测控电路（第7版）课件：测控电路设计实例

测控电路设计实例11.1动力调谐陀螺仪再平衡11.2系统建模11.3电路设计11.4测试实验本章知识点模拟再平衡回路系统的设计方法模拟再平衡回路系统中各功能模块的电路设计方法11.1动力调谐陀螺仪再平衡回路11.1.1再平衡回路结构11.1.2再平衡回路方案比较与选择11.1动力调谐陀螺仪再平衡惯性元件是惯性导航系统的基本组成部分，通常是指陀螺仪和加速度计；陀螺仪用来测量载体的角速度，加速度计用来测量载体的线加速度。重力仪，重力梯度仪也属惯性元件。陀螺仪加速度计动力调谐陀螺仪是继液浮陀螺仪、气浮陀螺仪之后的第三代惯性级精密陀螺仪。是一种利用挠性元件对高速旋转转子构成支撑的两自由度陀螺仪。60年代中期开始被研制，现已广泛应用于民用和军用飞机、各种战术导弹以及中远程导弹上。11.1动力调谐陀螺仪再平衡11.1.1动力调谐陀螺仪再平衡回路再平衡回路主要完成系统闭环、信号调理、控制解耦等功能跟踪、锁定的控制回路；闭环、间接的测量回路反馈回路中的力矩电流反应输入角速度的大小，从而实现对角速度的间接测量在结构上主要包括信号器（差动式电容传感器）、前置放大、带通滤波、相敏解调、陷波网络、解耦网络、校正网络、功率放大电路、力矩器以及陀螺电机。11.1.1动力调谐陀螺仪再平衡回路陷波网络校正网络功率放大信号器力矩器相敏检波带通滤波前置放大解耦网络采样、AD转换解调基准激磁信号输入角速率再平衡回路至导航计算机动调陀螺陀螺马达11.2系统建模11.2.1陀螺模型11.2.2解耦网络模型 11.2.3校正网络设计及系统仿真11.2.1陀螺模型模型传函动力调谐陀陀螺模型结构11.2.2解耦网络模型由于陀螺仪机械结构上的原因，两个测量轴之间总是存在交叉耦合。为了消除这种耦合，需要在两条回路之间加入“解耦”网络。11.2.3校正网络设计及系统仿真对再平衡回路的基本要求可以归纳为：1）闭环稳定，并具有一定的幅值和相角稳定裕度。2）满足规定的动、静态指标。静态指标是指系统在角度常值、速率和角加速度输入信号下的稳态偏差；良好的动态指标是指系统及时跟踪角速率变化的能力，具有足够的带宽。3）能提供足够的加矩电流，平衡最大的输入角速度，在承受最大角加速度时转子偏角不超过规定的范围。系统开环传函矩阵超前校正闭环传函11.2.3校正网络设计及系统仿真频域特性分析校正前Bode图校正后Bode图11.2.3校正网络设计及系统仿真时域特性分析单位阶跃响应斜坡响应11.2.3校正网络设计及系统仿真11.3电路设计11.3.1预处理电路11.3.2校正电路11.3.3控制解耦网络11.3.4功率放大电路11.3.1预处理电路预处理电路的目的：将偏摆信号从信号输出的调幅信号中准确的提取出来，包括：前置放大带通滤波相敏解调陷波电路前置放大：用于对陀螺内部电感传感器输出的微弱电压信号进行测量放大，提高信噪比，便于阻抗匹配静态指标：较小的输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压及低的热漂移较低的交流噪声密度高共模抑制比稳定的放大倍数较好的线性度阻抗匹配动态指标：足够大的增益带宽积，保证足够快的响应速度较高的转换速率AR和较快的建立时间，能够不失真的放大高速信号前置放大设计要求应用环境中热噪声、电源噪声等在地线中幅值较大，严重影响系统的测量精度。为减小系统的电子噪声，前置放大器需要足够高的共模抑制比，用于精确放大一个存在大的共模分量的毫伏级小信号，最大限度的抑制共模噪声信号，放大差模输入信号惯性导航系统中，累计误差是主要的误差来源，要求前置放大电路中产生的误差尽可能小，避免误差在再平衡回路的后续各个环节中逐级放大，并输出角速度中随着积分增长。要求输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压、交流噪声密度等保持在较小量级前置放大设计要求动调陀螺电感传感器输出信号为较高频率（10~20kHz）的调幅信号要求放大电路有足够的带宽、稳定的增益放大倍数不能太大，防止输出饱和足够高的共模、差模输入阻抗，很低的输出阻抗前置放大同相放大反相放大差分放大仪表放大前置放大传递函数仪用放大电路前置放大INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器。它采用3运放设计，具有非常低的偏置电压（50uV）、温度漂移（0.5uV/℃）和高共模抑制比（G=100时，120dB）.前置放大二阶无限增益多路反馈滤波器电路带通滤波传递函数：其中，中心频率增益——中心角频率——

