基于锁相环原理的MEMS硅陀螺闭环驱动电路设计

发布时间：2017-07-28 12:02

  本文关键词：基于锁相环原理的MEMS硅陀螺闭环驱动电路设计

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【摘要】：硅陀螺仪已经在航天、军事以及民用方面展现了其巨大的价值。近年来,随着MEMS技术的日益发展成熟,MEMS硅陀螺仪已经成为研究领域的重点和热点。MEMS硅陀螺仪主要包括陀螺传感器和接口电路两部分,接口电路的性能对硅陀螺仪整体性能有非常重要的影响。本论文主要对MEMS硅陀螺闭环驱动电路进行研究,设计一种基于锁相原理的闭环驱动电路,实现闭环自激驱动,并对其相位噪声等性能进行分析优化。本论文首先分析静电驱动电容式硅陀螺工作原理,利用其动力学方程,建立驱动电路等效电学模型。对该驱动电路等效电学模型进行分析,通过仿真验证发现:驱动信号频率与等效硅陀螺传感器的RLC并联等效电学模型谐振频率相等时,得到的驱动检测敏感电流最大。硅陀螺在驱动方向发生谐振时,驱动电压与驱动方向的敏感电流的相位和频率完全一致,而锁相环技术可以实现对相位和频率的精确锁定。基于硅陀螺接口电路的以上特性和锁相原理,本课题设计了一种基于锁相原理的硅陀螺闭环驱动电路。主要设计内容包括:闭环驱动电路Matlab行为级设计仿真验证,晶体管级电路实现,以及锁相环电路部分版图级实现以及后仿真。通过仿真验证基于锁相原理的硅陀螺闭环驱动电路的可行性,以及对其建立时间、频率稳定性、相位噪声等性能的分析和改进。本论文主要的电路设计模块包括C-V转换电路,90°移相电路,三阶高增益运放,锁相环电路。通过C-V转换电路将陀螺检测敏感电流转换成电压信号,经过90°移相电路对信号进行相位和幅值调整,该信号作为锁相环电路输入参考信号,经过锁相锁频,输出同频同相的驱动控制信号对硅陀螺进行驱动,由于频率的一致性,驱动电路谐振,快速实现稳定自激振荡。通过仿真验证,该驱动电路在100ms后频率误差不超过1Hz,精确锁定在硅陀螺的谐振频率2.7739k Hz处。
【关键词】：硅微机械陀螺 闭环驱动电路 锁相环电路
【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】：2015
【分类号】：TN966
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源及背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-18
• 1.2.1 国外研究现状10-14
• 1.2.2 国内研究现状14-17
• 1.2.3 研究目的及意义17-18
• 1.3 本课题主要研究内容18-19
• 第2章 电容式硅微机械陀螺工作原理19-28
• 2.1 科里奥利原理19-21
• 2.2 微机械陀螺传感器结构及原理21-23
• 2.3 电容式微机械陀螺静电驱动分析23-24
• 2.4 驱动模态动力学分析24-25
• 2.5 自激驱动工作原理25-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 微机械陀螺模型的建立及行为级仿真验证分析28-38
• 3.1 微机械陀螺驱动模态等效电学模型28-31
• 3.2 等效电学模型仿真验证31-32
• 3.3 闭环驱动电路Matlab行为级建模及仿真验证分析32-37
• 3.3.1 电荷泵锁相环的线性模型以及环路参数确定32-34
• 3.3.2 Matlab建模及行为级仿真验证34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 硅微机械陀螺闭环驱动电路设计与分析38-60
• 4.1 基于锁相原理的闭环驱动电路38-39
• 4.2 C-V转换电路设计39
• 4.3 移相电路设计39-40
• 4.4 比较器设计40-42
• 4.5 锁相电路设计42-52
• 4.5.1 鉴频鉴相器设计42-44
• 4.5.2 电荷泵以及环路滤波设计44-46
• 4.5.3 压控振荡器设计46-50
• 4.5.4 分频电路设计50-52
• 4.6 运算放大器设计52-54
• 4.7 完整闭环驱动电路仿真验证54-56
• 4.8 锁相环电路版图设计及后仿真56-58
• 4.9 本章小结58-60
• 结论60-61
• 参考文献61-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 高雁;施文康;吉小军;;微型振动陀螺仪驱动电路的设计与优化[J];传感技术学报;2007年04期

2 邱奕文;吴昌聚;王昊;金仲和;王跃林;;振动式微机械陀螺驱动环路数字自动增益控制研究[J];传感技术学报;2008年08期

3 赵正平;;典型MEMS和可穿戴传感技术的新发展[J];微纳电子技术;2015年01期

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本文编号：583918