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基于∑-△调制技术的微加速度计系统研究

作　者: 付娟
导　师: 李醒飞
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: Σ-Δ 微机械加速度计抽取滤波器静电力反馈 Simulink
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 53次
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内容摘要

加速度计是现在军事导航系统的核心,随着惯性技术的日趋成熟,正朝着高精度、低成本、数字化、集成化等方向发展。微机械加速度计具有体积小、功耗小、易集成和可批量生产等特点,不仅成为惯性导航和系统控制的核心元件,还能够满足汽车工业等民用领域的要求。Σ-Δ技术是一项低频信号调制技术,具有精度高、线性度好、便于与数字系统集成等优点,将其应用于微机械加速度计,不仅可实现数字化输出和闭环控制,还使系统易采用高密度CMOS工艺实现,将敏感器件与处理电路完全集成到一个微小的硅片上,实现加速度测量的机电一体化。本文对Σ-Δ微加速度计系统的具体实现方法展开了研究,确立了Σ-Δ加速度计的整体方案。首先,介绍了电容式微加速度计和Σ-Δ调制器的结构和工作原理,分析了微机械加速度计和Σ-Δ调制器的特点,阐述了将Σ-Δ调制技术应用于微机械加速度计的可行性,建立了Σ-Δ微加速度计的数学模型,并在Simulink环境下创建了Σ-Δ系统的仿真模型。其次,根据方案设计出了Σ-Δ微加速度计的硬件电路,着重分析了差动电容检测电路、静电力反馈回路和数字校正器的设计,用Pspice软件对电容检测电路进行了仿真,并确定了采用XilinxFPGA作为加速度计的数字信号处理器。然后,结合Simulink和system generator,设计了一个256倍数字抽取滤波器,并用ISE综合了整个设计,通过了HDL协同仿真验证,实现了加速度信息的解算、导航计算机通讯等。最后,对Σ-Δ微加速度计的性能进行了详细的分析,给出了提高Σ-Δ加速度计精度的方法和未来研究方向。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 惯性导航与加速度计  9-10
  1.2 Σ-Δ微加速度计介绍  10-11
  1.3 国内外的发展与现状  11-12
  1.4 本论文研究的目的和意义  12-13
  1.5 研究内容  13-15
第二章 Σ-Δ闭环微加速度计系统模型  15-31
  2.1 加速度计的结构和工作原理  15-19
    2.1.1 加速度计结构  15-16
    2.1.2 工作原理  16-17
    2.1.3 力学模型  17-18
    2.1.4 闭环反馈模型  18-19
  2.2 Σ-Δ调制技术  19-24
    2.2.1 Σ-Δ调制器结构  20-21
    2.2.2 工作原理  21-22
    2.2.3 二阶Σ-Δ调制器  22-23
    2.2.4 抗混叠滤波器  23-24
  2.3 Σ-Δ微加速度计系统数学模型  24-26
  2.4 Σ-Δ微加速度计的优点  26-27
  2.5 Σ-Δ微加速度计Simulink仿真模型  27-28
  2.6 系统稳定性分析  28-30
  2.7 小结  30-31
第三章硬件电路设计  31-51
  3.1 电容检测电路设计  31-38
    3.1.1 差动电容传感器原理介绍  31-32
    3.1.2 常用电容检测方式  32-34
    3.1.3 开关电容检测原理  34-35
    3.1.4 全差分开关电容检测  35-37
    3.1.5 仿真结果  37-38
  3.2 量化器设计  38-41
    3.2.1 同步时钟比较器  38-40
    3.2.2 锁存器电路设计  40-41
  3.3 数字校正器  41-42
  3.4 静电力反馈电路设计  42-45
  3.5 数字信号处理电路设计  45-48
    3.5.1 数字信号处理器选择  45-46
    3.5.2 数字处理器店路的设计实现  46-48
  3.6 模拟开关设计  48-50
  3.7 时钟电路设计  50
  3.8 小结  50-51
第四章 Σ-Δ闭环微加速度计软件部分设计  51-66
  4.1 数字抽取滤波器结构  51-52
  4.2 CIC滤波器设计  52-55
  4.3 补偿滤波器设计  55-56
  4.4 半带滤波器设计  56-58
  4.5 抽取时的混叠问题  58-60
  4.6 Simulink仿真  60-61
  4.7 数字信号处理的设计实现  61-64
    4.7.1 System Generator  61-62
    4.7.2 VHDL编程  62-63
    4.7.3 FPGA资源估计  63-64
  4.8 Simulink与HDL的协同仿真  64-65
  4.9 小结  65-66
第五章系统仿真与性能分析  66-75
  5.1 系统性能分析  66-68
    5.1.1 二阶动态性能  66
    5.1.2 各模态谐振频率分析  66-68
    5.1.3 阻尼分析  68
  5.2 加速度计的灵敏度和量程分析  68-69
  5.3 伺服电路对系统性能的影响分析  69-71
    5.3.1 前向增益影响  69-70
    5.3.2 反馈增益影响  70-71
  5.4 噪声分析  71-74
    5.4.1 机械噪声  71-72
    5.4.2 电路噪声  72-73
    5.4.3 量化噪声  73-74
  5.5 小结  74-75
第六章总结和展望  75-77
  6.1 论文总结  75
  6.2 课题展望  75-77
参考文献  77-80
发表论文和参加科研情况说明  80-81
致谢  81

基于∑-△调制技术的微加速度计系统研究

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