基于FPGA的微陀螺仪驱动与检测电路设计研究

发布时间：2017-09-09 01:02

  本文关键词：基于FPGA的微陀螺仪驱动与检测电路设计研究

  更多相关文章： 微机械陀螺 FPGA 自动增益控制 闭环驱动 数字处理系统

【摘要】：微机械陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易数字化及可批量生产等诸多优点,在航空航天、武器装备、汽车工业、医疗仪器等领域具有广泛的应用前景。一个微陀螺仪系统要能正常工作,除了要有性能卓越的敏感元件作为核心器件外,陀螺的驱动电路和信号检测电路也是必不可少的部分。本文以本课题组自主研发设计的线振动式微机械陀螺为研究对象,以提高微机械陀螺的性能和减小微机械陀螺体积为目标,以微机械陀螺仪数字化测控电路可ASIC化为出发点,开展了微机械陀螺仪数字化测控电路的设计与研究。主要包括:模拟接口电路的设计研究、数字化闭环驱动电路的设计研究以及角速度检测电路的设计研究。论文对微机械陀螺仪数字化测控电路的总体方案进行了分析讨论,通过比较分析模拟测控技术与数字测控技术之间的优缺点,选择了有诸多优点的数字测控技术对陀螺驱动检测模态进行设计研究,并设计了陀螺数字化测控系统总体方案。采用环形二极管电路完成信号的C/V转换,并利用电压跟随器和反相器设计了驱动输入接口电路。为了选取合适的ADC和DAC,分析计算了微机械陀螺仪数字化测控电路的采样频率和量化位数。并对微机械陀螺系统的数字化设计方案进行了设计研究。论文对微机械陀螺仪数字化闭环驱动电路进行了设计与研究。本文采用自激振荡+AGC的方式实现了陀螺数字化闭环驱动电路。对在闭环驱动电路中起关键作用的AGC(自动增益控制)算法进行了改进,提高了算法的控制精度。利用CORDIC算法获得了电容检测时所需的载波信号。并介绍了数字闭环驱动电路中带通滤波器和相移等模块的实现过程。论文对微机械陀螺数字化检测电路进行了分析和设计,对数字化检测电路中的角速度解调模块进行了设计优化,有效提高了角速度检测信号的稳定性。对数字化检测电路中的低通滤波器进行设计,详细论述了如何利用FIR进行低通滤波器的设计。根据设计的陀螺模拟接口电路加工了模拟接口电路测试PCB板,并将设计的数字化驱动与检测硬件电路程序代码加载到FPGA开发板中。对设计好的微机械陀螺仪数字化测控电路进行了实验测试,检测到了正确的信号,实验表明设计的数字化驱动与检测电路满足陀螺正常工作的基本要求。微机械陀螺仪数字化测控电路的实现对提高陀螺性能(如稳定性、精度等),减小陀螺体积,降低陀螺功耗有着重要的意义。
【关键词】：微机械陀螺 FPGA 自动增益控制 闭环驱动 数字处理系统
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V241.5
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 微机械陀螺测控电路的研究现状13-24
• 1.2.1 微机械陀螺测控电路的国外研究现状13-21
• 1.2.2 微机械陀螺测控电路的国内研究现状21-24
• 1.3 本文研究内容及意义24-26
• 第2章 微机械陀螺仪基本原理与总体方案设计26-52
• 2.1 微机械陀螺仪的基本原理26-39
• 2.1.1 哥氏效应26-28
• 2.1.2 微机械陀螺动力学分析28-34
• 2.1.3 静电驱动原理34-36
• 2.1.4 电容检测原理36-37
• 2.1.5 微机械陀螺封装37-39
• 2.2 微机械陀螺数字化总体方案39-42
• 2.3 模拟接口电路的设计42-48
• 2.3.1 C/V转换电路42-44
• 2.3.2 驱动输入接口电路的设计44-45
• 2.3.3 ADC和DAC的设计45-48
• 2.4 微机械陀螺数字信号处理系统总体方案48-50
• 2.5 本章小结50-52
• 第3章 数字化闭环驱动电路的设计52-74
• 3.1 自激振荡与AGC的设计52-58
• 3.1.1 自激振荡环路分析52-55
• 3.1.2 数字AGC算法的介绍55-56
• 3.1.3 数字AGC算法的改进56-58
• 3.2 FIR带通滤波器的实现58-62
• 3.2.1 FIR滤波器原理58-59
• 3.2.2 设计要求和滤波参数选取59-62
• 3.3 相移模块的设计62-68
• 3.4 载波产生及载波解调的实现68-73
• 3.4.1 CORDIC算法介绍68-71
• 3.4.2 载波产生和载波解调模块的设计71-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第4章 数字化检测电路的设计74-82
• 4.1 角速度解调电路的设计74-76
• 4.2 FIR低通滤波器的实现76-81
• 4.2.1 窗函数的选择77-78
• 4.2.2 设计过程78-81
• 4.3 本章小结81-82
• 第5章 数字化驱动与检测电路的测试及分析82-86
• 5.1 陀螺数字系统的测试82-85
• 5.2 本章小结85-86
• 第6章 总结与展望86-89
• 6.1 总结86-87
• 6.2 展望87-89
• 参考文献89-94
• 附录94-104
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单104-105
• 致谢105-106

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本文编号：817363