飞行体转速测试系统的研究.doc

1、第 1 页 共 31 页飞行体转速测试系统的研究摘要：研究飞行体的转速测量方法,选取应用地磁方位传感器的飞行体转速测量方法。根据法拉第电磁感应定律,介绍了地磁方位传感器的原理。通过分析，设计一种基于地磁方位传感器的转速测量系统。主要通过单片机、仪表放大器和A/D转换器等元器件完成系统的硬件设计，通过编程实现数据采集软件设计，结果表明:该系统可以完成飞行体的转速测量。关键字：飞行体,地磁方位传感器,地磁,转速测量第 2 页 共 31 页The research of Flight body rotational speed test systemAbstrct: To research flig

2、ht bodys rotational speed Survey method, to select the flight bodys rotational speed Survey method based on the earth magnetic field orientation sensor. According to Faraday elect romantics induction law, I. e. introduced the principle of magnetic field orientation sensor. With the Analysis, it will

3、 bring about the induction elect robotize force a rotational speed Survey system was designed based on the earth magnetic field orientation sensor. It will Complete the hardware design with the main Primary device: Monolithic integrated circuit, Measuring appliance amplifier and A/D switch, it will

4、Complete the Software design of Data acquisition with programming. Result show: the system May complete the flight bodys rotational speed Survey.Key words: flight body, magnetic field orientation sensor, earth magnetism, rotational Speed Survey1 绪论1.1 引言21世纪，是人类全面进入航天飞行时代。航空、航天以及军事领域对飞行体转速的测量技术也越来越进

5、步，国外用于飞行体转速的测量主要采用陀螺仪和遥测。 陀螺仪是一种用来实现飞行体运动转速和轨迹控制及其测量的核心部件,它广泛地用于航空、航天以及军事领域。由于传统的陀螺仪有转动部件,其完全的自主性和准备时间过长,因此存在许多不足,如寿命短、尺寸大、价格昂贵等。飞行体转速测量主要有太阳方位角传感器遥测、全球定位系统(GPS)遥测、可编程序脉冲调制(PCM) 遥测、可编程多芯片模块(MCM)遥测、数字存储遥测(DMTS)和激光自动遥测等。其中采用太阳方位角传感器测量转速的研究较多,技术也比较成熟。GPS遥测是90年代初发展起来的,目前能够实现姿态测量的GPS设备有两种方案,即转发器和接收机 1。飞行

6、体姿态测量采用转发器方案为好,因转发器设备简单、体积小、重量轻、功耗小、成本低,又具有快速捕获和高动态跟踪能力。但最大的缺第 3 页 共 31 页点是需要外测,即除了飞行体上需要安装测量电路、遥控发射和接收装置外,地面上还需要一套测量设备。因此该方法的发展和应用受到了一定制约。飞行体转速测量特别是高过载下姿态测量在国内仍是一大技术难题,很多方法尚有许多不足之处。本文提出一种新的姿态测量方法,即利用大地磁场特性,采用地磁场传感器测量飞行体的转速。该地磁场传感器的三轴固联于飞行体上的线圈,测量飞行体坐标系相对地磁场的分量,另外通过辅助方法,确定飞行体自身转速。利 用 地 磁 场 作 为 参 照 系

7、 的 地 磁 方 位 传 感 器 具有如下特点：1、不 受 天 气 、 时 间 的 限 制 ； 2、结 构 简 单 、 安 装 方 便 ； 3、能抗高过载和冲击,信号检测电路灵敏度高； 4、工作稳定、可靠； 5、性能价格比高,且不需要外测。由于本系统具有抗高过载能力和性能价格比高等特点,因此它对于旋转飞行体的转速测量具有很高的推广价值。1.2 飞行体转速测试测量方法现状及发展趋势1.2.1 国内外对于飞行体转速的测量常用方法航天飞行体自旋角速度，是为了测试自转速度是否达到设计要求,同时也是为了防止由于空气振动的频率与自旋的频率联锁共振，使载人飞行体遭到破坏,因此测量飞行体自旋角速度是十分有意义

