转子式微陀螺的开关电容检测电路设计

发布时间：2017-06-07 23:01

  本文关键词：转子式微陀螺的开关电容检测电路设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微机电系统(MEMS)的发展,作为微机电系统的一个主要产品分支——陀螺仪逐渐被大家所熟知。由于陀螺仪可以广泛的应用在军事、民事领域当中,人们对于它的精度要求也越来越苛刻。传统的磁悬浮转子式微陀螺、静电悬浮式陀螺因其精度不够高、涡流效应产生发热问题、加工成本高、静电支撑所需电压过高等缺点而不再成为主流。哈尔滨工业大学MEMS中心提出了一种全新的球-碟转子式微陀螺结构,可以有效的避免上述问题。完整的微陀螺系统是由机械和电学两部分共同组成,机械部分是指陀螺的表头部分,电学部分主要就是检测电路部分。本论文基于哈工大MEMS中心提出的全新陀螺结构,进行了检测电路的分析和设计,通过检测结构部分等效电容的微弱变化,转换为电信号再经模数转换电路实现数字输出。本论文首先对球-碟转子式微陀螺的工作原理、检测原理、检测方式进行了分析,通过对比各种检测方式来设计选择合适的电路拓扑结构。所设计的检测电路主要由两部分构成,前级的开关电容检测电路和模数转换电路,本文设计的前级开关电容检测电路模块部分主要包括电荷敏感放大器、次级放大器、相关双采样电路、低通滤波电路。通过仿真可以得到相对电容分辨率为5.12x10-8,非线性在100ppm左右,标度因子为39.86mV/ff,标度因子温度系数为92.08ppm/C。并采用了一个三阶单环一位量化调制器将前级检测电路的模拟输出进行数字化转换。调制器采用全差分开关电容电路的方式实现,采样时钟频率是100KHz,对调制器的各个模块进行分析和设计,主要的模块有积分器运算放大器、锁存器、比较器、时钟产生电路。调制器的输入信号带宽为30Hz,输入信号频率为16Hz,幅度为-8dBFS,信噪比为99dB,1Hz动态范围约为120dB,整体电路功耗为11.856mW。然后对整体开关电容检测电路进行版图绘制和后仿真,可以得到标度因子温度系数为95.12ppm/C,非线性可以达到200ppm左右,相对电容分辨率为5.89x10-8。调制器与前仿真条件相同,信噪比为95dB,1Hz动态范围为120dB。
【关键词】：转子式微陀螺 开关电容 相对电容分辨率 调制器
【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】：2016
【分类号】：TN96;TH-39
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 磁悬浮转子式微陀螺研究现状10-12
• 1.2.2 静电悬浮转子式微陀螺研究现状12-13
• 1.3 电容检测技术研究现状13-17
• 1.4 研究的目的和意义17-18
• 1.5 主要研究内容18-19
• 第2章 转子式微陀螺理论基础19-31
• 2.1 球-碟转子式陀螺的工作原理19-20
• 2.2 转子式微陀螺的电容检测原理20-21
• 2.3 转子式微陀螺的微弱信号检测方法21-23
• 2.3.1 相关双采样技术22-23
• 2.4 整体开关电容检测电路结构设计23-24
• 2.5 Sigma-delta调制原理24-29
• 2.5.1 过采样24-26
• 2.5.2 噪声整形26
• 2.5.3 一阶调制器26-28
• 2.5.4 二阶调制器28-29
• 2.6 调制器结构的选择29-30
• 2.6.1 前馈结构29
• 2.6.2 反馈结构29-30
• 2.7 本章小结30-31
• 第3章 开关电容检测电路的非理想特性分析31-41
• 3.1 开关电容检测电路的噪声分析31-33
• 3.1.1 运算放大器噪声31-32
• 3.1.2 参考电压噪声32
• 3.1.3 积分噪声32-33
• 3.2 开关电容电路的非理想特性33-36
• 3.2.1 沟道电荷注入33-34
• 3.2.2 时钟馈通效应34-35
• 3.2.3 消除或减少电荷注入和时钟馈通的方法35-36
• 3.3 电容失配现象36-37
• 3.4 开关的有限电阻37-38
• 3.5 积分器泄露38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 整体开关电容检测电路的设计与分析41-58
• 4.1 前级开关电容检测电路设计41-47
• 4.1.1 电荷检测运算放大器的设计41-44
• 4.1.2 相关双采样电路的设计44
• 4.1.3 二级低通滤波器的设计44-45
• 4.1.4 前级开关电容检测电路整体仿真45-47
• 4.2 调制器电路的设计47-57
• 4.2.1 调制器系统级设计48-49
• 4.2.2 运放的分析和选择49-51
• 4.2.3 积分器运算放大器的设计51-53
• 4.2.4 共模反馈电路53-54
• 4.2.5 偏置电路54
• 4.2.6 调制器时钟产生电路54-55
• 4.2.7 一位量化器55-56
• 4.2.8 调制器电路整体仿真结果56-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第5章 整体开关电容检测电路的版图设计与后仿真58-62
• 5.1 版图设计规则58
• 5.2 前级开关电容检测电路版图设计与后仿真58-59
• 5.3 调制器版图设计与后仿真59-61
• 5.4 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-70
• 致谢70

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