石英陀螺数字接口电路集成技术研究
发布时间：2021-04-24 21:40
石英陀螺作为一种角速度测量器件,在国防、航天和商业领域中都有着广泛的应用。通过多年努力,我国实现了石英陀螺接口电路模拟输出芯片集成,亟待解决数字输出芯片集成问题。开展石英陀螺接口电路数字芯片集成技术研究,实现具有数字输出、片上数字温度补偿和批量化测调功能的高精度石英陀螺接口数字ASIC芯片,对石英陀螺的发展具有重要意义。石英陀螺接口电路数字芯片集成技术研究主要存在以下几个问题:数字驱动电路系统的相位噪声、混叠噪声和量化噪声对检测电路影响非常显著,以往模拟驱动电路的稳定性模型不再适用;检测电路数字化后引入新的噪声源,需要对其噪声进行全面分析,而目前未见相关报道,影响了高精度数字检测电路的优化设计;石英陀螺的发展过程中所必须解决的高精度数字温度补偿和批量化测调问题,阻碍了石英陀螺的批量化应用。本文根据石英陀螺系统原理,得到了敏感结构的等效电学模型,基于此给出了石英陀螺接口数字ASIC芯片的行为级模型,通过仿真确定了接口电路各主要模块的性能指标,明确了石英陀螺系统对电路设计的要求。对石英陀螺数字驱动电路的稳定性问题展开深入研究。一方面建立数字驱动电路相位噪声模型,得到相位稳定性对检测电路输出...
【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】：160 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.2 微机械陀螺及其接口电路国内外研究现状
1.2.1 微机械陀螺国外研究现状
1.2.2 微机械陀螺国内研究现状
1.2.3 微机械陀螺接口电路国外研究现状
1.2.4 微机械陀螺接口电路国内研究现状
1.3 微机械石英陀螺接口电路发展趋势和存在的主要问题
1.4 研究目的和意义
1.5 本文的主要研究内容
第2章 石英陀螺系统原理
2.1 引言
2.2 石英陀螺系统原理简介
2.3 石英陀螺敏感原理
2.3.1 科里奥利力、寄生科里奥利力和正交耦合
2.3.2 石英陀螺敏感结构的驱动和检测原理
2.4 石英陀螺机械域模型和电学模型
2.4.1 石英陀螺机械域模型
2.4.2 石英陀螺等效电学模型
2.5 石英陀螺电路原理
2.6 石英陀螺接口数字ASIC芯片系统行为级仿真
2.7 本章小结
第3章 石英陀螺数字驱动电路稳定性研究
3.1 引言
3.2 数字驱动电路相位稳定性研究
3.2.1 相位噪声原理
3.2.2 时变相位噪声模型研究
3.2.3 数字驱动电路相位稳定性对检测电路影响
3.2.4 数字驱动电路相位稳定性模型的实验验证
3.3 数字驱动电路幅值稳定性研究
3.3.1 数字驱动电路的前级电荷检测电路噪声研究
3.3.2 模数转换电路噪声研究
3.3.3 比例-积分控制电路稳定性研究
3.3.4 数字驱动电路幅值稳定性对检测电路影响
3.3.5 数字驱动电路幅值稳定性模型的实验验证
3.4 本章小结
第4章 石英陀螺数字检测电路全噪声研究
4.1 引言
4.2 石英陀螺数字检测电路全噪声研究
4.2.1 数字检测电路的前级电荷检测电路噪声模型研究
4.2.2 解调、滤波与模数转换电路研究
4.2.3 数字检测电路全噪声模型
4.3 数字检测电路全噪声模型的实验验证
4.4 本章小结
第5章 石英陀螺温度补偿和批量化测调技术研究
5.1 引言
5.2 石英陀螺温度特性研究
5.2.1 石英晶体的线膨胀系数的温度特性
5.2.2 石英晶体的密度的温度特性
5.2.3 石英晶体的弹性顺度系数的温度特性
5.3 石英音叉的温度特性研究
5.4 石英陀螺片上数字温度补偿技术研究
5.5 石英陀螺批量化测调技术研究
5.6 本章小结
第6章 石英陀螺接口数字ASIC芯片设计与流片结果测试分析
6.1 引言
6.2 石英陀螺数字接口ASIC芯片系统设计
6.3 石英陀螺数字接口ASIC芯片晶体管级电路设计
6.3.1 前级电荷检测电路设计
6.3.2 模数转换电路设计
6.3.3 数字自动增益控制电路设计
