硅微谐振式加速度计闭环振荡系统稳定性研究

发布时间：2017-08-07 22:12

  本文关键词：硅微谐振式加速度计闭环振荡系统稳定性研究

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【摘要】：硅微谐振式加速度计是一种基于MEMS技术的新型微惯性器件,它具有体积小、功耗低、灵敏度高、测量动态范围大等特点,是一种适用于高精度导航系统的加速度计,具有广泛的应用前景。然而对比国内外研究现状可以发现,目前国内研制的硅微谐振式加速度计在稳定性指标上仍与国外领先水平存在一定差距。为此本文围绕硅微谐振式加速度计振荡电路稳定性展开研究工作,主要包括加速度计机电接口建模、基于非线性控制的闭环振荡电路幅度控制方法、振荡器相位稳定性分析和电路设计等内容。首先,分析了硅微谐振式加速度计的工作原理,阐述了加速度计的信号转化机制,推导了谐振器的等效电路参数。在分析了寄生电容对加速度计的影响的基础上,使用环形二极管接口电路来代替传统的跨阻式接口电路,对接口电路进行改进。在此基础上,完成了基于Cadence软件的加速度计机电接口等效模型的建立,实现加速度计和振荡电路的闭环仿真。其次,研究了基于非线性控制理论的闭环振荡幅度控制方法,分析了影响幅值的主要因素,针对位移控制的新型接口电路,建立整个振荡电路关于幅度的闭环控制模型。研究了基于自动增益控制原理的幅度控制具体实现方法,并分析其对幅度噪声的影响。第三,阐述了电噪声对载波信号相位干扰的机理,分析了由振荡器中线性和非线性两方面因素导致的相位噪声,并通过实验验证了接口噪声和谐振器振幅对相位噪声的影响,进一步指导振荡电路的设计。最后,在上述研究内容的基础上,完成硅微谐振式加速度计振荡电路的优化设计,并根据IEEE加速度计测试标准对加速度计整表进行了综合性能测试。测试结果表明,整表的1σ零偏稳定性达到51.2μg,标度因数稳定性达到28.2ppm,零偏不稳定性为4.8μg,100Hz带宽内加速度计的分辨率为15.9μg/Hz1/2。综合性能测试获取了加速度计整表的性能参数,为后续的设计改进提供了依据。
【关键词】：硅微谐振式加速度计 非线性 幅度控制 相位噪声
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 硅微谐振式加速度计研究背景概述10-11
• 1.2 硅微谐振式加速度计国内外研究概述11-14
• 1.3 硅微谐振式加速度计机电接口模型的研究概况14-15
• 1.4 硅微谐振式加速度计机测控电路的研究概况15-17
• 1.5 论文主要内容17-18
• 2 硅微谐振式加速度计机电接口建模18-32
• 2.1 谐振式加速度计工作原理18-20
• 2.1.1 机械敏感结构的基本原理18-19
• 2.1.2 静电驱动19-20
• 2.2 谐振器等效电路分析20-23
• 2.3 寄生效应的影响23-27
• 2.4 加速度计接口电路的改进27-29
• 2.5 基于Cadence的加速度计机电建模29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 闭环振荡电路幅度控制理论的研究32-45
• 3.1 振幅扰动因素32
• 3.2 振幅非线性对谐振频率的影响32-34
• 3.3 控制设计概况34-35
• 3.4 幅度控制35-44
• 3.4.1 幅度的传递函数35-39
• 3.4.2 PI控制器的设计39-43
• 3.4.3 开环系统的整体设计43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 4 硅微谐振式加速度计振荡电路的相位噪声研究45-56
• 4.1 噪声对载波信号的相位干扰45-48
• 4.2 相位噪声的表征48-49
• 4.3 线性相位噪声49-52
• 4.4 非线性相位噪声52-54
• 4.5 相位噪声性能试验54
• 4.6 本章小结54-56
• 5 电路仿真和加速度计整表性能实验56-68
• 5.1 电路设计与仿真56-61
• 5.1.1 移相电路的优化56-58
• 5.1.2 振荡电路与加速度计的联合仿真58-61
• 5.2 测试设备与仪器61
• 5.3 硅微谐振式加速度计整表性能测试61-67
• 5.3.1 标度因数测试61-64
• 5.3.2 ±1g范围的线性度64
• 5.3.3 1g稳定性64-65
• 5.3.4 零偏稳定性65
• 5.3.5 阈值65-66
• 5.3.6 测试结果汇总66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 6 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-74

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