8、的 1。目前国内外对于飞行体转速的测量常见的有以下几种方法 :1、陀螺仪是常用的确定飞行体转速参数的传感器。陀螺仪作为惯性导航系统的一种基本惯性元件其原理是基于牛顿的惯性力学，它用于在惯性空间测量旋转。本方案是利用压电式速率陀螺仪来测量航天飞行体的自旋角速度的，压电式速率陀螺仪是一种新型的振动式角运动传感器，它是通过振动压电式物质而不是旋转物体产生角动量的，具有体积小、质量轻、可靠性高、工作寿命长、动态范围宽、使用方便等优点，其基本误差是由零位漂移引起的，但它的稳定性和重复性不好。由于传统的陀螺仪有转动部件、完全的自主性,且准备时间长，因此存在许多不足，如寿命短、尺寸大、价格昂贵等 2。在高过

9、载条件下它的应用受到限制。第 4 页 共 31 页2、利用加速度表，采用加速度信号进行积分等数据处理方式也可提供转速信息。加速度表的测量准确度较高，稳定性和重复性较好,且体积小、质量轻,受温度影响小。利用加速度表测量航天飞行体的自旋角速度,可以同时测量出飞行体横向振动加速度和自旋加速度，对惯性系统的测量具有十分重要的意义。但测量前必须先确定加速度表的安装位置, 所以对加速度表的安装准确度要求较高，并且存在着误差累积的问题。3、GPS遥测是90年代初发展起来的，目前能够实现转速测量的GPS设备有两种方案,即转发器和接收机。飞行体飞行转速参数测量采用转发器方案为好，因转发器设备简单、体积小、重量轻

10、、功耗小,又具有快速捕获和高动态跟踪能力。但最大的缺点是需要外测，即除了弹体上需要安装测量电路遥控发射和接收装置外，地面上还需要一套设备 3。因此该方法的发展和应用受到一定制约。 4、利用太阳光线作为参照系的所谓太阳方位传感器，已经在弹箭转速参数测试中得到很好地应用，基本原理利用光敏器件感应弹丸旋转时自然光强弱的变化。由于自然光强存在随机性，并且有杂散光存在，因此，应该利用旋转时的相对光强的变化，而不能利用绝对光强的变化。又由于自然光有一定的方向性, 因此自然光强弱变化一次，表明弹丸旋转一周。通过电路转换, 将光敏器件感应的光强的变化转化为脉冲串，因此，它的输出是脉冲串形式，弹丸旋转一周, 输

11、出一个脉冲。其不足是受气象条件和时间的限制，且在飞行体上的安装较为复杂。5、利用重力场作为参照系的重锤式传感器可以在特定的场合下实现飞行体转速角的测试。飞行体姿态测量采用转发器方案为好，因转发器设备简单、体积小、重量轻、功耗小、成本低，又具有快速捕获和高动态跟踪能力。但最大的缺点是需要外测, 即除了飞行体上需要安装测量电路、遥控发射和接收装置外，地面上还需要一套测量设备 4。1.2.2 利用地磁方位传感器测飞行体转速的方法文中提出一种新的飞行体转速测量方法。利用地磁场作为参照系的地磁方位传感器安装在飞行体上。所研究的是简单线圈所构成的薄膜地磁方位传感器 5。本文提出的转速测量方法，即利用大地磁

12、场特性，采用地磁场传感器测量飞行体第 5 页 共 31 页的转速，该地磁场传感器的三轴固联于飞行体上的线圈，测量飞行体坐标系相对地磁场的分量，另外通过辅助方法，确定俯仰、偏航或滚转中的任一量, 确定飞行体坐标系在大地坐标系中的姿态角该地磁场传感器结构简单、尺寸小， 能抗高过载和冲击, 信号检测电路灵敏度高，工作稳定、可靠，性能价格比高，且不需要外测，是一种有研究价值和应用前景的姿态测量器件，可以有效的测量飞行体的转速。地磁场传感器测量转速的原理是通过安装两个有一定平面夹角的线圈(线圈平面沿飞行体纵轴) 随飞行体旋转时，线圈切割地磁场磁力线，磁通量发生变化而产生感应电动势，根据线圈初始相位，当飞

