硅微機(jī)械陀螺數(shù)字化測控電路技術(shù)研究.pdf

1、硅微機(jī)械陀螺因具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在軍民領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。目前，硅微機(jī)械陀螺正朝著智能化、集成化、高性能的方向發(fā)展。采用圓片級(jí)真空封裝技術(shù)提高陀螺結(jié)構(gòu)的集成度，采用數(shù)字技術(shù)和專用集成電路技術(shù)提高信號(hào)檢測與控制電路的集成度，以充分發(fā)揮硅微機(jī)械陀螺的優(yōu)點(diǎn)。
　　本文以課題組自主設(shè)計(jì)的Z軸音叉硅微機(jī)械陀螺為研究對(duì)象，以提高陀螺的零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為目標(biāo)，以測控電路的可ASIC(Applica

2、tion Specific IntegratedCircuit，專用集成電路)化為著眼點(diǎn)，開展了硅微機(jī)械陀螺測控電路的數(shù)字化研究。主要包括接口電路的分析設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制技術(shù)研究、閉環(huán)檢測技術(shù)研究和溫度補(bǔ)償技術(shù)研究。
　　論文論證了硅微機(jī)械陀螺測控電路的總體方案。通過對(duì)比模擬控制技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，選擇了數(shù)字控制技術(shù)作為硅微機(jī)械陀螺測控電路的控制技術(shù)，并設(shè)計(jì)了數(shù)字化測控系統(tǒng)的總體方案。根據(jù)硅微機(jī)械陀螺的性能指標(biāo)，在性能指標(biāo)分配的基礎(chǔ)上

3、，分析了電容/電壓轉(zhuǎn)換電路（C/V轉(zhuǎn)換電路）的噪聲性能，設(shè)計(jì)陀螺的接口電路。分析設(shè)計(jì)了數(shù)字化測控系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)，在分析計(jì)算采樣頻率和量化位數(shù)的基礎(chǔ)上選擇了ADC和DAC的產(chǎn)品型號(hào);通過對(duì)比DSP和FPGA的優(yōu)缺點(diǎn)選擇了FPGA作為數(shù)字信號(hào)的處理器。構(gòu)建了硅微機(jī)械陀螺的數(shù)字化硬件系統(tǒng)，為后續(xù)信號(hào)處理與控制算法的研究和設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　論文研究了硅微機(jī)械陀螺的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。將自激鎖相閉環(huán)驅(qū)動(dòng)分為低頻AGC（自動(dòng)增益控制，Aut

4、omatic Gain Control）幅值控制部分和高頻PLL(鎖相環(huán)，Phase LockedLoop)相位、頻率控制部分，而后通過線性化對(duì)這兩個(gè)部分分別進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和噪聲性能分析。通過穩(wěn)定性分析得到了環(huán)路參數(shù)和環(huán)路動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系，并得到了環(huán)路的穩(wěn)定性條件;通過噪聲性能分析得到了閉環(huán)驅(qū)動(dòng)中C/N轉(zhuǎn)換電路的噪聲功率譜密度設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到了PLL輸出信號(hào)的噪聲功率譜密度與輸入信號(hào)的噪聲功率譜密度之間的關(guān)系。論文還特別分析了PLL的

5、捕獲性能和跟蹤性能，得到了PLL捕獲帶寬和跟蹤帶寬與環(huán)路參數(shù)之間的關(guān)系，為PLL的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置主導(dǎo)極點(diǎn)的方法將所研究的三階AGC和PLL環(huán)節(jié)降為二階，并根據(jù)環(huán)路性能指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)均證明了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，取得了良好的閉環(huán)性能。
　　論文研究了硅微機(jī)械陀螺的閉環(huán)檢測技術(shù)。分析了正弦波電壓反饋形式和脈沖密度電壓反饋形式對(duì)敏感模態(tài)負(fù)剛度的影響，得到了正弦波電

6、壓反饋時(shí)敏感模態(tài)負(fù)剛度隨外界輸入角速度的變化而變化，而脈沖密度電壓反饋時(shí)敏感模態(tài)負(fù)剛度不隨外界輸入角速度的變化而變化的結(jié)論。基于該認(rèn)識(shí)，采用了機(jī)電結(jié)合Sigma Delta調(diào)制器(SDM)閉環(huán)檢測技術(shù)。以電路SDM為中介，以環(huán)路的信噪比為設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用DSToolbox設(shè)計(jì)工具，根據(jù)Z軸音叉硅微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)，對(duì)閉環(huán)檢測環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)的兩大難點(diǎn)—確定環(huán)路結(jié)構(gòu)形式和選擇環(huán)路參數(shù)進(jìn)行了研究。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閉環(huán)設(shè)計(jì)的正確性。
　　針對(duì)硅微

7、機(jī)械陀螺性能受溫度影響較大的特點(diǎn)，論文以“控制為主、補(bǔ)償為輔”的思路研究了溫度補(bǔ)償技術(shù)。分析表明C/V轉(zhuǎn)換電路的增益穩(wěn)定性是影響陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)速度幅值穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由此，提出了具有增益補(bǔ)償功能的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以提高振動(dòng)速度的幅值穩(wěn)定性。進(jìn)一步的理論分析表明此技術(shù)具有與陀螺結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)無關(guān)的特性，便于對(duì)批量生產(chǎn)的陀螺進(jìn)行批量化溫度補(bǔ)償，體現(xiàn)了“控制”的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該技術(shù)使開環(huán)檢測陀螺的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)和零偏溫度系數(shù)分

8、別降低了89.5％和67.6％。利用陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率和溫度之間存在的線性關(guān)系，以驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率作為溫度測量的敏感量，研究了陀螺標(biāo)度因數(shù)和零偏的二階溫度補(bǔ)償算法，指出了陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的高品質(zhì)因數(shù)有利于高精度的溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明該技術(shù)使陀螺的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)和零偏溫度系數(shù)在增益補(bǔ)償閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上再次下降了59.3％和73.1％。
　　最后，對(duì)數(shù)字化雙閉環(huán)硅微機(jī)械陀螺的溫度特性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明相對(duì)于溫度補(bǔ)償前，溫度補(bǔ)償后的