MEMS陀螺中16位数模转换器设计
发布时间：2021-01-01 12:57
MEMS微机械陀螺是用于测量物体转动角速度的器件,精度是一个重要参数。MEMS陀螺由敏感元器件和接口电路组成,其中,数模转换器的精度对接口电路输出驱动信号的精度有着直接的影响。在高精度转换的设计要求下,过采样delta-sigma技术是目前较好的设计选择。在此背景下,本论文针对MEMS陀螺数字化接口电路中的数模转换器展开研究,设计了一款适用于MEMS陀螺接口电路中的16位sigma-delta数模转换器。本论文首先从MEMS陀螺单质量块的动力学方程的角度出发,对其工作原理进行了阐述。接着深入分析了sigma-delta DAC的工作原理,并完成了各子模块的系统级设计和电路级设计。sigma-delta DAC主要由插值滤波器、sigma-delta数字调制器以及模拟重构级组成。插值滤波器通过三级级联的方式实现:半带滤波器—1/4带低通滤波器—采样保持电路,共实现了128倍的插值功能,在10k Hz的信号带宽下,信噪比可达到102.3d B。sigma-delta数字调制器采用3阶4位量化的CIFB结构实现,系数采用CSD编码方式实现,经仿真,数字调制器的信噪比为d B.1093,有效位...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
MEMS数字陀螺系统结构[5]
哈尔滨工业大学工学硕士论文-3-1.2.2MEMS陀螺国内外研究现状1991年，美国CharlesStarkDraper实验室研发出了第一代双框架式硅微机械陀螺仪，开启了微机械陀螺的新篇章，由于可批量的制造在硅单晶片上，被广泛地应用在各个领域，其结构如图1-2所示，驱动电极通过静电力来驱动外框架，当z轴旋转时，产生的科里奥利力将作用在质量块上，质量块电容极板间的变化即为角速度的变化。测试结果显示，在Hz1带宽下，检测的角速度为s/4[6]。图1-2美国Draper实验室的双框式微机械陀螺结构图[6]2016年，德国RobertBoschGmbH公司报道了一款用于汽车电子稳定控制系统的三轴陀螺仪，芯片示意图如图1-3所示。该陀螺芯片的ASIC电路采用0.13μmCMOS工艺完成，将力反馈架构和机电正交耦合消除原理相结合，实现了低噪声和低失调漂移的性能要求，并在正交通道中引入正弦音，以实现连续的自检测，提高了陀螺对环境的鲁棒性。当温度范围在-40-140℃之间变化时，在没有任何温度补偿的情况下，工作带宽为80Hz，失调漂移小于±0.1o/s，零偏稳定性1.2o/hr，噪声密度为0.004oHz/s/[7]。图1-3三轴陀螺仪芯片示意图[7]国内微机械陀螺的设计始于70年代，与国外设计和制造微机械陀螺仪成熟的工艺相比，起步较晚。然而在国家这30年的大力支持下，真空包装技术、陀
哈尔滨工业大学工学硕士论文-3-1.2.2MEMS陀螺国内外研究现状1991年，美国CharlesStarkDraper实验室研发出了第一代双框架式硅微机械陀螺仪，开启了微机械陀螺的新篇章，由于可批量的制造在硅单晶片上，被广泛地应用在各个领域，其结构如图1-2所示，驱动电极通过静电力来驱动外框架，当z轴旋转时，产生的科里奥利力将作用在质量块上，质量块电容极板间的变化即为角速度的变化。测试结果显示，在Hz1带宽下，检测的角速度为s/4[6]。图1-2美国Draper实验室的双框式微机械陀螺结构图[6]2016年，德国RobertBoschGmbH公司报道了一款用于汽车电子稳定控制系统的三轴陀螺仪，芯片示意图如图1-3所示。该陀螺芯片的ASIC电路采用0.13μmCMOS工艺完成，将力反馈架构和机电正交耦合消除原理相结合，实现了低噪声和低失调漂移的性能要求，并在正交通道中引入正弦音，以实现连续的自检测，提高了陀螺对环境的鲁棒性。当温度范围在-40-140℃之间变化时，在没有任何温度补偿的情况下，工作带宽为80Hz，失调漂移小于±0.1o/s，零偏稳定性1.2o/hr，噪声密度为0.004oHz/s/[7]。图1-3三轴陀螺仪芯片示意图[7]国内微机械陀螺的设计始于70年代，与国外设计和制造微机械陀螺仪成熟的工艺相比，起步较晚。然而在国家这30年的大力支持下，真空包装技术、陀
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于抽取滤波器多相分解的多速率采样模块设计[J]. 卜祥元,方金辉,范星宇,王珂. 北京理工大学学报. 2014(02)
[2]大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性[J]. 陈永,焦继伟,王惠泉,金仲和,张颖,熊斌,李昕欣,王跃林. 半导体学报. 2005(01)