6.3.4 数模转换电路设计
6.3.5 自适应相位电路设计
6.4 石英陀螺数字接口ASIC芯片版图设计和后仿真
6.5 石英陀螺数字接口ASIC芯片与整机测试
6.5.1 数字检测电路等效输入噪声测试与分析
6.5.2 数字驱动电路功能测试
6.5.3 刻度因数和非线性度测试
6.5.4 石英陀螺偏置稳定性测试
6.5.5 石英陀螺角速度输出温度补偿测试
6.5.6 石英陀螺及其接口电路芯片性能对比
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]Modeling and Analysis of Mechanical Quality Factor of the Resonator for Cylinder Vibratory Gyroscope[J]. XI Xiang,WU Xuezhong,WU Yulie,ZHANG Yongmeng. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2017(01)
[2]谐振式巨磁阻微机械陀螺噪声分析[J]. 褚伟航,白晓晓,蒋孝勇,李孟委. 中北大学学报(自然科学版). 2016(02)
[3]对称单质量微机电陀螺的零偏自补偿方法[J]. 刘燕锋,陈志勇,张嵘. 中国惯性技术学报. 2016(01)
[4]MEMS gyroscope control system using a band-pass continuous-time sigma-delta modulator[J]. DING HaiTao,YANG ZhenChuan,WANG ZhanFei,KRAFT Michael,YAN GuiZhen. Science China（Information Sciences）. 2013(10)
[5]电容式微机械陀螺接口电路噪声分析[J]. 蒋庆华,苑伟政,谢建兵. 电子测量技术. 2012(05)
[6]石英谐振器频率温度特性的分析[J]. 马静,王志斌. 硅谷. 2012(01)
[7]MEMS振动陀螺闭环自激驱动的理论分析及数值仿真[J]. 王展飞,鲁文高,李峰,李志宏. 传感技术学报. 2008(08)
[8]导弹飞行中无陀螺惯导系统的误差分析[J]. 施闻明,杨晓东,徐彬. 弹箭与制导学报. 2007(02)
博士论文
[1]高精度硅陀螺接口电路集成技术研究[D]. 付强.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3158123
【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】：160 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.2 微机械陀螺及其接口电路国内外研究现状
1.2.1 微机械陀螺国外研究现状
1.2.2 微机械陀螺国内研究现状
1.2.3 微机械陀螺接口电路国外研究现状
1.2.4 微机械陀螺接口电路国内研究现状
1.3 微机械石英陀螺接口电路发展趋势和存在的主要问题
1.4 研究目的和意义
1.5 本文的主要研究内容
第2章 石英陀螺系统原理
2.1 引言
2.2 石英陀螺系统原理简介
2.3 石英陀螺敏感原理
2.3.1 科里奥利力、寄生科里奥利力和正交耦合
2.3.2 石英陀螺敏感结构的驱动和检测原理
2.4 石英陀螺机械域模型和电学模型
2.4.1 石英陀螺机械域模型
2.4.2 石英陀螺等效电学模型
2.5 石英陀螺电路原理
2.6 石英陀螺接口数字ASIC芯片系统行为级仿真
2.7 本章小结
第3章 石英陀螺数字驱动电路稳定性研究
3.1 引言
3.2 数字驱动电路相位稳定性研究
3.2.1 相位噪声原理
3.2.2 时变相位噪声模型研究
3.2.3 数字驱动电路相位稳定性对检测电路影响
3.2.4 数字驱动电路相位稳定性模型的实验验证
3.3 数字驱动电路幅值稳定性研究
