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应用于力促动器的高精度力采集系统设计

更新时间：2020-01-01 14:20:52 大小：2M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：力采集系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

对力信号的高精度采集是实现力促动器系统精确控制的前提。设计了高精度力传感器信号采集系统,包括力采集模块、DSP处理模块和上位机软件。力采集模块在对力传感器信号调理后采用ADS1259芯片实现了模数转换过程;DSP处理模块读取ADC输出的数字信号并与上位机通信;上位机软件使用Python设计,实现了对数字信号的处理与显示。经过测试,该系统采集误差小于0.1 m V,采集数据波动小于20μV,可以为力促动器系统的闭环控制提供依据。


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应用于力促动器的高精度力采集系统设计.pdf 2M

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Vol. 17 No. 3 Jan. 2017  
2017 Sci. Tech. Engrg.  
科
学
技
术
与
工
程
17  
3
2017  
1
年 月  
第
卷
第
期
Science Technology and Engineering  
1671—1815( 2017) 03-0247-06  
应用于力促动器的高精度力  
采集系统设计  
1，2  
1*  
1，2  
1，2  
王 晶  
李洪文  
栾红民  
曲云昭  
1
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春  
2
中国科学院大学 北京  
(
，
130033;  
，
100039)  
。
，
摘
要
对力信号的高精度采集是实现力促动器系统精确控制的前提 设计了高精度力传感器信号采集系统 包括力采集  
、DSP ADS1259 ; DSP  
处理  
。
模块  
模块读取  
该系统采集误差小于  
关键词 力促动器  
TN710;  
处理模块和上位机软件 力采集模块在对力传感器信号调理后采用  
芯片实现了模数转换过程  
ADC Python  
;
， 。  
设计 实现了对数字信号的处理与显示 经过测试  
，
输出的数字信号并与上位机通信 上位机软件使用  
0. 1 mV，  
采集数据波动小于  
20 V， 。  
μ 可以为力促动器系统的闭环控制提供依据  
ADS1259  
Python  
力信号采集  
信号调理  
A
中图法分类号  
文献标志码  
， ，  
望远镜是天文观测的重要工具 其口径越大 集  
。
采集系统对于控制主镜面形具有十分重要的意义  
本文针对力促动器闭环控制的需求设计了高精  
、DSP  
处
［1］  
，
光能力越强 分辨能力越高  
。
，
随着口径的增大  
、 、 ，  
主镜受重力 温度 风力等因素影响 会产生面形变  
，
度力传感器信号采集系统 包括力采集模块  
， ，  
化 影响望远镜成像质量 所以需要对主镜面形进行  
，
1
。
理模块和上位机软件 系统结构框图如图 所示  
ADC ADS1259  
为模数转换电路  
， 、  
实时控制 以校正重力 温度和风力等因素对镜面造  
力采集模块以  
芯片  
的核心 经过放大滤波后实现了对力传感器信号的  
; DSP ADC  
［2］  
，
成的影响 从而提高成像质量  
。
，
在大型望远镜  
，
中 主镜面形的实时控制是通过力促动器控制系统  
高精度采集  
处理模块读取  
输出的数字信  
。
实现的 力促动器控制系统是主动光学系统的重要  
， ;  
号 并与上位机通信 上位机软件使用  
Python  
语言  
， ，  
组成部分 通过控制力促动器施加压力或拉力 主动  
， 。  
设计 主要实现数字信号的接收与显示 通过实验  
， 。  
调整支撑力 实现面形控制 在当今国内外大型望  
，
验证 该系统能够对力促动器的输出力信号进行准  
，
远镜系统中 欧洲南方天文台  
( ESO) 8. 2 m  
的
， 。  
确采集 满足实际工作需要  
甚大望  
3. 67 m  
［3］  
［4］  
( VLT)  
远镜  
VST  
、
美国军方的  
和
望远镜  
［5］  
［6］  
AEOS  
、8 m GEMINI  
望远镜  
望远镜 以及国内的  
望远镜 都采用了力促动器来实现对主镜  
［7］  
LAMOST  
。 ，  
面形的精确控制 为实现面形的精确控制 必须通过  
1
图
系统结构框图  
，
力传感器采集力促动器输出的力信号 从而实现对力  
Fig. 1 System structure diagram  
。 ，  
促动器的闭环控制 因此 设计力传感器信号高精度  
1
力采集模块  
2016  
7
14  
月 日收到  
年
、
力采集模块包括放大电路 滤波电路以及  
AD  
:
第一作者简介 王  
( 1992— ) ， 。 :  
晶 硕士研究生 研究方向 力促动器  
3 。  
转换电路 部分 放大电路可以将力传感器输出的  
。E-mail: 390860583@ qq. com。  
控制系统  
;
微弱电信号放大到模数转换器的输入范围 滤波电  
*
:
通信作者简介 李洪文  
( 1970— ) ， ， 。  
博士 博士研究生导师 研究方  
，