品质因数——无限增益多路反馈滤波器引入负反馈，因而总是稳定的。

为保证有足够宽的通频带，品质因数Q不能选的太大。带通滤波RC有源滤波器、巴特沃斯逼近方式、二阶、无限增益多路反馈型滤波电路采用检波电路将调幅信号还原为与陀螺转子相对陀螺壳体偏摆成线性关系的电压信号包络检波：不具备判别信号相位和频率的能力相敏检波：乘法器、开关式、相加式采用乘法器使相敏检波电路相敏解调偏角信号陷波器低频信号载波频率二倍频信号模拟乘法器调幅信号经过线路传输和带通滤波会产生一定的附加相移，为保证检波精度，需要添加移相电路对参考信号移相以抵消附加相移的影响。移相电路相当于一个全通滤波器，在设计的过程中要保证能够提供所需的相位偏移。选取R1=R2，移相电路的传递函数为：相位函数为：激磁信号相敏解调

陷波网络用来消除相敏解调乘法器输出的高频信号从而得到低频的角度信号。陷波网络相较于低通滤波的好处在于不会引入相位失真，对系统的相角裕度影响小，可以减小校正网络的负担。0°10k陷波网络对数相频特性曲线低通滤波对数相频特性曲线1k1001k0°-10°-45°陷波电路陷波网络传递函数：其中，陷波中心频率——

分压网络传递系——

品质因数——压控电压源性滤波电路因为引入正反馈，所以增益不能选的太大，否则容易引起自激振荡。同时，系统的品质因数Q也不能选的太大，否则陷波网络不能起到陷波效果。陷波电路串联校正主要有三种形式，超前校正、滞后校正、超前滞后校正。相较于滞后校正，超前校正能够提高系统的带宽，比较适合于带宽较小的系统。超前系统幅相曲线滞后系统幅相曲线校正电路反向超前校正网络传递函数：其中，比例增益——

微分增益——

微分时间常数——校正电路功率放大电路用来给陀螺仪力矩器提供施矩电流，使得陀螺转子能够跟随载体角度的变化。

由于陀螺力矩器相当于一个线圈，阻值很小，负载很大，一般的运算放大电路以及信号调理电路都无法驱动，所以必须采用能够提供大电流的功率放大电路。陀螺仪力矩线圈后面串联的是一个高精度的采样电阻，由于通过此采样电阻的电流会很大，所以必须专门定做大功率的高精密采样电阻。功率放大输出级补偿阻容网络缓冲电路：用于驱动大容性负载与感性负载（电机、长导线传输）输出级保护箝位二极管：负载可能产生反作用（例如反电势）作用于放大器输出电流持续电流：3A峰值电流：5A过电流、过热保护温度过高或电流过大时，自动断路保护。功率放大解耦电路控制解耦电路：由积分器、加法器构成积分器：米勒积分器11.4测试实验11.4.1动力调