石英陀螺数字驱动信号处理电路的设计

发布时间：2020-03-24 09:25

【摘要】：石英压电陀螺工艺结构简单,温度特性好,具有克服冲击和振动等恶劣环境的能力,大大提高了器件的可靠性,在成本、体积和重量等方面都优于机械和光学陀螺。接口电路中的驱动电路,是石英陀螺正常工作的基础,且驱动性能的好坏直接影响陀螺整机的性能。目前微电子技术的高速发展,系统的微型化和集成化已经成为一种趋势,传统的模拟驱动存在集成度欠佳的问题。考虑到以上因素,有必要设计一种高集成度的数字接口电路,完成驱动环路的整体功能。本文首先研究分析了石英陀螺表头的驱动工作原理,在此基础上建立机械域模型,分析敏感结构的质量块在驱动模态的受力,类比驱动端的运动位移方程,得到电学模型,完成对驱动响应信号的I/V转换,经过半波整流、低通滤波,得到当前信号的幅值,PI控制输出幅值相对参考电压的调节量,与AD转换的输出信号相乘就能得到与驱动响应信号同频的驱动信号,调节相位之后保证振荡的相位条件成立,将产生的驱动信号返回表头构成整体的驱动环路,调节PI的参数,实现对驱动稳定速度的优化。最后结合RTL模型,经过综合优化,时序分析,布局布线,可以完成驱动环路的版图设计,提取寄生参数,完成后仿真,比对前仿结果基本一致。综上,本文完成了石英陀螺驱动环路的电路级和版图设计。驱动信号频率为11.86 kHz,与驱动响应信号同频,幅值通过PI控制可以实现快速稳定,另外,接口电路的AD和DA转换模块均可在12 kHz带宽内达到16位精度的要求,驱动环路在150 ms内可以实现环路的稳定振荡并满足闭环驱动的功能要求。
【图文】：

自 1991 年 Draper 实验室第一次研究并实现微机械陀螺[4]开表面应用不同工艺制作的微陀螺，同时，各项研究还报道了体结构的新工艺微陀螺。小型压电式陀螺的发展可以追溯到由 Systron Donner 研制的石英音叉式陀螺[5]以及由 Delco 等[6]。微机械加速度计制作的成功和石英器件与 IC 工艺的结年中涌现了许多学术和商业用途的基于硅和非硅工艺的微机司在 2002 年研发了一款双谐振器的陀螺[7]，如图 1-1 利用，它们被驱动在两个相反的方向上，检测两个 Coriolis 信号的振动，产生在上下方向的 Coriolis 位移。差分信号经过跨阻放转换为振荡器驱动电极提供 12V 的方波信号。精确控制相振荡。振荡起始于一个高增益的启动环路和系统的噪声，充会减小以保证信号的精确度和比较器准确的过零检测。片上自激振荡、相位控制、解调和温度补偿的功能。作为第一款，它在信号带宽下的达到噪底为 0.05° /s /√Hz。

图 1-2 Robert Bosch GmbH 陀螺外围处理框图[8]eh Tabrizian 在 2013 年研究开发的 Al-N 新工艺振动域，Al-N 薄膜可以用来在驱动和检测模态提供高效的计可以达到 20.38μV/ /s 的线性速率分辨率。图 1-3 是电路，陀螺工作在开环状态下，以外部正弦信号电压在极产生电流信号，通过 I/V 转换和同步解调一系列的检从而检测出输入的角速度。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN402

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本文编号：2598126