MEMS陀螺性能是制约微惯性姿态测量精度的关键因素,通过高精度的陀螺调理电路[1]来提高陀螺的使用精度对工程应用至关重要。此外陀螺信号调理电路也是陀螺仪工程应用中必不可少的部分[2]。本文使用的MEMS陀螺仪是一款既可以SPI数字输出,又可以角速率模拟输出的高精度MEMS陀螺仪[3-4]。本文基于微小型稳定平台应用背景设计了一款适合MEMS陀螺仪模拟输出的信号调理电路,该电路性能优于陀螺仪自身的数字输出。文献[5]中给出了Δ-Σ型A/D转换电路,该电路具有转换精度高、增益带宽高的特点,同时配备了具有差分信号输出功能的前置转换电路,基于该思想设计了MEMS陀螺仪模拟输出信号调理电路[6-9]。

1 陀螺测试系统

图1为本文设计的陀螺测试系统原理框图。

图1 陀螺测试系统框图

通过嵌入式单片机同时读取MEMS陀螺仪的模拟输出信号和数字输出信号,并用上位机软件进行采存。本文MEMS陀螺仪量程±300 (°)/s,灵敏度6.67 mV/( (°)/s),模拟参考电压Vref=2.5 V,电压输出范围[0.499 V,4.501 V],数字灵敏度0.031 25 (°)/s(每bit)。则MEMS陀螺仪数字输出可分辨的最小电压约为185 μV。为使文中MEMS陀螺数字灵敏度提高一个数量级,本文设计的调理电路需识别的最小电压为18.5 μV。图2为MEMS陀螺仪外围配置电路。

图3 陀螺信号放大电路

图2 CRG20陀螺仪外围电路

2 低噪声信号放大电路设计

本文中微小型稳定平台使用环境所需角速率范围为±50 (°)/s,为留有余量,本文设计的陀螺组件角速率量程选为±75 (°)/s。由文中MEMS陀螺仪灵敏度6.67 mV/( (°)/s),可得出陀螺仪模拟输出电压范围为±500 mV,加上陀螺仪自身的2.5 V偏置电压,陀螺仪模拟输出电压范围为:[2 V,3 V]。一般ADC采样电压为[0 V,5 V],所以尚可对陀螺仪模拟输出信号进行5倍放大。放大后陀螺仪灵敏度为33.35 mV/( (°)/s)。文中MEMS陀螺仪模拟输出为内部基准电压Vref(2.5 V)和角速率信号Vrate,陀螺仪实际角速率为Vw=Vrate-Vref。则本文所选用的放大电路需具备硬件减法放大功能[6]。

又因为本文拟实现的最小识别电压为18.5 μV,要求信号调理电路引入的噪声强度不得超过该值。此外运放还需要具备参考电压可控、轨到轨输出的特点。基于上述要求本文选用TI公司的THS4522全差分运算放大器。该款运算放大器在100 kHz频率范围内噪声密度为计算可得该频率范围最大噪声幅度为:1.45 μV,远低于本文18.5 μV最小识别电压。此外本文所选运算放大器电源抑制比高达100 dB,可有效抑制电源纹波。

唐以前的饮茶，可以说是煎茶引用方式，或者说是祛湿去寒的药饮方式，也可以是解渴式饮茶。慢慢到了唐代时期，开始细煎慢啜式的品茶，就这月从唐代晚期开始形成了我国几千年的饮茶方式。

本场地地貌类型单一，未发现地裂缝、滑坡、崩塌、冲刷、潜蚀、土洞等不良地质作用及地质灾害危险灾种存在。拟建场地开阔稳定，作为本项目建设场地是稳定的和适宜的。

从图6中提取不同边缘净距下围护桩水平位移最大值所在的深度。图8是不同边缘净距下围护桩水平位移最大值深度图，从中可以看出随着基坑与斜拱桩基承台边缘净距L的增加，围护桩水平位移最大值所在的深度hL逐渐增大；当边缘净距L达到25 m时，围护桩水平位移最大值的深度hL基本保持不变，大致为基坑开挖面以下16.5 m左右，此时hL/H=0.825。对图8的数据进行曲线拟合发现，围护桩水平位移最大值深度hL与边缘净距L之间的关系式如(1)所示：

3 高精度ADC转换电路

ADC转换芯片是将角速率模拟信号转换成角速率数字信号的关键。本文需要识别的最小电压信号为18.5 μV。一般的ADC电压输入范围为5 V,则要想实现18.5 μV的电压分辨率,需要的ADC的位数至少为:

