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高信噪比电容式微机械陀螺的研究

作　者: 李锦明
导　师: 张文栋；Suk Han Lee
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 微机械陀螺相位敏感解调闭环驱动性能测试
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 702次
引　用: 16次
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内容摘要

本文对基于MEMS技术的高信噪比电容式微机械陀螺进行了系统研究,完成了微机械陀螺的结构设计,对信号处理方法进行了深入分析,提出新的信号解调算法并设计了相应的接口电路,完成了关键性能参数测试,具体内容如下:1.对微机械陀螺的研究现状进行了概述,分析了当前微机械陀螺存在的技术难点,对需要进一步研究的内容作了说明。2设计出了一种具有解耦结构、差分检测的电容式微机械陀螺,可有效抑制共模噪声。简单介绍了微机械陀螺的加工工艺。3.针对真空封装电容式微机械陀螺的振动品质因子会发生长时间漂移的现象,提出了三种自动增益控制的闭环驱动方法(直流自动增益控制方法、直流-交流自动增益控制、交流自动增益控制的方法),并对其进行了仿真、分析和对比。4.通过分析电容式微机械陀螺信号解调中相移的变化以及寄生电容干扰引起陀螺长期漂移的难题,提出了一种高信噪比的差分解调算法,可有效抑制寄生电容的干扰,并采用Simulink对该方法进行了仿真。5.根据文中提出的高信噪比解调方法进行了相关电路的设计和仿真。电路设计主要包括低噪声前置放大电路、高通滤波电路、限幅电路、AGC自动增益控制电路以及角速率解调电路。其中,改进的前置C/V转换电路,有效抑制了噪声、降低了反馈电阻的阻值,易实现ASIC集成;采用差分相位敏感解调方法设计出的角速率解调电路,有效抑制了寄生电容的干扰。6.采用上述电路对陀螺关键性能参数进行了测试。测试的内容有:振动品质因子、分辨率、带宽、AGC静态工作点、工作状态、灵敏度及线性度。首次提出了机械激励-电容检测和静电驱动-位移特性间接测试振动品质因子的方法,并对该方法进行了分析和实验,准确地测出了陀螺的振动品质因子;提出了最佳静态工作点的实验方法以及带宽和灵敏度优化的方法。

全文目录

第一章绪论  11-26
  1.1 微机械陀螺的技术分类  11-13
  1.2 微机械陀螺的发展现状  13-20
  1.3 电容式微机械陀螺的信号处理方法概述  20-23
  1.4 电容式微机械陀螺中的技术难点  23-24
  1.5 论文的主要研究内容  24
  1.6 论文的组织和安排  24-26
第二章电容式微机械陀螺的结构设计与加工  26-54
  2.1 电容式微机械陀螺的结构设计  27-29
  2.2 微机械陀螺振动模态研究  29-35
    2.2.1 驱动模态频率的计算  29-33
    2.2.2 检测模态频率的计算  33-35
  2.3 电容式硅微机械陀螺的结构仿真  35-39
  2.4 梳齿电容的计算  39-42
    2.4.1 驱动模态的检测电容  39-41
    2.4.2 检测模态的检测电容  41-42
  2.5 检测模态的电调谐频率的计算  42-44
  2.6 关键工艺的设计  44-52
    2.6.1 微机械陀螺结构加工流程  46-49
    2.6.2 微机械真空封装罩子的加工工艺  49-50
    2.6.3 真空封装下的硅玻璃键合工艺  50-52
  本章小结  52-54
第三章电容式微机械陀螺信号处理方法的研究及仿真  54-88
  3.1 电容式微机械陀螺闭环驱动的研究  56-67
    3.1.1 上电闭环自振荡的基本原理  57-59
    3.1.2 无自动增益控制的闭环驱动  59-61
    3.1.3 自动增益控制的闭环驱动  61-67
      3.1.3.1 直流自动增益控制的闭环驱动的研究  61-63
      3.1.3.2 直流交流自动增益控制的闭环驱动  63-64
      3.1.3.3 交流自动增益控制的闭环驱动  64-66
      3.1.3.4 三种 AGC 自动增益控制的对比  66-67
  3.2 电容式微机械陀螺关键信号的推导  67-74
    3.2.1 静电驱动力  69-70
    3.2.2 运动质量块的振动速度  70-73
    3.2.3 哥氏力引起的位移  73-74
  3.3 电容式微机械陀螺角速率信号解调算法的推导  74-82
    3.3.1 信号解调的基本原理  75-77
    3.3.2 干扰信号对信号解调的影响  77-79
    3.3.3 高信噪比解调算法的研究  79-82
  3.4 电容式微机械陀螺的系统仿真  82-87
    3.4.1 闭环驱动过程的仿真  82-84
    3.4.2 角速率解调过程的仿真  84-86
    3.4.3 陀螺在冲击环境中的模拟与仿真  86-87
  本章小结  87-88
第四章电容式微机械陀螺接口电路的设计与仿真  88-110
  4.1 电容式微机械陀螺前置放大电路的设计  88-105
    4.1.1 传统的C/V 转换电路的设计与分析  88-89
    4.1.2 改进的C/V 转换电路的设计与分析  89-93
    4.1.3 前置C/V 转换电路的抗驱动信号干扰的设计  93-95
    4.2.1 高通滤波电路的设计  95-99
    4.2.3 限幅电路的设计  99-100
    4.2.4 AGC 自动增益电路的设计  100-105
      4.2.4.1 全波整流电路的设计  101-103
      4.2.4.2 低通滤波电路的设计  103
      4.2.4.3 比较放大电路的设计  103-105
  4.3 电容式微机械陀螺角速率解调电路的设计  105-108
    4.3.1 相位敏感解调电路的设计  105-107
    4.3.2 二阶低通滤波电路的设计  107-108
  本章小结  108-110
第五章电容式微机械陀螺的性能测试  110-141
  5.1 电容式微机械陀螺品质因子的测试  110-127
    5.1.1 品质因子测试的基本原理  110-113
    5.1.2 静电激励电容检测法  113-115
    5.1.3 机械激励电容检测法  115-117
    5.1.4 静电激励位移特性间接检测法  117-127
  5.2 陀螺分辨率的测试  127-129
  5.3 陀螺带宽的测试  129-130
  5.4 AGC 静态工作点的选取  130-133
  5.5 陀螺工作状态的测试  133-136
    5.5.1 闭环驱动控制电路中工作状态的测试  133-135
    5.5.2 信号解调电路中工作状态的测试  135-136
  5.6 灵敏度和线性度的测试  136-137
  5.7 带宽和灵敏度的优化  137-139
  本章小结  139-141
第六章结论与展望  141-145
  6.1 论文的主要研究内容及结论  141-143
  6.2 论文的主要创新点及贡献  143-144
  6.3 未来工作的展望  144-145
附录一电容式微机械陀螺的电原理图  145-149
附录二电容式微机械陀螺的 SIMULINK 仿真  149-156
参考文献  156-165
攻读博士学位期间所取得的研究成果  165-166
致谢  166

高信噪比电容式微机械陀螺的研究

内容摘要

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