高精度电容式数字化微机械加速度计系统的研究与设计

发布时间：2016-11-23 13:25

  本文关键词：高精度电容式微机械加速度计系统的研究与设计，，由笔耕文化传播整理发布。

《浙江大学》 2011年

高精度电容式数字化微机械加速度计系统的研究与设计

张斌  

【摘要】：微机械加速度计由微机械加速度传感器与外围检测电路两部分组成。微机械加速度传感器是微机械加速度计最核心的部分,对加速度计的性能起着关键作用。微机械加速度传感器是用来测量线加速度惯性传感器件,可以应用于惯性力、倾斜角、振动及冲击等惯性参数的测量。微机械加速度计在惯性制导、汽车、消费电子、、地质等方面有着非常广泛的应用前景。 电容检测式微机械加速度计具有较高的灵敏度、较好的线性度和以及较好的稳定性,因此在多种检测形式的加速度计中备受关注。电容检测式微机械加速度计包括电容式微机械传感芯片以及电容检测电路,在微机械传感器确定的基础上,电容检测电路的性能就直接决定了加速度计系统的最终输出性能。本文针对变面积电容检测式微机械加速度传感器,设计了高精度、大量程的单路载波调制型检测电路,同时为了更好的了解整个系统的工作过程,本文也简要分析了加速度传感器的参数设计对整个系统灵敏度、分辨率等性能指标的影响。本文主要围绕着提高微机械加速度计系统的分辨率、扩大其量程以及改善其稳定性这些研究内容,为高精度、大量程的电容式微机械加速度传感器以及外围电容检测电路的合理设计、参数优化提供了理论依据以及相应的实际经验,对其今后的实用化、工程化具有一定参考意义。 本论文主要工作包括以下内容： (1)针对高精度、大量程的电容式微机械加速度计,设计了电容检测电路。通过对加速度计系统的整体与各个组成部分的噪声性能的分析,提出了将系统增益前移,选择更优的低噪声芯片,将模拟带通滤波器改为数字带通滤波器等方法,提高了系统的分辨率。通过对加速度计系统的整体与各个组成部分对量程限制的分析,并根据使用过程中,在较大加速度输入时,分辨率可以适当降低的实际情况,设计了量程分档的电路方案,既可以保证加速度计系统拥有大量程,也可以保证加速度计系统在相对较小加速度输入的情况下拥有很高的分辨率。 (2)针对加速度计系统受温度影响较大的特点,为提高加速度计系统的稳定性与精度,提出了两种改善加速度计系统温度稳定性的方法,一种是采用软件的方法在FPGA内对加速度计系统的进行实时补偿；另一种是制作高精度的控温装置,对加速度传感器进行严格的温度控制。针对上述两种方法都需要温度采集电路,为了获得更高精度的加速度计系统,本文选择了分辨率高的温度采集电路。另外针对速度计系统的处理电路的温度特性,提出了对加速度计系统的处理电路进行温度补偿的一种新方法。 (3)针对各种改善方案,对加速度计系统的各个指标进行测量。测试表明,本设计的开环加速度计系统的分辨率为0.70μg/√Hz,并且在较佳的温度稳定性的情况下,对该设计的加速度计系统的零偏稳定性进行测试,1.5小时内的零漂约为20μg,10分钟的零漂约为14μg。采用实时温度补偿的方法,对加速度计系统进行温度补偿,在加速度计系统温度特性拟合曲线与实际所测的数据吻合性较好以及自身的温度系数相对较小的情况下,在25℃-60℃的测试温度范围内加速度计系统的零偏波动由补偿前30.5mg变为补偿后的0.91mg。另外通过测量证明了对加速度计系统进行温度控制方案的可行性以及对加速度计处理电路的温度补偿的必要性。

【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH824.4
【目录】：

摘要5-7

ABSTRACT7-11

第1章 绪论11-25

1.1 MEMS加速度计概述11-16

1.1.1 MEMS加速度计的分类11-13

1.1.2 MEMS加速度传感器基本工作原理13-16

1.2 电容检测式微机械加速度计16-19

1.2.1 变间距式电容微机械加速度传感器16-18

1.2.2 变面积式电容微机械加速度传感器18-19

1.3 微机械加速度计的研究现状19-23

1.4 本论文的主要内容和研究意义23-25

第2章 高精度电容式微机械加速度计系统设计25-58

2.1 数字式电容检测加速度计系统原理与组成25-28

2.2 数字载波的产生28-33

2.2.1 数字载波属性的选择28-30

2.2.2 CORDIC算法的原理与结构30-33

2.2.3 数字载波的性能33

2.3 数模转换接口33-36

2.3.1 数模转换接口的结构33-34

2.3.2 数模转换接口的噪声性能分析34-36

2.4 前级滤波放大模块36-38

2.4.1 前级滤波放大模块的电路结构36-37

2.4.2 前级滤波放大模块的噪声性能37-38

2.5 电容式微机械加速度传感器38-41

2.5.1 加速度传感器结构38-40

2.5.2 加速度传感器的机械热噪声40-41

2.6 差分放大模块41-46

2.6.1 差分放大模块的电路结构41-44

2.6.2 差分放大模块的噪声性能分析44-46

2.7 模数转换接口46-50

2.7.1 模数转换电路的工作原理46-47

2.7.2 模数转换电路的模拟部分噪声分析47-48

2.7.3 模数转换的量化噪声分析48-49

2.7.4 过采样49-50

2.8 解调模块50-51

2.9 自动相位控制系统51-54

2.10 加速度计系统整体噪声特性分析54-55

2.11 加速度计系统量程分析55-58

第3章 高精度微机械加速度计系统温度稳定性分析58-75

3.1 加速度计系统温度稳定性的分析58-61

3.2 改善加速度计系统温度稳定性的方法61-75

3.2.1 实时温度补偿61-64

3.2.2 高精度温度传感装置64-67

3.2.3 处理电路的温度补偿67-75

第4章 高精度电容式微机械加速度计系统测试75-88

4.1 噪声性能测试75-82

4.2 稳定性测试82-83

4.3 温度特性测试83-88

4.3.1 温度补偿测试83-87

4.3.2 高精度温度控制下的加速度计系统测试87-88

第5章 总结与展望88-91

参考文献91-96

作者简历及在学期间所取得的科研成果96-97

致谢97

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