位的有效分辨率。

此外当信号通过差分运放进行5倍放大后,可为ADC节省2.32位的ADC位数,则ADC所需的有效分辨位数为15.72位。ADC的信噪比(SNR)可通过ADC有效分辨率(ENOB)计算得到,计算公式为:SNR=6.02×ENOB+1.76 dB[6]。所以要想实现15.72位的有效分辨率,需要ADC的信噪比至少为96.39 dB。

根据上述要求本文选择TI公司的ADS1274作为陀螺仪的模数转换芯片。ADS1274具有四通道24 bit转换精度的特点,且每个通道均能独立工作。该款ADC自身具有数字滤波功能可有效提高芯片信噪比,当ADS1274工作在低速模式下时,典型的信噪比值为107 dB,能够保证陀螺仪模拟信号转换需求。ADS1274配置电路如图4所示。

采集得到陀螺组件X轴陀螺数字输出和模拟输出角速率信息,Y轴陀螺数组输出和模拟输出角速率信息,分别用Allan方差分析方法对4组数据进行处理得到表1中的陀螺性能指标对比。图8为Allan方差分析得出的结果曲线。

图4 ADS1274配置电路图

4 电压参考电路

差分放大电路中的THS4522和模数转换电路ADS1274均需要2.5V的参考电压,且该参考电压的精度直接影响陀螺仪最终的采集精度。本文选用ADR441型电源基准芯片作为差分电路和模数转换电路的电压基准。ADR441的直流电压精度为±1 mV,此直流电压理论上不影响陀螺仪的测量精度。噪声方面,在低于1 kHz的测量范围的噪声幅度为1.9 μV,远低于18.5 μV的测量需求。由于ADR441最大输出电压仅为10 mV,且ADR441同时作为差分放大电路和ADC电路的电压基准,当电流过大时,电压基准将会下降,影响角速率测量精度。为提高电路的驱动能力,本文利用OPA340作为基准电压的跟随电路,详细电路如图5所示。

杨宪益曾说过：“我认为翻译的时候不能做过多解释。译者应尽量忠实于原文形象，既不要夸张也不要夹带任何东西”。他也曾谈及一些文化含义的不可译现象以及处理应对一些文化中特殊形式的方法问题，例如可以采取增加脚注的方法以帮助译入语读者对原语文本内容及文化寓意的理解。关于脚注，霍克斯持有不同见解，他说：“《红楼梦》中有大量的古代戏剧、书籍、诗词、历史典故和民俗言语，西方读者们对它们是完全陌生的。如果我只是给出脚注，那会使读者们像带着镣铐在跳舞，所以我特别介绍了中国文化”［6］。因为一般说来，“除非为了学术研究，脚注中的解释往往会分散读者的注意力”［7］。

ADS1274除了需要外部5V供电外还需要1.8 V和3.3 V电源,本文设计的电路中1.8 V电源由MAX8877转换产生,3.3 V电源由ADP1710转换产生。

图5 2.5 V基准参考电压电路

5 MEMS陀螺SPI通信电路

为方便对比本文设计的陀螺仪模拟信号调理电路与自身数字输出电路的性能指标,本文搭建的数据采集系统同时采集陀螺仪模拟输出与数字输出信号。

陀螺仪速率信号进行双端差分处理前,需要通过二阶RC低通滤波器,用于滤出高频信号。由于本文设计的陀螺仪外围电路与信号调理电路在两块PCB板上,因此陀螺仪载板与信号调理电路板间的Vrate和Vref的信号采用同轴屏蔽线进行传输。详细的低噪声信号放大电路如图3所示。

由于文中MEMS陀螺仪I/O口逻辑电平为5 V,STM32嵌入式单片机I/O逻辑电平为3.3 V。因此在角速率信号SPI读取前,需要进行3.3 V到5 V的电平转换,本文采用的电平转换芯片为NLSX3018D型双向电平转换芯片。该芯片可实现100 Mbit/s的高速数据传输,能满足MEMS陀螺仪的SPI数字通信要求[7-9]。

图7 三轴温箱转台

6 实验与结果分析

本文利用MEMS陀螺仪搭建了如图6的三轴陀螺组件。陀螺组件通过RS422输出陀螺原始数据,并利用上位机进行数据采存。将陀螺组件安装在三轴温箱转台上,如图7所示。转台位置精度为5×10-4(360°平均)。通过嵌入式单片利用4 ms的采样周期,静止采集1 h零偏数据。

图6 MEMS陀螺组件实物图

2.1.1　扩展强度指数　扩展强度指数是指某空间单元在一定的研究时期内城市土地利用的扩展面积占其土地总面积的百分比[14]．通过分析扩展强度指数，可以提取城市用地时间尺度上的扩展特征，公式为

