石英撓性加速度計電流電壓轉換誤差研究
發(fā)布時間：
2023-06-12
石英撓性加速度計作為一種成熟的高精度慣性加速度計，可以輸出10-5g~幾十個g的加速度信息，為了保證系統(tǒng)的整體精度，相應的加速度計采集電路也應盡量降低自身引入的誤差并提高數據采集性能。
由于石英撓性加速度計采用模擬控制方式輸出電流信號，而現代數據采集系統(tǒng)中，要求采集的信號為數字信號，因此需要將這種模擬電流信號轉換為數字信號，隨著石英撓性加速度計精度的提高，能不失真的還原石英撓性加速度計的精度，高精度的模數轉換電路的設計尤為重要。
目前有兩種方法可以實現這種模數轉換，分別是A/D轉換器轉換和通過將電流信號調理為頻率信號，再通過計頻，實現模數轉換，即I/F轉換。當采用A/D轉換器轉換時，需要一個電流電壓轉換環(huán)節(jié)，為了提高石英撓性加速度計數據采集電路的性能，作為加速度采集系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，電流電壓轉換環(huán)節(jié)造成的誤差不可忽略，選擇合適的轉換方式對提高整個慣性系統(tǒng)的精度起到重要的作用。
在電流電壓轉換環(huán)節(jié)，需要精密低溫漂采樣電阻負載，這樣會帶來負載效應，負載效應是指由電流、電壓轉換帶來的加速度計輸出電流的分流作用，它不僅會影響到轉換的精度，還會影響轉換速率。
目前常用的電流電壓轉換為直接轉換、儀表運算放大器轉換和電流電壓轉換器，下面對這3種轉換方式進行對比分析
1直接轉換
圖1 直接轉換阻抗等效圖
注：輸入電阻Ri為后級無源低通濾波器等效阻抗或有源低通濾波器輸入阻抗
根據基爾霍夫電流定律，Io=Is+Ii,這樣就會使輸出電壓Vout比理論值偏小，
實際測量
當輸入電阻Ri越小，則輸出電壓偏差越大。實際測量值僅為理論值的比例σ為
假如采樣電阻Rs為1KΩ，輸入電阻Ri為50kΩ，則實際測量值僅為理論值的比例為98.04%。
2儀表運算放大器轉換
圖2 儀表運算放大器轉換示意圖
同樣的，儀表運算放大器轉換也可以等效為圖3的阻抗等效圖。
圖3儀表運算放大器轉換阻抗等效示意圖
當采用儀表運算放大器轉換方式時，器件的選型對轉換精度影響極大，普通的儀表運算放大器輸入電阻為幾百MΩ，而高性能的儀表運算放大器輸入阻抗可以達到10GΩ~100GΩ,此時，可以認為轉換精度達到理想值。
另外，儀表運算放大器可以通過REF端進行調零（低阻抗輸入），減小系統(tǒng)零位，提高測量精度。
3 電流電壓轉換器
由于高精度的運算放大器的輸入失調電流很小，我們可以認為Ii=Io，因此電流電壓轉換器可以消除負載效應帶來誤差的影響，轉換精度接近100%。
采用電流電壓轉換器轉換方法時，加表的輸出端L-始終工作在“虛地”點，這樣可以提高加表抗震動沖擊的能力，工作線性范圍變大，增強加表在惡劣環(huán)境下的生存能力。
采用電流電壓轉換器時，需要選用失調電流小，壓擺率高，輸出電流能力強的運算放大器，另外電流電壓轉換器可以起到低通濾波器的作用，在加速度輸出的低頻范圍內，選擇合適的電阻電容，可以忽略它對輸出的影響，同時起到低通濾波器的作用。
綜上所述，直接轉換誤差太大，不建議使用，差分放大器轉換和電流電壓轉換器都可消除負載效應，而且對靈敏度影響較小。
針對客戶需求，我公司開發(fā)了HJGM001（儀表運算放大器轉換方式）和三軸加表I-V轉換電路模塊（電流電壓轉換器方式）兩款產品，歡迎大家選購！
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