硅微陀螺接口分布参数建模及测控电路优化设计

发布时间：2017-08-29 02:06

  本文关键词：硅微陀螺接口分布参数建模及测控电路优化设计

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【摘要】：硅微陀螺是一种以哥氏效应为基础结合MEMS技术的惯性传感器件,其具有功耗低、体积小、重量轻、抗过载能力强、能适应恶劣环境条件等一系列优点。与国外相比,国内的硅微陀螺仍然存在测控电路性能有待提高,陀螺标度因子以及零偏稳定性较差的劣势。为此,本文以优化测控电路,实现硅微陀螺性能提高为目的,做了以下工作。首先,在硅微陀螺内部结构和工作原理分析的基础上,对其机械结构进行了并联RLC电学等效；对硅微陀螺的接口分布参数进行精确建模,并对其进行了测量、分析与验证；基于Cadence软件构建了包含机械结构、接口分布参数以及信号调理的系统级模型,并进行了仿真验证；深入分析了接口分布参数对硅微陀螺驱动电压以及其输出特性的影响。其次,研究了硅微陀螺驱动电路,采用Cadence软件构建了现有基于分立器件的驱动电路模型,并与硅微陀螺电学等效模型进行了系统仿真。基于仿真结果,对驱动电路进行了优化设计,采用新型接口电路替代原有的跨阻式接口电路,并进行了理论、仿真和实验验证,结果发现,工作频带内新型接口电路的噪声谱密度降为原接口电路的36%；提出了运用自稳零运算放大器AD8629代替传统放大器AD8642的优化方案,有效降低了1／f噪声,提高了AGC电路对驱动交流电压Vac的控制精度。第三,对硅微陀螺的检测及解调电路进行了研究,采用Cadence软件构建了现有基于分立器件的检测及解调电路的电学模型,并与硅微陀螺电学等效模型进行了系统仿真。结合仿真结果对其进行了优化设计,采用新型接口电路替代了原有的跨阻式接口电路,提高了电路的信噪比；采用开关相敏解调替代乘法解调,在提高硅微陀螺标度因子的同时,又使得其零偏稳定性达到了乘法解调的理论精度。最后,完成了硅微陀螺测控电路的优化设计、仿真分析以及实验验证。实验结果表明,硅微陀螺驱动检测电压、驱动交流电压、零偏以及标度因子的电学模型仿真结果与实际测量结果的相对误差小于7%。并对搭载同一只硅微陀螺改进前后的测控电路进行了性能比对,实验发现,标度因子由原先的0.0057V/°/s增大至0.0302V/°/s,零偏稳定性由原先的57.1980/hr提升至7.6380/hr。
【关键词】：硅微陀螺 分布参数 电学模型 电路优化
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212;TH-39
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 硅微陀螺简介8
• 1.2 硅微陀螺国内外研究现状8-12
• 1.2.1 国外研究现状8-10
• 1.2.2 国内研究现状10-12
• 1.3 硅微陀螺等效模型研究现状12-13
• 1.4 硅微陀螺测控电路研究现状13-14
• 1.4.1 国外研究现状13
• 1.4.2 国内研究现状13-14
• 1.5 研究目的与意义14
• 1.6 论文研究内容14-16
• 2 硅微陀螺电学等效模型16-34
• 2.1 硅微陀螺工作原理16-19
• 2.1.1 硅微陀螺结构16
• 2.1.2 硅微陀螺测控电路原理16-17
• 2.1.3 硅微陀螺动力学模型17-19
• 2.2 硅微陀螺理想电学等效模型19-27
• 2.2.1 并联RLC等效原理19-20
• 2.2.2 模型参数R,L,C的计算20-21
• 2.2.3 传递系数计算21-25
• 2.2.4 理想电学等效模型25-26
• 2.2.5 谐振频率仿真26-27
• 2.3 硅微陀螺分布参数研究27-33
• 2.3.1 硅微陀螺接口模型27-28
• 2.3.2 硅微陀螺接口参数测量28-30
• 2.3.3 硅微陀螺电学等效模型(带有接口分布参数)30-31
• 2.3.4 硅微陀螺分布参数仿真31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 硅微陀螺驱动电路研究34-50
• 3.1 硅微陀螺驱动电路原理34-36
• 3.2 硅微陀螺驱动电路系统仿真分析36-38
• 3.2.1 硅微陀螺驱动电路模型构建36-37
• 3.2.2 驱动电路仿真分析37-38
• 3.3 硅微陀螺驱动电路优化设计38-47
• 3.3.1 驱动接口电路优化38-44
• 3.3.2 AGC电路优化44-47
• 3.4 硅微陀螺驱动电路优化设计实验验证47-49
• 3.4.1 驱动接口电路优化实验47-48
• 3.4.2 AGC电路优化实验48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 4 硅微陀螺检测及解调电路研究50-58
• 4.1 硅微陀螺检测电路系统仿真分析50-51
• 4.1.1 硅微陀螺检测电路模型构建50
• 4.1.2 检测电路仿真分析50-51
• 4.2 硅微陀螺检测电路优化设计51-52
• 4.3 硅微陀螺解调电路系统仿真分析52-53
• 4.3.1 硅微陀螺解调电路模型构建52
• 4.3.2 解调电路仿真分析52-53
• 4.4 硅微陀螺解调电路优化设计53-57
• 4.4.1 乘法解调54-56
• 4.4.2 开关相敏解调56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 仿真与实验58-66
• 5.1 硅微陀螺电学等效模型仿真58-63
• 5.1.1 测控电路模型搭建58-59
• 5.1.2 仿真与实验对比59-62
• 5.1.3 结论62-63
• 5.2 原测控电路与改进电路对比实验63-65
• 5.2.1 标度因子63-64
• 5.2.2 零偏稳定性64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72
• 附录72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 姜劭栋;裘安萍;施芹;苏岩;;硅微陀螺仪正交耦合系数的计算及验证[J];光学精密工程;2013年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 赵幸娟;电容式微机械陀螺外围接口电路的设计与测试[D];中北大学;2012年

2 付盛荣;电磁驱动电容式振动微机械陀螺接口电路研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2003年

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本文编号：750708