数字输出硅陀螺接口电路芯片集成关键技术研究
发布时间：2021-09-08 16:08
陀螺仪是用来检测角速度的传感器,在科学、技术、军事等各个领域都有着广泛应用。与传统的陀螺仪相比,基于MEMS工艺和CMOS技术的硅陀螺具有低成本、小体积、低功耗、高可靠性、易批量化生产等特点,不仅在民用领域需求广泛,在军事领域也得到了大量的应用。国外硅陀螺接口电路已经实现芯片集成化,相比PCB电路可以实现更小的体积,与敏感结构更好的匹配性,更高的可靠性和更好的电学特性,而国内还没有实现硅陀螺的芯片集成,因此开展硅陀螺芯片集成化接口电路的研究具有重要的研究意义和应用价值。高性能的硅陀螺芯片在研究中还存在以下关键问题:现有的驱动环路稳定性分析方法无法分析系统的动态特性,对系统稳定性的分析不够准确;现有的噪声分析方法不够完善,影响了陀螺噪声性能的提高;缺乏对数字接口电路中非线性的研究,会使硅陀螺输出中存在谐波失真;国内硅陀螺接口电路仍使用分立器件PCB集成,接口电路的芯片集成化亟需解决。为了解决上述问题,本文对硅陀螺接口电路驱动环路稳定性、噪声和非线性等关键技术开展以下研究:首先,本文介绍了硅陀螺自激驱动的原理,并对硅陀螺接口电路驱动环路的稳定性进行了研究,建立了硅陀螺接口电路驱动环路的线性...
【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】：117 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 硅陀螺传感器国内外研究现状
1.2.1 硅陀螺敏感结构国内外研究现状
1.2.2 硅陀螺接口电路国内外研究现状
1.2.3 硅陀螺及其接口电路研究现状总结
1.3 研究的目的和意义
1.4 论文主要研究内容
第2章 硅陀螺驱动原理及驱动稳定性研究
2.1 静电驱动电容式硅陀螺工作原理
2.1.1 哥氏力和硅陀螺力学运动原理
2.1.2 硅陀螺驱动原理
2.1.3 硅陀螺检测原理
2.2 硅陀螺驱动环路稳定性理论分析及环路模型建立
2.3 硅陀螺驱动环路模型仿真及分析
2.4 硅陀螺驱动环路稳定性模型实验验证
2.5 本章小结
第3章 硅陀螺数字接口电路噪声研究
3.1 数字闭环检测电路的噪声分析
3.1.1 硅陀螺机械噪声分析
3.1.2 数字闭环检测电路中电路噪声分析
3.1.3 数字闭环检测电路中量化噪声分析
3.2 包含噪声源和其他非理想因素的硅陀螺检测电路行为级模型
3.3 前级电路噪声和采样频率对量化噪声的影响
3.3.1 前级电路噪声对量化噪声的影响
3.3.2 采样频率对量化噪声的影响
3.4 数字检测电路的低噪声优化设计
3.5 本章小结
第4章 硅陀螺数字接口电路非线性研究
4.1 硅陀螺的非线性分析
4.1.1 CV转换中的非线性
4.1.2 电容的非线性
4.2 硅陀螺非线性对系统输出的影响分析
4.3 硅陀螺非线性理论分析及优化方法的实验验证
4.4 本章小结
第5章 硅陀螺数字接口ASIC设计与实现
5.1 硅陀螺接口ASIC整体设计
5.2 硅陀螺闭环自激驱动电路设计
5.2.1 闭环自激驱动电路整体设计
5.2.2 闭环自激驱动电路关键模块设计
5.3 硅陀螺闭环检测电路设计
5.3.1 闭环检测电路整体设计
5.3.2 闭环数字检测电路关键模块设计
5.3.3 温度补偿设计
5.4 接口ASIC电路仿真、版图设计及后仿真
5.5 本章小结
第6章 硅陀螺接口ASIC性能测试
6.1 硅陀螺接口电路芯片测试与分析
6.1.1 闭环自激驱动电路测试与分析
6.1.2 前级电荷放大器噪声测试与分析
6.1.3 检测电路中调制器的测试与分析
6.2 硅陀螺传感器系统测试与分析
6.2.1 刻度因子与线性度测试与分析
6.2.2 传感器零位稳定性测试与分析
6.2.3 传感器输出温度补偿测试与分析
6.2.4 传感器输出噪声测试与分析
6.3 硅陀螺及其接口ASIC测试结果分析
6.4 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它成果
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]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)
[5]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)
[6]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)
本文编号：3391083
【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】：117 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 硅陀螺传感器国内外研究现状
1.2.1 硅陀螺敏感结构国内外研究现状
1.2.2 硅陀螺接口电路国内外研究现状
1.2.3 硅陀螺及其接口电路研究现状总结
1.3 研究的目的和意义
1.4 论文主要研究内容
第2章 硅陀螺驱动原理及驱动稳定性研究
2.1 静电驱动电容式硅陀螺工作原理
2.1.1 哥氏力和硅陀螺力学运动原理
2.1.2 硅陀螺驱动原理
2.1.3 硅陀螺检测原理
2.2 硅陀螺驱动环路稳定性理论分析及环路模型建立
2.3 硅陀螺驱动环路模型仿真及分析
2.4 硅陀螺驱动环路稳定性模型实验验证
2.5 本章小结
第3章 硅陀螺数字接口电路噪声研究
3.1 数字闭环检测电路的噪声分析
3.1.1 硅陀螺机械噪声分析
3.1.2 数字闭环检测电路中电路噪声分析
3.1.3 数字闭环检测电路中量化噪声分析
3.2 包含噪声源和其他非理想因素的硅陀螺检测电路行为级模型
3.3 前级电路噪声和采样频率对量化噪声的影响
3.3.1 前级电路噪声对量化噪声的影响
3.3.2 采样频率对量化噪声的影响
3.4 数字检测电路的低噪声优化设计
3.5 本章小结
第4章 硅陀螺数字接口电路非线性研究
4.1 硅陀螺的非线性分析
4.1.1 CV转换中的非线性
4.1.2 电容的非线性
4.2 硅陀螺非线性对系统输出的影响分析
4.3 硅陀螺非线性理论分析及优化方法的实验验证
4.4 本章小结
第5章 硅陀螺数字接口ASIC设计与实现
5.1 硅陀螺接口ASIC整体设计
5.2 硅陀螺闭环自激驱动电路设计
5.2.1 闭环自激驱动电路整体设计
5.2.2 闭环自激驱动电路关键模块设计
5.3 硅陀螺闭环检测电路设计
5.3.1 闭环检测电路整体设计
5.3.2 闭环数字检测电路关键模块设计
5.3.3 温度补偿设计
5.4 接口ASIC电路仿真、版图设计及后仿真
5.5 本章小结
第6章 硅陀螺接口ASIC性能测试
6.1 硅陀螺接口电路芯片测试与分析
6.1.1 闭环自激驱动电路测试与分析
6.1.2 前级电荷放大器噪声测试与分析
6.1.3 检测电路中调制器的测试与分析
6.2 硅陀螺传感器系统测试与分析
6.2.1 刻度因子与线性度测试与分析
6.2.2 传感器零位稳定性测试与分析
6.2.3 传感器输出温度补偿测试与分析
6.2.4 传感器输出噪声测试与分析
6.3 硅陀螺及其接口ASIC测试结果分析
6.4 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它成果
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]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)
[5]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)
[6]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)
本文编号：3391083
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