硅微振梁式加速度計(jì)諧振驅(qū)動(dòng)與頻率檢測(cè)電路技術(shù)研究.pdf

1、硅微振梁式加速度計(jì)體積小、精度高、直接輸出頻率量，在軍事和民用領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本文以研制硅微振梁式加速度計(jì)為目標(biāo)，結(jié)合振梁式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)特性，研究硅微振梁式加速度計(jì)驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)以及高精度頻率檢測(cè)技術(shù)，并研制了試驗(yàn)樣機(jī)。本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)給出了論文研究的硅微振梁式加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了其基本工作原理。依據(jù)諧振器的結(jié)構(gòu)，討論了靜電驅(qū)動(dòng)方式，并推導(dǎo)了振梁諧振時(shí)的其振幅和相位所滿足的

2、條件。研究了諧振梁的非線性特性，給出了外部激勵(lì)控制應(yīng)注意的條件。
　　(2)分析了環(huán)形二極管接口電路、鎖相環(huán)環(huán)路和自動(dòng)增益控制環(huán)路的工作原理，仿真研究了前端放大器的噪聲成分，理論分析并試驗(yàn)驗(yàn)證了鎖相環(huán)電路對(duì)噪聲的抑制特性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于鎖相環(huán)和自動(dòng)增益控制的振梁式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路，并建立了振梁式加速度計(jì)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的Matlab Simulink仿真模型。仿真試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。
　　

3、(3)對(duì)加速度計(jì)閉式自然冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了熱分析，討論了溫度對(duì)硅微振梁式加速度計(jì)的影響機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了維持諧振梁振幅恒定的驅(qū)動(dòng)直流電壓與溫度的函數(shù)關(guān)系，基于此提出了利用直流驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)加速度計(jì)諧振頻率直接進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆桨浮囟妊a(bǔ)償試驗(yàn)表明該方法補(bǔ)償效果良好。
　　(4)對(duì)比分析了多種方波頻率測(cè)量方法，結(jié)合振梁式加速度計(jì)頻率測(cè)量實(shí)際需求，采用了8路移相時(shí)鐘頻率測(cè)量方法，并基于FPGA和NiosⅡ?qū)崿F(xiàn)了該頻率測(cè)量法，試驗(yàn)結(jié)果表明其

4、實(shí)際精度可達(dá)2.5×10-9/τ。
　　(5)應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的硅微振梁式加速度計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和頻率檢測(cè)電路，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下對(duì)加速度計(jì)的主要指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本文研制的加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為17.2ppm，標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性為17.8ppm，標(biāo)度因數(shù)非線性為71ppm（正向）、82ppm（反向），偏值重復(fù)性為150.6μg，偏值穩(wěn)定性為26.1μg，閾值為29.6μg。
　　本文所進(jìn)行的工作，為硅微振梁式加速度計(jì)系統(tǒng)的實(shí)