13、行体偏离基准线时，感应电动势的大小和方向发生周期性变化，测量电路记录下数据, 通过解算得到飞行体的转速。1.3 薄膜地磁方位传感器及其所构成的转速系统的概述薄膜地磁方位传感器采用多层薄膜结构。首先在绝缘薄膜基底聚脂酰胺上溅射金属薄膜，然后蚀刻线圈图案，再覆盖介电保护层。利用先进的薄膜加工工艺，设计制造的多层薄膜线圈，可灵活地粘贴于旋转体的表面，构成地磁方位传感器,极大地提高传感器的灵敏度、可靠性和安装适应性。根据线圈感应地磁的原理可知线圈的匝数决定了其灵敏度。然而，薄膜线圈的层数决定在相同的线密度情况下线圈的总匝数，也就决定了传感器的灵敏度。一个n 匝线圈的闭合电路，切割地磁场感生电动势为 =

14、 n/t， = BS。S为薄膜线圈传感器（即地磁方位传感器）的有效面积。薄膜式地磁方位传感器使用时粘贴在圆形的物体上。由电磁感生定律，右手规则可知：如果将线圈划分为两对称结构，对应圆柱的弧度为，两部分的绕线方向必须相反才能在转动时使两部分感生电动势相加，否则会相互抵消。安装后的线圈等效面积为线圈弧面面积投影到AB面的值。地磁场强度大约为500mG 6。本薄膜式地磁方位传感器每匝线圈的面积是不相等的，因此采用= B S /t。其中S为线圈面积在磁场中的实际变化量 。对于传感器的数据，对其微弱信号放大。放大器选择高精度的仪表放大器, INA128在放大倍数100时具有200kHz的带宽，能够满足转

15、速的信号放大。传感器在高速旋转的情况下会产生较强的电压，为避免电路损坏，在线圈的输出端加上限压电路。放大的模拟信号经抗混叠模拟滤波器得到滤除高频噪声的信号。将模第 6 页 共 31 页拟信号经模拟开关切换通道进行A/D变换。地磁的数字信号存储在存储器中。测试系统的接口用来与计算机通信。该接口与计算机的并口连接以读取装置的数据或擦除存储单元 7。读取回来的数据通过专用的软件进行处理和分析。第 7 页 共 31 页2 薄膜地磁方位传感器应用的可行性分析2.1 薄膜地磁方位传感器在飞行体应用中的概述薄膜地磁方位传感器的原理是利用地磁切割产生电压信号的原理，因此需要对影响到地磁场的问题分析。由于传感器

16、安装在飞行体内，因此需要分析飞行体的铁磁性会对地磁场的探测产生怎样的影响，此外还要分析信号处理问题。2.2 飞行体的铁磁性对地磁场的探测产生的影响飞 行 体 上 的 铁 磁 性 材 料 对 地 磁 测 量 的 影 响 ， 下 面 笼 统 地 称 为 外 壳 对 地 磁 场的 影 响 8。 外 壳 对 安 装 其 内 部 的 磁 传 感 器 可 能 的 影 响 有 两 个 方 面 ： 其 一 是 外 壳 可能 存 在 的 剩 余 磁 场 会 给 传 感 器 一 个 固 定 的 磁 偏 置 。 这 一 问 题 可 以 通 过 电 路 或 数 据处 理 的 方 法 来 解 决 ， 在 此 不 做 具