厅直水电站大都承担着江河的防洪、灌溉、航运等社会责任，承担的这些社会责任都无法得到相应的补偿，要争取政府相关部门对水电站的支持：①免征或减征水资源费和库区扶持基金；②逐步提高上网电价。因厅直水电站建成较早，资产未重新评估，资产账面价值严重偏低，折旧少，导致物价成本调查中资产部分成本小，人工成本所占比重大，更新改造隐性成本无法真实反映，补偿时间严重滞后，以致账面上的生产成本不能真实客观地反映现实成本，以致电价难以提高，水电站没有更新改造的能力。水电站要争取物价部门的理解和支持，逐步提高上网电价。

表1 XY轴数字输出和模拟输出Allan方差分析结果对比

Allan方差分析X轴数字输出X轴模拟输出Y轴数字输出Y轴模拟输出量化噪声/μrad2．52112．143 3．677 3．240角度随机游走/((°)/h1/2)1．40201．3992．5502．367零偏不稳定性/((°)/h)20．692017．87141．86533．713速率随机游走/((°)/h3/2)70．419060．887142．360110．180速率斜坡/((°)/h2)71．284063．246142．930116．430

图8 Allan方差分析曲线图

图9 调理电路处理前后陀螺性能指标对比

通过表1,可知本文设计的信号调理电路使得X轴陀螺零偏不稳定性指标提升13.63%;使得Y轴陀螺零偏不稳定性指标提升19.347%。

使用统计学软件SPSS 21.0中导入本次数据进行处理和分析,以(±s)表示计量资料,组内比较和组间比较分别用配对样t和独立样本t检验,计数资料以x2检验,当P<0.05时,存在明显差异,统计学具有意义。

7 结论

[3] 杨要恩,孙幸成,王庆敏. 一种新型MEMS加速度传感器的研制[J]. 电子器件,2013,36(2):235-238.

参考文献:

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[2] 胡陈君,李杰,景增增,等. MEMS陀螺仪CRM100的信号调理电路设计[J]. 自动化与仪表,2014(9):66-69.

图9为4组数据在约1 h时间内的积分漂移曲线。可以得出X轴模拟输出在1 h内的角度漂移为2.2°;X轴数字输出在1 h内的角度漂移为2.9°;Y轴模拟输出在1 h内的角度漂移为2.6°;X轴模拟输出在1 h内的角度漂移为6.3°。本文设计的信号调理电路对提升陀螺性能指标作用明显。

为提高MEMS陀螺的使用精度,本文基于微小型稳定平台背景设计了高精度的陀螺信号调理电路,搭建了陀螺组件实验测试系统。Allan分析结果表明,该调理电路可使X轴陀螺零偏不稳定性指标提升13.63%;使得Y轴陀螺零偏不稳定性指标提升19.347%,该调理电路优势明显,适合工程应用。

[4] 张毅. 加速度信号调理电路设计及仿真[J]. 电子设计工程,2011,19(24):117-119.

[5] 陈非凡. 仪器设计技术基础[M]. 北京:清华大学出版社,2007.

[6] 李锡广. 基于MEMS惯性器件的两轴稳定平台研究[D]. 太原:中北大学,2014.

[7] 田晓春,李杰,范玉宝,等. 基于FPGA的MEMS陀螺仪SAR150实时数据采集系统设计[J]. 计算机测量与控制,2012,20(11):3107-3112.

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[9] 高云红,姜森,赵丁,等. 基于虚拟仪器的MEMS陀螺仪静态性能测试系统设计[J]. 自动化应用,2013(11):14-16.

蒋孝勇(1992-),男,河南信阳人,中北大学电子测试技术国家级重点实验室在读研究生,主要从事惯性仪器仪表方面的研究,lmwnuc@163.com;

李孟委(1975-),男,通讯作者,副教授,主要开展新原理MEMS惯性传感器及导航研究,专注于MEMS陀螺研究,对新原理、新效应的微纳米器件创新设计感兴趣。

苦瓜，别名凉瓜、癞瓜、锦荔枝，葫芦科苦瓜属1年生蔓性草本植物。它以嫩果供食，可炒食、凉拌或做汤等。苦瓜含多种营养成分，营养价值较高。每百克果肉含维生素C80毫克，是黄瓜含量的14倍，而且还含有多种氨基酸、维生素A、B等，食后助消化，增进食欲，对多种疾病有较高疗效，所以深受消费者欢迎。