闭环叉指式电容微机械加速度计动态性能研究及优化

发布时间：2017-12-01 20:08

  本文关键词：闭环叉指式电容微机械加速度计动态性能研究及优化

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【摘要】：MEMS (Micoelectromechanical system)加速度计以其优越的性能和应用价值而被各国科学研究机构、各国高校和公司视为重点研究对象。MEMS加速度计在汽车安全气囊、地震监测仪、手机、游戏机等消费领域有广泛的应用。在一些应用中,加速度传感器检测系统中过大的超调量会导致系统的误动作。例如,汽车安全气囊系统中加速度传感器检测系统中过大的超调量会导致安全气囊在错误的时刻打开。因此,对MEMS加速度计动态性能的研究与优化是非常必要的。目前数字电路以其抗干扰能力强,精度高等优点成为了主要的研究热点,而模数转换器是数字电路设计的关键部分,相对于传统Nyquist模数转换器,Sigma-Delta模数转换器在消耗更少硬件资源的同时却获得了更高的精度,将Sigma-Delta技术与二阶微加速度结构相结合可以提高微加速度计的噪声整形能力,从而提高闭环微加速度计系统的精度。因此高阶Sigma-Delta微加速度计的研究具有重要的研究意义。本文基于叉指式电容微加速度计闭环检测电路,提出了一种改善闭环电容式微机械加速度计动态性能的比例积分(Proportional-Integral, PI)补偿模块。与此同时,设计了一种3阶反馈数字Sigma-Delta调制器来实现数字信号与模拟信号的转换。本文主要的研究工作和成果如下：(1)分析了闭环电容式微机械加速度计的工作原理,利用MATLAB的Simulink工具搭建了闭环电容式微机械加速度计的模型。通过仿真研究了不同的比例系数P及积分系数I对闭环加速度计动态性能的影响,分析了PI模块对闭环电容式微机械加速度计阻尼比和固有谐振频率的影响,实验结果与仿真结果相吻合。(2)根据仿真模型搭建PCB检测电路,分析寄生电容、寄生电阻等因素对零偏产生的影响,并提出了采用并联可调电容的方法修正零偏。实验结果表明并联可调电容可将零偏从62.15mV减小到0.5mV。(3)设计数字Sigma-Delta调制器以实现数字信号与模拟信号的转换。利用MATLAB和Modelsim联合仿真对所设计的数字Sigma-Delta调制器进行综合仿真验证,数字电路仿真结果与MATLAB仿真结果相吻合。(4)设计五阶Sigma-Delta微加速度计,提高闭环微加速度计的噪声整形能力。仿真结果表明输入500Hz的正弦波加速度信号时,叉指式电容微加速度计闭环输出信噪比为74.0dB,有效位数为12.0;5阶Sigma-Delta微加速度计闭环输出信噪比为84.8dB,有效位数为13.8。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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2 杜松杰;苑伟政;陈方;常洪龙;;基于∑-△M的五阶MFLR数字微加速度计闭环控制系统[J];传感器与微系统;2014年12期

3 代广珍;徐太龙;孟坚;徐会芳;徐超;陈军宁;;改进的一阶1 bit Sigma-Delta调制器研究[J];计算机应用研究;2014年07期

4 刘恒;何晓平;杜连明;刘清`，

本文编号：1242280