

2 電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 電路的設(shè)計原理

尋北系統(tǒng)選用了分辨率優(yōu)于1×10-6的高精度石英撓性加速度計作為檢測傳感器,相應(yīng)的信號處理整體思路框圖如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時處理,正交變換以及數(shù)字濾波電路采用了專用數(shù)字信號處理芯片來完成。

圖2 信號處理器方塊圖

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的輸出為電流信號,其標(biāo)度因數(shù)為1.3 mA/g。因此需利用I/V轉(zhuǎn)換電路將被測的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。I/V轉(zhuǎn)換電路輸出信號包含直流和交流兩個部分,而只有交流信號是有用,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(即加速度計的零偏及重力加速度),放大交流信號。

2.2.2 帶通濾波器的設(shè)計

轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為900 r/min,則加速度計實(shí)際輸出的有用信號的頻率為15 Hz。采樣數(shù)據(jù)中除了有用信號外,還包含低于15 Hz的低頻成分、整數(shù)倍頻信號以及非整數(shù)倍頻信號等較大的噪聲,其次信號經(jīng)過導(dǎo)電滑環(huán)、傳輸電纜以及運(yùn)算處理電路,也會產(chǎn)生噪聲信號。為了提高線路的信噪比,設(shè)計了高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,不易獲得高的Q值。這里采用MAX260集成有源濾波器來設(shè)計帶通濾波器。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[5]。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)計可通過計算機(jī)結(jié)合Maxim提供的設(shè)計軟件實(shí)現(xiàn)對芯片的功能以及各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置 [6]。

2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換及正交化電路的設(shè)計

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數(shù)字振蕩器(NCO)產(chǎn)生的cos分量和sin分量相乘,實(shí)現(xiàn)輸入信號的正交變換。

圖3 用MAX260設(shè)計的四階帶通濾波器

圖4 數(shù)字正交解調(diào)原理框圖

圖5所示是一種運(yùn)用于矢量信號分析儀的數(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時鐘電路和2片F(xiàn)PGA控制和芯片初始化電路[7]。

圖5 采用HSP45116構(gòu)成的正交解調(diào)電路原理框圖

輸入信號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16位高速乘法器/累加器。圖6是HSP45116內(nèi)部的簡化原理框圖。可以看出,芯片功能分3個主要部分: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)中頻信號的正交解調(diào),信號從Rin輸入,Iin置為0[9]。

圖6 HSP45116內(nèi)部原理框圖

系統(tǒng)時鐘采用DDS(直接數(shù)字合成)形成,可以實(shí)現(xiàn)時鐘頻率、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路輸出信號采樣率與被測調(diào)制信號碼元速率成整數(shù)倍關(guān)系,為了滿足這一點(diǎn),系統(tǒng)時鐘同時提供給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采用兩級串聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),兩級濾波器結(jié)合可獲得16384的信號抽取能力。信號輸出包括24 b信號數(shù)據(jù)流和DATA_RDY信號線。根據(jù)系統(tǒng)要求,HSP43220在系統(tǒng)中的主要作用有三個方面: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[10]。

濾波后的數(shù)字信號送入FPGA,在碼盤輸出的第一個零位信號到來時,FPGA在碼盤輸出的脈沖倍頻

信號的控制線下不斷讀取輸出數(shù)據(jù),并累加,在碼盤輸

出的第二個零位信號到來時,停止數(shù)據(jù)采集和累加運(yùn)算,并給出數(shù)據(jù)好信號,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)好信號后,讀出FPGA數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù),按式(4)計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輸出信號的正交運(yùn)算和數(shù)字濾波,具有良好的信號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。

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[10]HSP43220 Decimating Digital Filter Data Sheet[Z].2004.

作者簡介 白云超 男,1975年出生,四川漢源人,碩士,西安測繪研究所工程師。從事測繪儀器研究。

劉思偉 男,1962年出生,山東諸城人,西北工業(yè)大學(xué)在讀博士研究生,高級工程師。研究方向?yàn)閼T性測量技術(shù)。