17、 体 讨 论 。 其 二 是 外 壳 的 磁 屏 蔽 或 聚 磁 效 应 会 减 小或 增 大 地 磁 场 的 强 度 、 改 变 地 磁 场 的 方 向 ； 换 言 之 ， 就 是 外 壳 引 起 的 地 磁 场 的 重新 分 布 对 传 感 器 的 探 测 会 有 影 响 。 下 面 对 这 一 问 题 进 行 具 体 的 分 析 。 首 先 假 设 ：(1) 在 地 磁 场 这 样 的 弱 磁 场 条 件 下 ， 外 壳 材 料 的 磁 导 率 为 常 数 且 各 向 同性 ；(2) 外 壳 的 存 在 只 影 响 局 部 地 磁 场 的 分 布 ， 对 较 远 处 地 磁 场 的 影

18、响 忽 略 不 计 ；(a) 外 加 水 平 磁 场 的 情 况 (b) 外 加 垂 直 磁 场 的 情 况图 2.1 外 壳 对 磁 场 探 测 的 影 响(3) 为 简 明 起 见 ， 只 分 析 二 维 平 面 问 题 ；(4) 所 选 用 的 磁 传 感 器 对 磁 场 方 向 敏 感 。Y Y Hy y Sx y S y b2 Hx x Hx x a2 a1 b1 dxdy dxdy Hy X X第 8 页 共 31 页图 2.1（ a） 、 （ b） 所 示 ， 分 别 考 虑 外 加 均 匀 的 水 平 磁 场 Hx 和 垂 直 均 匀 磁 场Hy 时 两 个 不 同 方 向 x

19、 与 y 方 向 上 的 磁 传 感 器 所 感 受 到 的 磁 场 强 度 。 图 中 画 出的 Hx 和 Hy 代 表 远 离 外 壳 处 的 均 匀 磁 场 ， 虚 线 框 代 表 磁 传 感 器 的 敏 感 区 域 。先 考 虑 外 加 水 平 磁 场 的 情 况 下 ， x 方 向 传 感 器 所 感 受 到 的 磁 场 强 度 。 水平 均 匀 磁 场 由 于 受 外 壳 等 的 影 响 ， 在 飞 行 体 内 部 和 周 围 局 部 发 生 了 畸 变 （ 非 均匀 分 布 ） 。 在 x 方 向 传 感 器 的 敏 感 区 域 Sx 内 任 取 一 微 分 单 元 dxdy，

20、该 单 元的 磁 场 强 度 的 大 小 和 方 向 都 可 能 与 Hx 不 同 ， 假 定 它 在 x 方 向 上 的 投 影 （ 分量 ） 是 a1。 根 据 假 设 条 件 （ 2） 可 知 ， a1 与 Hx 呈 线 性 关 系 。 当 Hx Hxcost时 ， 有 a1 a1.cost， cost 为 一 系 数 。 x 方 向 传 感 器 感 受 到 的 磁 场 强 度 总 效果 为（ 2-1） xx S1S1 dyatcsdyxtcsa对 于 y 方 向 传 感 器 有 同 样 的 结 论（ 2-2） yy S2S2 datcosdyxtcosa垂 直 均 匀 磁 场 作 用

21、时 的 道 理 亦 相 同 。 在 此 基 础 上 ， 进 一 步 考 虑 水 平 磁 场Hxcost 与 垂 直 磁 场 Hysint 同 时 作 用 时 ， x 、 y 方 向 传 感 器 感 受 到 的 磁 场 强 度总 效 果 分 别 为（ 2-3）11 S1Sxtcos dyxb)t(sindyxa)( xx （ 2-4）22 S2Sytcos dyxb)t(sindyxa)(Hyy 式 中 （ 2-5） xx S21S11 )dyb()dya(c第 9 页 共 31 页（ 2-6） yy S222S21 )dxb()dxa(c（ 2-7） xx SS ytg1111（ 2-8） y

22、y SS dybdat 2212另 外 ， 注 意 到 水 平 磁 场 Hxcost 与 垂 直 磁 场 Hysint 的 合 成 后 的 均 匀 磁 场 为（ 2-9）0 yx1tj0tgj2y2xee如 果 把 H 看 作 是 地 磁 场 ， 由 式 （ 2-3） 到 式 （ 2-9） 可 以 看 出 ， 在 地 磁 场 参 数 不变 、 飞 行 体 和 磁 传 感 器 及 其 安 装 结 构 已 确 定 、 飞 行 体 上 坐 标 系 已 确 定 的 情 况 下 ，、 c1、 c2、 0、 1 及 2 均 为 常 数 。 其 中 三 个 角 度 0、 1 及 2 的 相 对 差 值0（