路可以滤除信号中的高频噪声 提高采集精度  
; AD  
:
向 精密跟踪控制技术和嵌入式系统开发  
。E-mail: lihongwen1970@  
，
转换电路可以将模拟电信号转换数字电信号 并通  
SPI DSP 。  
控制器进行处理 力采集模  
sohu. com。  
: ， ， ， ．  
引用格式 王 晶 李洪文 栾红民 等 应用于力促动器的高精度力  
过
总线上传给  
［J］．  
，2017，17 ( 3 ) :  
科 学 技 术 与 工 程  
采集系 统 设 计  
247—251  
2
块如图 所示  
。
1. 1  
差分放大电路  
输入端的噪声系数对模拟电路的总噪声系数影  
Wang Jing，Li Hongwen，Luan Hongmin，et al． Design of high  
precision force acquisition system applied in the force actuator  
［J］． Science Technology and Engineering，2017，17 ( 3 ) :  
247—251  
， 、  
响最大 因此必须要求输入端电路噪声小 增益稳  
［8］  
、
定 抗干扰能力强  
。
AD8221  
差分放大器 的低失  
248  
17  
卷
科
学
技
术
与
工
程
4 ，  
在图 中 两个二阶低通滤波器串联构成四阶低  
，
通滤波器 每个二阶低通滤波器都采用多路反馈的形  
， ，  
式 可以有效改善截止频率附近的频率特性 提高稳  
［12］  
，
定性 降低输出阻抗  
。
运放采用低噪声精密运算  
2
图
力采集模块结构框图  
Fig. 2 Structure block diagram of force  
acquisition module  
ADA4004，  
其输入电压噪声为  
1. 8 nV/ Hz。  
槡
放大器  
Multisim  
，
中对滤波电路进行仿真 仿真结果如图  
5
在
，
所示 滤波器截止频率约为  
1 kHz， 80 dB/  
并且具有 十  
调和宽频率范围内的高共模抑制比使之成为设计输  
，
倍频程的衰减速率 该滤波器仅允许目标频率通过  
，
［9］  
。
3
如图 所示的放大电  
入端放大电路的绝佳选择  
，
能够有效抑制高频噪声 从而提高信号采集质量  
。
， ;  
路中 首先使用共模电感抑制信号中的共模噪声 然  
，
后设计阻容式射频滤波器抑制射频噪声 如果任由  
AD8221， ，  
可能会被整流 表现为力促  
射频噪声到达  
， ; ，  
动器输出力发生波动 干扰采集结果 此外 该射频  
滤波器还能使各差分线路与接地层之间的交流信号  
，
保持平衡 同时也在信号带宽内保持较高的输入阻  
［10］  
，
抗 避免增加信号源负载  
。AD8221  
的增益可通  
( 1) 。  
，
过一个标准电阻精确设置 其表达如式  
5
图
低通滤波电路仿真结果图  
G = 1 + 49. 4 k /R  
Ω
( 1)  
G
Fig. 5 Low pass filter circuit simulation results  
1. 3 ADC  
驱动电路  
ADC  
ADC  
，
，
驱动电路实现单端至差分的转换 结果输  
。AD8476  
芯片  
ADC  
是一款单位增益差分  
入到  
，
驱动器 内置精密激光调整匹配薄膜电阻 具有低增  
－ 6  
、
(
1 × 10 ppm) /℃  
益误差 低增益漂移 最大  
和高共  
的特性 它可完成单端到差分的转  
ADC  
( 80 dB)  
模抑制比  
。
，
换 同时提供  
VOCM  
，
引脚 可将输出信号转换为  
， 6  
芯片的最佳电平 具体电路如图 所示  
。
3
图
信号放大电路  
Fig. 3 Signal amplification circuit  
3
，R ，  
两端采用滑动变阻器 实现了放大  
G
图
中
，
电路增益可调 提高了采集电路的灵活性  
。
1. 2  
滤波电路  
，
力传感器输出的差分信号属于低频信号 能量  
，
主要集中在几百赫兹以下 信号中噪声干扰特别强  
，
，
既有来自内部的干扰 如力促动器自身机械结构的  
6
ADC  
图
驱动电路  
; ，  
固有振动 也有来自外部的干扰 如工频干扰或者信  
Fig. 6 ADC driver circuit  
［11］  
。
，
因此 需要设计  
号接地不良等因素引起的干扰  
，
该电路中 输出共模电平设置为  
0 V，  
，
滤波电路对力传感器信号进行滤波 将信号从噪声  
使得力传  
，
感器信号经过前一级差分放大电路 输入至  
ADC  
时
， 4  
中提取出来 具体电路如图 所示  
。
。
具有最大的动态范围 该电路输出的差分信号经过  
RC  
，
共模滤波器滤波后 送至  
ADC  
。
输入端  
1. 4 AD  
转换电路  
转 换 使 用  
，
AD  
ADS1259  
24 bit、14 KSPS  
ADC  
的
芯 片  
，
实现 该器件漂移低 内部集成一个四阶  
- ，  
稳定 Σ Δ 积分调制器 具有出色的噪声抑制性能和  
4
图
多路反馈四阶低通滤波电路  
， 7  
线性特性 电路如图 所示  
。
Fig. 4 Four order low pass filter circuit with  
multiple feedback  
TI  
ADR431  
基准电压芯  
参考电源采用  
公司的  

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