3.3.1 数字驱动电路的前级电荷检测电路噪声研究
3.3.2 模数转换电路噪声研究
3.3.3 比例-积分控制电路稳定性研究
3.3.4 数字驱动电路幅值稳定性对检测电路影响
3.3.5 数字驱动电路幅值稳定性模型的实验验证
3.4 本章小结
第4章 石英陀螺数字检测电路全噪声研究
4.1 引言
4.2 石英陀螺数字检测电路全噪声研究
4.2.1 数字检测电路的前级电荷检测电路噪声模型研究
4.2.2 解调、滤波与模数转换电路研究
4.2.3 数字检测电路全噪声模型
4.3 数字检测电路全噪声模型的实验验证
4.4 本章小结
第5章 石英陀螺温度补偿和批量化测调技术研究
5.1 引言
5.2 石英陀螺温度特性研究
5.2.1 石英晶体的线膨胀系数的温度特性
5.2.2 石英晶体的密度的温度特性
5.2.3 石英晶体的弹性顺度系数的温度特性
5.3 石英音叉的温度特性研究
5.4 石英陀螺片上数字温度补偿技术研究
5.5 石英陀螺批量化测调技术研究
5.6 本章小结
第6章 石英陀螺接口数字ASIC芯片设计与流片结果测试分析
6.1 引言
6.2 石英陀螺数字接口ASIC芯片系统设计
6.3 石英陀螺数字接口ASIC芯片晶体管级电路设计
6.3.1 前级电荷检测电路设计
6.3.2 模数转换电路设计
6.3.3 数字自动增益控制电路设计
6.3.4 数模转换电路设计
6.3.5 自适应相位电路设计
6.4 石英陀螺数字接口ASIC芯片版图设计和后仿真
6.5 石英陀螺数字接口ASIC芯片与整机测试
6.5.1 数字检测电路等效输入噪声测试与分析
6.5.2 数字驱动电路功能测试
6.5.3 刻度因数和非线性度测试
6.5.4 石英陀螺偏置稳定性测试
6.5.5 石英陀螺角速度输出温度补偿测试
6.5.6 石英陀螺及其接口电路芯片性能对比
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]Modeling and Analysis of Mechanical Quality Factor of the Resonator for Cylinder Vibratory Gyroscope[J]. XI Xiang,WU Xuezhong,WU Yulie,ZHANG Yongmeng. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2017(01)
[2]谐振式巨磁阻微机械陀螺噪声分析[J]. 褚伟航,白晓晓,蒋孝勇,李孟委. 中北大学学报(自然科学版). 2016(02)
[3]对称单质量微机电陀螺的零偏自补偿方法[J]. 刘燕锋,陈志勇,张嵘. 中国惯性技术学报. 2016(01)
[4]MEMS gyroscope control system using a band-pass continuous-time sigma-delta modulator[J]. DING HaiTao,YANG ZhenChuan,WANG ZhanFei,KRAFT Michael,YAN GuiZhen. Science China（Information Sciences）. 2013(10)
[5]电容式微机械陀螺接口电路噪声分析[J]. 蒋庆华,苑伟政,谢建兵. 电子测量技术. 2012(05)
[6]石英谐振器频率温度特性的分析[J]. 马静,王志斌. 硅谷. 2012(01)
[7]MEMS振动陀螺闭环自激驱动的理论分析及数值仿真[J]. 王展飞,鲁文高,李峰,李志宏. 传感技术学报. 2008(08)
[8]导弹飞行中无陀螺惯导系统的误差分析[J]. 施闻明,杨晓东,徐彬. 弹箭与制导学报. 2007(02)
博士论文
[1]高精度硅陀螺接口电路集成技术研究[D]. 付强.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3158123
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