转子式微陀螺ASIC接口检测电路设计

发布时间：2017-09-03 08:39

  本文关键词：转子式微陀螺ASIC接口检测电路设计

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【摘要】：随着惯性器件的发展,陀螺仪在各个领域尤其是军用领域和民用领域里扮演了越来越重要的角色,因此也驱动了各个科研机构对陀螺仪的研发改进和性能的完善以满足陀螺仪对不同环境的适应性。哈工大MEMS中心提出了一种新型的球碟转子式陀螺结构,其基本原理是通过对差分电容随外界变化而变化的检测从而确定角速度等物理量,检测电路的性能决定最终输出结果的精度,所以检测电路对于整个系统的重要性不言而喻。本论文首先对陀螺系统的原理进行综述,详细介绍检测电路的工作原理,重点对整体系统进行模块划分,深入了解球碟-转子式陀螺驱动电路和检测电路各个模块的工作原理与设计要求,具体完成球碟-转子式陀螺检测电路的各个功能模块的设计。检测电路包括正弦发生器,高频调制器,开关相敏解调电路,具有放大功能的有源低通滤波器,无源低通滤波器等。具体设计思路为通过高频载波发生器产生的高频载波对陀螺进行驱动,经过电荷放大器转换为电压信号,然后对信号二级放大防止噪声对信号的影响。输出信号经过反相比例放大器反相得到差分信号,利用开关相敏解调器对信号进行解调,然后对解调出的信号进行低通滤波滤除噪声和高频载波得到输出电位。根据指标要求对电路基本结构进行设计,电路基本结构确定后利用Candence仿真软件对电路结构的参数指标进行验证,综合电路的各个指标要求实现各个模块的基本功能。通过系统整体信号输出和性能指标要求可以得到检测电路的电容分辨率。对输出信号进行线性拟合并对数据进行处理可以得到刻度因数和非线性因数。对输出高频载波进行傅立叶频谱分析得到谐波失真相关指标。对不同温度下电路的刻度因数的分析得到温度系数。对各个模块进行优化处理并基于0.35μm CMOS工艺完成系统整体的版图绘制,并对系统整体进行后仿验证分析和完善。通过对电路的设计和完善,最终设计出的高频载波发生器的频率为200kHz,起振时间为8.77ms,振幅为7.36V,谐波失真为-110dB,高增益多级运算放大器的增益为115.29dB,相位裕度为80.93°,带宽为3.3MHz,电容相对分辨率为4.5×10-9pf,非线性因子为5×10-5,检测电容范围是4.5×10-8pf到5×10-2pf,温度系数为67ppm/℃,各个模块参数满足性能指标。
【关键词】：球碟-转子式陀螺 电荷放大 电容检测 差分电容 线性化处理
【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;TN402
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 静电悬浮转子式微陀螺10-13
• 1.2.2 磁悬浮转子式陀螺13-16
• 1.3 研究目的和意义16-17
• 1.4 本课题研究内容17-18
• 第2章 球碟转子式陀螺系统结构及其原理18-23
• 2.1 球碟转子式陀螺的工作原理18-19
• 2.2 微转子陀螺电容检测工作原理19-22
• 2.2.1 检测方向偏转位移分析19-21
• 2.2.2 高频信号调制原理21-22
• 2.2.3 检测电路原理22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 球碟微转子陀螺检测电路设计23-52
• 3.1 基于文氏桥电路的正弦信号发生器23-29
• 3.1.1 文氏桥电路的原理23-24
• 3.1.2 文氏桥电路结构24-25
• 3.1.3 产生自激振荡的原理25-26
• 3.1.4 振荡的建立和稳定26-27
• 3.1.5 正弦信号发生器电路设计27-29
• 3.2 自举基准偏置电路的设计29-35
• 3.2.1 基准源的基本原理30-33
• 3.2.2 基准源的电路结构设计33-35
• 3.3 高性能运算放大器的设计35-39
• 3.3.1 运放的重要参数35
• 3.3.2 米勒补偿35-37
• 3.3.3 运算放大器的结构和仿真37-39
• 3.4 高频载波信号产生电路的设计39-42
• 3.4.1 比较器的电路原理39
• 3.4.2 比较器的特性39-41
• 3.4.3 高频载波信号产生电路的设计和仿真41-42
• 3.5 接口电路干路的设计和仿真验证42-51
• 3.5.1 前级电荷放大器与差分放大电路的设计43-45
• 3.5.2 带增益的低通滤波器的电路设计和仿真验证45-47
• 3.5.3 开关相敏解调电路的设计47-48
• 3.5.4 完整检测接口电路仿真验证48-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第4章 检测电路版图设计与后仿验证52-56
• 4.1 检测电路整体版图设计52-53
• 4.2 检测电路版图后仿与分析53-55
• 4.2.1 高频载波发生器后仿结果53
• 4.2.2 检测电路系统非线性后仿结果53-55
• 4.3 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-62
• 致谢62

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本文编号：784005