23、相 位 差 ） 不 仅 与 传 感 器 的 几 何 方 向 有 关 ， 而 且 与 地 磁 场 的 分 布 情 况 有 关 。 例 如在 x 与 y 正 交 的 情 况 下 ， 2-1=90不 一 定 成 立 ； 又 如 在 地 磁 场 方 向 与 x 平行 时 ， 0-1=0 也 不 一 定 成 立 。 考 虑 飞 行 体 的 姿 态 角 ， 当 地 磁 场 方 向 相 对 于 飞 行体 上 坐 标 方 向 发 生 变 化 ， 也 即 t 发 生 变 化 时 ， 探 测 器 感 应 到 的 磁 场 大 小 将 是t 的 余 弦 函 数 。以 上 的 分 析 论 证 很 容 易 推 广 到 三

24、 维 的 情 况 。 因 为 在 此 处 三 维 与 二 维 相 比 仅仅 是 增 加 一 个 坐 标 分 量 ， 没 有 本 质 的 差 别 ， 所 以 分 析 的 结 论 与 二 维 相 同 。现 将 主 要 结 论 总 结 如 下 ： 在 外 壳 材 料 的 磁 特 性 保 持 不 变 的 前 提 下 ， 外 壳 的 存在 影 响 传 感 器 感 应 到 的 地 磁 场 的 强 度 和 方 向 ， 但 不 会 影 响 传 感 器 相 对 于 地 磁 场 方向 角 度 的 变 化 量 。2.3 测试信号的分析在上面分析的基础上，我们来研究由简单的线圈所构成的薄膜地磁感应式角速度传感器。安装

25、在飞行体内的线圈相对地磁场运动所产生的感生电动势为第 10 页 共 31 页(2-10)dttAtdtHtENnn)sin(co)(1式中 为磁通量，N 为线圈匝数， H n为通过第 n 匝线圈平面的磁场强度法向分量的面积分， 为线圈芯子的磁导率， A、 为由上述量经计算所确定的常数因子，t 为地磁场方向与线圈总法线方向之间角度的变化量， 就是地磁场方向与线圈总法线方向夹角变化的角速度。线圈输出的感生电势信号 E 带有飞行体运动的角速度信息。特别是当 为恒定时，线圈输出的感生电势信号为正弦波。正弦波的角频率就是飞行体在特定方向上的角速度。最 后 考 虑 测 试 信 号 的 处 理 问 题 。

26、飞 行 体 作 一 维 转 动 时 （ 如 前 所 述 ， 转 动 轴 不能 与 地 磁 场 平 行 ） ， 根 据 式 （ 2-10） ， 角 速 度 及 角 度 信 息 由 一 个 适 当 方 向 的 传 感器 即 可 提 供 。 式 （ 2-10） 中 的 常 数 A、 可 通 过 校 准 来 确 定 。 我 们 设 计 一 种 算 法来 求 得 角 速 度 变 化 曲 线 ， 第 一 步 分 段 对 信 号 进 行 最 小 二 乘 正 弦 曲 线 拟 合 ， 曲线 公 式 如 下（ 2-11）1sin)( nmn tttE由 此 求 得 一 系 列 不 同 的 值 n； 第 二 步 对

27、 的 变 化 折 线 进 行 平 滑 处 理 ， 得 到 的 变 化 曲 线 。 式 （ 2-11） 中 项 产 生 的 累 积 误 差 可 借 助 运 动 的 特1mt征 点 信 息 来 加 以 修 正 。 飞 行 体 作 二 维 转 动 时 ， 需 要 两 个 独 立 的 传 感 器 ， 任 意 一 般情 况 下 的 信 号 处 理 比 较 复 杂 ； 但 在 运 动 具 有 某 种 先 验 特 征 、 且 传 感 器 方 向 适 当 的情 况 下 ， 也 可 以 采 取 类 似 一 维 信 号 的 处 理 方 法 。第 11 页 共 31 页3 基于地磁方位传感器飞行体的转速测量总体设计

