转子式陀螺仪信号处理技术研究

发布时间：2017-09-08 18:46

  本文关键词：转子式陀螺仪信号处理技术研究

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【摘要】：球碟转子式陀螺仪输出的信号具有信号微弱,噪声干扰大,有效信号频带内的噪声高等特点。为了优化具有这些特点的球碟转子式陀螺仪信号,本文设计了针对本文研究的球碟转子式陀螺仪而进行优化的开关解调电路,也设计了经典滤波器与现代滤波器相结合的新型级联数字滤波器。本文结合了硬件信号处理与数字信号处理的双重优点,以级联的方式来满足对于球碟转子式陀螺仪的信号的高性能和高灵敏度的处理要求。在硬件信号处理部分,为了将球碟转子式陀螺仪的电容的变化量转化为电压变化量,本文首先设计了电荷放大器和后级的差分放大器。这两者的级联使得球碟转子式陀螺仪输出的电荷信号转化为了电压信号。最后为了提高系统的性能,本文设计了无衰减信号移相器、精密参考源和电压基准源,也运用了高精密电阻电容、阻抗匹配等等。这些技术的应用大大优化了传统经典开关解调电路的架构,提升了系统的性能。为了方便后级的数字信号处理和满足信号处理高精度和高速度的要求,本文设计了高精度的高速的AD转换电路。采用AD7655作为AD转换部分的芯片,设了AD转换电路,搭建了实际的AD采样电路板,最终实现了5KHz的转换速率和16位的高精度。在数字信号处理部分,本文设计了12阶巴特沃斯低通滤波器、1000级滑窗平均值滤波器、多传感器融合卡尔曼滤波算法。经过算法的实际验证和性能的评估,本文发现1000级滑窗平均值滤波器表现出了更高的信噪比。而且多传感器卡尔曼滤波器在提高信号稳定性方面更胜一筹。在数字信号处理领域,DSP处理器有着独有的优势,具有浮点数运算速率快、效率高的优点。因此本文采用DSP处理器在数字信号处理环节对信号进行了优化和性能提升。使得信噪比由原来的8.92提升为192,而这部分对于实际的应用有着深渊的意义。最终,本文实现了高灵敏度(8.9V/pF)和高性能(THD=0.4%)的信号处理系统。
【关键词】：陀螺仪 开关解调 信号处理 数字信号处理
【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】：TN911.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 国外研究发展现状9-10
• 1.2.2 国内研究发展现状10-13
• 1.3 本课题的目的及意义13
• 1.4 课题的主要工作13-15
• 第2章 转子式陀螺仪的工作原理15-22
• 2.1 转子式陀螺仪的工作原理15-18
• 2.2 系统整体原理18
• 2.3 相敏解调原理18-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 转子式陀螺仪信号检测电路的硬件设计22-41
• 3.1 信号检测电路的系统设计22-23
• 3.2 前级电荷转换和信号放大器的设计23-28
• 3.2.1 电荷放大器的设计23-26
• 3.2.2 二阶高通滤波器器的设计26-27
• 3.2.3 二阶低通滤波器的设计27-28
• 3.3 开关解调电路的设计28-34
• 3.3.1 高精度载波电路的设计28-32
• 3.3.2 高精度开关解调电路的设计32-34
• 3.3.3 实际的开关解调电路板34
• 3.4 开关相敏解调电路的改进与优化34-39
• 3.4.1 移相电路的设计34-35
• 3.4.2 低噪声运放放大电路设计35-36
• 3.4.3 高精度电压基准源电路设计36-37
• 3.4.4 低纹波电源电路的设计37
• 3.4.5 低温漂电阻和电容的运用37-38
• 3.4.6 PCB电路的优化设计38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 转子式陀螺仪信号的数字信号处理41-53
• 4.1 AD高速数据采集系统的设计41-42
• 4.2 数字信号处理滤波算法研究42-47
• 4.2.1 滑窗平均值滤波器的设计43
• 4.2.2 192级滑窗平均值数字低通滤波器的设计和验证43-46
• 4.2.3 1000级滑窗平均值数字低通滤波器的设计和验证46-47
• 4.3 巴特沃斯低通数字滤波器的设计47-51
• 4.3.1 2 阶巴特沃斯低通滤波器的设计和验证47-50
• 4.3.2 12阶巴特沃斯低通滤波器的设计和验证50-51
• 4.4 卡尔曼多传感器融合滤波算法的设计51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 转子式陀螺仪信号处理系统的测试与分析53-59
• 5.1 功能的验证53-55
• 5.1.1 陀螺仪的稳态分析53-54
• 5.1.2 陀螺仪的动态分析54-55
• 5.2 检测电路硬件部分的性能的评估55-57
• 5.2.1 信号检测电路的灵敏度55-56
• 5.2.2 陀螺仪的标度因数56
• 5.2.3 信号采集性能的SFDR(无杂散动态范围)56
• 5.2.4 信号采集性能的SNDR(信噪失真比)56
• 5.2.5 信号采集性能的THD(总谐波失真)56-57
• 5.3 后级的数字滤波器的性能的评估57
• 5.4 本章小结57-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文64-66
• 致谢66

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本文编号：815707