博士论文
[1]用于高精度电容式微机械加速度计的低通∑△数模转换器研究与实现[D]. 陈雅雅.浙江大学 2018
硕士论文
[1]硅陀螺用16位500KHz数模转换器设计[D]. 施敏.哈尔滨工业大学 2013
[2]用于24比特音频DAC的单环单比特Σ-Δ调制器的设计与FPGA实现[D]. 李笑笑.上海交通大学 2010
[3]改善DAC线性特性的方法研究[D]. 冯之因.上海交通大学 2010
本文编号：2951329
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
MEMS数字陀螺系统结构[5]
哈尔滨工业大学工学硕士论文-3-1.2.2MEMS陀螺国内外研究现状1991年，美国CharlesStarkDraper实验室研发出了第一代双框架式硅微机械陀螺仪，开启了微机械陀螺的新篇章，由于可批量的制造在硅单晶片上，被广泛地应用在各个领域，其结构如图1-2所示，驱动电极通过静电力来驱动外框架，当z轴旋转时，产生的科里奥利力将作用在质量块上，质量块电容极板间的变化即为角速度的变化。测试结果显示，在Hz1带宽下，检测的角速度为s/4[6]。图1-2美国Draper实验室的双框式微机械陀螺结构图[6]2016年，德国RobertBoschGmbH公司报道了一款用于汽车电子稳定控制系统的三轴陀螺仪，芯片示意图如图1-3所示。该陀螺芯片的ASIC电路采用0.13μmCMOS工艺完成，将力反馈架构和机电正交耦合消除原理相结合，实现了低噪声和低失调漂移的性能要求，并在正交通道中引入正弦音，以实现连续的自检测，提高了陀螺对环境的鲁棒性。当温度范围在-40-140℃之间变化时，在没有任何温度补偿的情况下，工作带宽为80Hz，失调漂移小于±0.1o/s，零偏稳定性1.2o/hr，噪声密度为0.004oHz/s/[7]。图1-3三轴陀螺仪芯片示意图[7]国内微机械陀螺的设计始于70年代，与国外设计和制造微机械陀螺仪成熟的工艺相比，起步较晚。然而在国家这30年的大力支持下，真空包装技术、陀
哈尔滨工业大学工学硕士论文-3-1.2.2MEMS陀螺国内外研究现状1991年，美国CharlesStarkDraper实验室研发出了第一代双框架式硅微机械陀螺仪，开启了微机械陀螺的新篇章，由于可批量的制造在硅单晶片上，被广泛地应用在各个领域，其结构如图1-2所示，驱动电极通过静电力来驱动外框架，当z轴旋转时，产生的科里奥利力将作用在质量块上，质量块电容极板间的变化即为角速度的变化。测试结果显示，在Hz1带宽下，检测的角速度为s/4[6]。图1-2美国Draper实验室的双框式微机械陀螺结构图[6]2016年，德国RobertBoschGmbH公司报道了一款用于汽车电子稳定控制系统的三轴陀螺仪，芯片示意图如图1-3所示。该陀螺芯片的ASIC电路采用0.13μmCMOS工艺完成，将力反馈架构和机电正交耦合消除原理相结合，实现了低噪声和低失调漂移的性能要求，并在正交通道中引入正弦音，以实现连续的自检测，提高了陀螺对环境的鲁棒性。当温度范围在-40-140℃之间变化时，在没有任何温度补偿的情况下，工作带宽为80Hz，失调漂移小于±0.1o/s，零偏稳定性1.2o/hr，噪声密度为0.004oHz/s/[7]。图1-3三轴陀螺仪芯片示意图[7]国内微机械陀螺的设计始于70年代，与国外设计和制造微机械陀螺仪成熟的工艺相比，起步较晚。然而在国家这30年的大力支持下，真空包装技术、陀
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于抽取滤波器多相分解的多速率采样模块设计[J]. 卜祥元,方金辉,范星宇,王珂. 北京理工大学学报. 2014(02)
[2]大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性[J]. 陈永,焦继伟,王惠泉,金仲和,张颖,熊斌,李昕欣,王跃林. 半导体学报. 2005(01)
博士论文
[1]用于高精度电容式微机械加速度计的低通∑△数模转换器研究与实现[D]. 陈雅雅.浙江大学 2018
硕士论文
[1]硅陀螺用16位500KHz数模转换器设计[D]. 施敏.哈尔滨工业大学 2013
[2]用于24比特音频DAC的单环单比特Σ-Δ调制器的设计与FPGA实现[D]. 李笑笑.上海交通大学 2010
[3]改善DAC线性特性的方法研究[D]. 冯之因.上海交通大学 2010
本文编号：2951329
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