28、3.1 飞行体系统的性能分析飞行体主要是应用在航空航天和军事领域的，其自身转速一般为几十转每秒到几百转每秒，因此对所选的元器件精度有较高的要求，例如：美陆军的SM982，在无助推器，就能达到加速度15500g，转速20转每秒，射程2025千米。3.2 主要元器件的选择本系统中主要使用的单片机芯片有 80C51、模数转换作用的芯片 ADC0809 和仪表放大器 INA128。文中所选的 80C51 的时钟频率具有 12MHZ，ADC0809 具有500KHZ 的频率，仪表放大器 INA128 是低功耗高精度的通用仪表放大器在放大倍数 100 时具有 200kHz 的带宽，能够满足转速的信号放大。

29、所用元器件精度和性价比较高。3.2.1 单片机 80C51 和 A/D 转换器EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U18051图 3.1 单 片 机 80C51 引 脚 图1、80C51 芯片a、主电源引脚 Vss

30、 和 Vcc(图中已隐藏)第 12 页 共 31 页Vss（20 脚）：接地。Vcc（40 脚）：主电源+5V。 b、时钟电路引脚 X1 和 X2X1：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端引脚必须接地；对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 X2：接外部晶体的另一端。在片内它是振荡电路反向放大电路的输出端。振荡电路的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路，对于 HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。c、控制信号引脚 RST、EA/VppRST(9 脚)：单片机刚接上电源时，其内部

31、各寄存器处于随机状态，在该脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET） 。EA/Vpp(31 脚 ):当 EA 端输入高电平时，CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序。当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储的程序。当EA 端输入低电平时 CPU 仅访问片内程序存储器。在对 87C51EPROM 编程时此引脚用于施加编程电压 Vpp。d、输入/输出引脚(P0、P1、P2 、P3 端口引脚)P0P3 是四个寄存器,也称位四个端口 ,是 80C51 单片机与外界联系的四个 8 位双向并行 I/O 口。由于数据的传输过程中，CPU 需要对接口电路中输

32、入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些积存器像对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口(PORT),或简称口。P0.0P0.7(39 32 脚):P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。在访问片外存储器时提供低八位地址和 8 位双向数据，故这些 I/O 口线有地址线/ 数据线之称，简写为 AD0AD7。在 EPROM 编程时，从 P0 输入指令字节,在验证程序时，则输出指令字节(验证是要外接上拉电阻) 。P1.0P1.7(18 脚): P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在EPROM 编程和验证程序时，它输

33、出低八位地址。P2.0P2.7(21 28 脚): P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 第 13 页 共 31 页在访问片外存储器时，它输出高八位地址，即 A8A15 。在 EPROM 编程和验证程序时,它输出高八位地址。P3.0P3.7(10 17脚): P1是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O端口 10。2、AD0809 的逻辑结构ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见图）。多路开关可选通 8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁

34、存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图3.2 AD0809内部结构图 3、AD0809的工作原理IN0IN7：8 条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换 12。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上

35、的一路模拟量输入。通道选择表如表3.1所示。数字量输出及控制线：11条第 14 页 共 31 页表3.1模拟输入通道选择表 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE 0，输出数据线呈高阻状态 10。D7 D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500

36、KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。4、ADC0809应用说明1 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与单片机直接相连。2 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。3 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。4 在ST 端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。5 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。6 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.2.2 仪表放大器 INA128INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。其内部结构如图3.3所示，其引脚地址编码C B A 被选中的地址通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN2

37、0 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7第 15 页 共 31 页如图3.4所示。它们通用的3运放(3-opamp)设计和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流(Current-feedback )输入电路即使在高增益条件下 (G = 100时200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择。INA128提供工业标准的增益等式(gain equation)。INA129的增益等式与AD620 兼容。INA128/INA129用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压(50mV)温度漂移0.5V/C和高共模抑制在(G=

38、100时，120dB)。其电源电压低至2.25V 且静态电流只有700uA，是电池供电系统的理想选择。内部输入保护能经受 40V电压而无损坏。INA128/INA129的封装为 8引脚塑料DIP和SO-8表面衬底封装，规定温度范围为40C 至+85CINA128还有对应的双配置INA2128 。特点1低偏置电压最大50V2低温度漂移最大0.5V/C3低输入偏置电流最大5nA4高共模抵制CMR最小 120dB5输入保护至40V6宽电源电压范围2.25至18V7低静态电流700A88引脚塑料DIP和SO-8封装应用范围(1) 桥式放大器(2) 热电偶放大器(3) RTD传感放大器(4) 医疗仪器(

39、5) 数据获得第 16 页 共 31 页图3.3 仪表放大器的内部结构图图3.4 仪表放大器引脚图对静电释放的灵敏性：静电释放会对该集成电路造成损害。Burr-Brown建议用户对所有集成电路都预先采取适当的保护措施。不正确的使用和安装都可能造成损坏。静电释放造成的损坏会引起性能有微小的降低,也会导致器件完全毁坏。精密的集成电路可能更容易受这些损坏的影响,因为在它们内部,即使参数发生很小的变化都会导致器件与有的规格特性不符 11。极限参数：电源电压 18V模拟输入电压范围 40V输出短路(接地) 持续工作温度 40C至+125C贮存温度 40C至+125C接点温度 +150C引线温度(焊接10

40、秒) +300C设置增益在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置 。INA128 G=1+RG/50K (1)第 17 页 共 31 页INA129 G=1+49.4K/RG (2)等式1中的50K(等式2中的49.4K)是两个内部反馈电阻A1和A2的和。这些片内金属薄膜电阻是用激光进行微调至绝对精度值。这些内部电阻的精度和温度系数包含在INA128/INA129的增益精度和温度漂移规格说明中。外部增益设置电阻RG的稳定性和温度漂移也对增益有影响。RG对增益精度和温度漂移的作用可由增益等式(1) 直接推算出来。高增益要求低电阻,值关键在于配线的阻值。加在配线电阻上的插座会导致大约为

41、100增益或更大的附加增益误差(有可能是一个不稳定的增益差) 。动态性能：尽管INA128/INA129 的静态电流低,但由于输入阶段电路的反馈电流的拓扑,它们即使处于高增益时,也有很宽的带宽 12。而且在高增益时,稳定时间也处于良好状态。3. 3 飞行体测试系统的总体介绍地磁方位传感器AD 转换器 数字存储器 计算机通讯端口主控制器电源系统图3.5 地磁方位传感器姿态测量系统工作原理图该地磁场传感器及其测量系统应用于飞行体的姿态测量中。 为了使其能适应飞行体(导弹系统)的装配、发射、飞行及回收等各个环节的要求，可靠地完成飞行体(导弹系统)工作过程的动态参数记录，要求地磁场传感器及其电路能够准

42、确完成对全弹道运动参数的记录。 启动、断电数据保存、抗冲击、可重复使用以及不干扰导弹系统的正常工作等 13。 因此, 地磁场传感器及其电路设计的关键是工作可靠、体积小、电路灵敏度高、能抗高过载。 实验证明，它比光电敏感器件具有更高的抗过载能力。 系统工作原理框图如图3.5 所示。在一次完整的测量过程中，系统工作经历以下4 个状态 : 待触发, 数据采集第 18 页 共 31 页和存储，数据保持以及数据读出和处理 14。 测量前, 系统处于待触发状态, 此时内部电池只给触发控制电路供电,输出电流为几微安，可满足长时间待触发。 测量结束后回收测量装置，通过读数口把数据从装置读入到地面计算机，再通过

43、解算得到运动姿态参，为了解导弹系统的工作状况或进行故障分析提供依据。对于传感器的数据，现将其微弱信号放大。放大器选择高精度的仪表放大器, INA128在放大倍数100时具有200kHz的带宽，能够满足转速的信号放大。传感器在高速旋转的情况下会产生较强的电压，为避免电路损坏，在线圈的输出端加上限压电路。放大的模拟信号经抗混叠模拟滤波器得到滤除高频噪声的信号。将模拟信号经模拟开关切换通道进行A/D 变换。地磁的数字信号存储在存储器中。测试系统的接口用来与计算机通信。该接口与计算机的并口连接以读取装置的数据或擦除存储单元 15。读取回来的数据通过专用的软件进行处理和分析。第 19 页 共 31 页4

44、 飞行体转速测试系统的模拟部分和数据采集部分设计4.1 模拟适配电路的设计地磁方位传感器仪表放大器 抗混叠模拟滤波器图4.1 模拟适配电路原理图模拟电路设计的原理如图 4.1 所示。应用仪表放大器 INA128 和抗混叠滤波器组成的模拟适配电路，可以有效的对接受到模拟信号进行放大和滤波，可以为数据采集提供较好的信号。动态信号测试分析系统中要使用抗混滤波器 16。有“奈奎斯特采样定律” 知，在对模拟信号进行离散化时，采样频率 f2 至少应 2 倍于被分析的信号的最高频率f1,即： f22 f1；否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折到低频段，出现虚假频率成分的现象（如下图所示）图

45、4.2 模拟信号出现虚假频率现象图工程测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高，因为一般只关心一定频率范围内的信号成份。为解决频率混叠，在对模拟信号进行离散化采集前，采用低通滤波器滤除高于 1/2 采样频率的频率成份。实际仪器设计中，这个低通滤波器的截止频率(fc) 为：截止频率（ fc）=采样频率（ fs）/2.56 在进行动态信号测试中测量仪器必须具有抗混滤波功能，例如：在大型桥梁、高楼、机械设备等动态振动测试及模态分析中，信号所包含的频率成份理论上是无穷的 17。例如：桥梁的模态理论上有无限多个，但我们只关心对振动贡献最大的前几阶模态。如果不对振动的模拟信号进行低通抗混滤波，高阶模态频率

46、很可能会混叠到低频段，形成虚假的模态频率，给模态参数识别带来困难。抗混滤波器一般指低通滤波器，但滤波器有低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器、高阻滤波器 18。第 20 页 共 31 页滤波器的主要性能指标以低通滤波器为例，理想的低通滤波器为矩形，但实际中是不可能实现的。衡量低通滤波器性能的指标主要包括以下几方面：带内波纹度：通带的幅值精度指标，例如：带内波纹度为0.1dB 时，对幅值精度的影响约为1%（这正是为什么一般的数采器幅值精度可以做到千分之几，一般的数采器用很高的采样频 19。4.2 数据采集电路的设计A/D 转换器 存储器主控制器模拟信号图 4.3 数据采集原理图A/D

47、转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给 ADC 的模拟量发生变化，则不能保证精度。为此，在 ADC 前加入采样保持电路，如图所示。采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态。 采样状态：控制开关 K 闭合，输出跟随输入变化。图 4.4 采样保持电路图第 21 页 共 31 页图 4.5 数据采集总电路图本电路主要通过 80C51 单片机和 ADC0809 转换器和数据存储器完成对数据的采集。AD0809 无是时钟，利用用 8051 提供的地址锁存器使能信号 ALE 经 D触发二分频后获得时钟，图中 AD0809 的 ADDA，ADDB，ADDC 接地直接选通 IN0 通道，采用锁存器和存储器结合方便有效的存储数据。第 22 页 共 31 页图 4.7 80C51 单片机和 ADC0809 匹配电路图由于 ADC0809 片内无时钟，故利用 8051 提供的地址锁存使能信号 ALE 经 D 触发器二分频后获得时钟。因为 ALE 信号的频率是单片机的时钟频率的 1/6，如果时钟频率为 6MHZ，则 ALE 信号的频率为 1MHZ，经二分频