硅微陀螺儀低噪聲檢測電路及信號處理關鍵技術研究.pdf

1、硅微陀螺儀作為一種新型的微型傳感器,具有成本低、尺寸小、可靠性高等優(yōu)點,近幾十年來已經成了MEMS領域和慣性技術領域的研究熱點。目前,世界強國已經投入了大量的人力物力進行深入研究,并已取得較為顯著的進展。國內研發(fā)的硅微陀螺儀檢測精度較差,難以滿足實際需要。提高其檢測精度的主要方法是使用低噪聲的接口檢測電路,并對輸出信號進行處理。本論文以提高硅微陀螺儀的檢測性能為目標,深入研究了硅微陀螺儀的低噪聲檢測電路及信號處理技術,其主要工作及創(chuàng)新點

2、包括:
　　 (1)闡述了目前國內外硅微陀螺儀接口電路和信號處理技術的發(fā)展現(xiàn)狀。
　　 (2)系統(tǒng)研究了硅微陀螺儀的靜電驅動和電容檢測技術,分析了陀螺儀主要性能參數(shù),探討了影響硅微陀螺儀性能指標的正交誤差、力不平衡信號等,并研究了電路中噪聲的種類和來源。
　　 (3)將包括機械噪聲、閃爍噪聲在內的各項噪聲源考慮到電路的設計中,建立了硅微陀螺儀前端敏感電路的總體噪聲模型,推導了電路中噪聲的功率分布。研究了陀螺儀寄生

3、電容對檢測性能的影響。在此基礎上,確定了陀螺儀接口電路的基本模塊,研究了斬波穩(wěn)定技術和相關雙采樣技術,將其應用在電路的設計中。提出了一種帶有直流失調補償回路的折疊式共源共柵放大器,作為電路的核心器件。提出了一種通過三相時鐘相位控制的全差分電容敏感電路,并采用集成電路工藝完成了設計。仿真結果表明所設計的硅微陀螺儀前端敏感電路具有極低的輸入噪聲。
　　 (4)研究了用于硅微陀螺儀信號調制的Sigma-Delta調制解調技術的基本原理

4、,簡述了噪聲整形和過采樣的概念。研究了一階Sigma-Delta調制解調器的線性模型,在此基礎上研究了高階單環(huán)和級聯(lián)結構的Sigma-Delta調制解調器的設計方法。簡述了Sigma-Delta調制解調器的主要性能指標,并研究了噪聲功率增益函數(shù),并將其作為衡量調制解調器信噪比的指標。選擇高階級聯(lián)式Sigma-Delta調制解調器作為硅微陀螺儀接口電路的調制解調模塊,并提出了一種基于多目標遺傳算法的Sigma-Delta調制解調器設計方法

5、,完成了Sigma-Delta調制解調器的設計。仿真結果表明,這種設計方法是完全可行的,所設計出來的電路能夠滿足電路的低噪聲要求。
　　 (5)研究了基于靜電力平衡的硅微陀螺儀的閉環(huán)檢測技術,并將上一章中設計的高階Sigma-Delta調制解調器嵌入環(huán)路中,對閉環(huán)進行了離散化處理,給出了整個系統(tǒng)的Z域模型。針對陀螺儀靜電力反饋檢測的實際要求,提出了一種基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設計的輸出反饋控制器方案,使系統(tǒng)能夠在沖擊發(fā)生后

6、于規(guī)定時間內恢復平衡,并基于此優(yōu)化設計了電路。研究了陀螺儀的等效電路模型,使用集成電路工藝設計了整個陀螺儀閉環(huán)檢測系統(tǒng)的電路,并完成了模擬部分的版圖設計。仿真結果表明,本文所設計的閉環(huán)檢測電路完全能夠滿足設計要求。
　　 (6)對硅微陀螺儀的隨機漂移進行了研究,在此基礎上,分別研究了卡爾曼濾波器和一種基于遺傳算法改進的小波神經網絡,作為陀螺儀漂移的建模補償工具。在分析粒子群算法的基礎上,提出了一種改進的混合自適應粒子群算法,該算

7、法同時使用混沌理論和云模型理論對粒子群進行優(yōu)化,并將該算法與小波神經網絡結合使用。研究了基于小波降噪方法的微機械陀螺儀降噪技術,提出了一種將小波分析和奇異值分解通過統(tǒng)計學習控制器結合起來的自適應小波奇異值算法。完成了硅微陀螺儀數(shù)據(jù)采集實驗,分別使用卡爾曼濾波器、遺傳小波網絡和混合自適應粒子群算法對信號進行處理,結果證明了所提出的混合自適應粒子群小波網絡具有良好的濾波精度。隨后,分別使用小波方法、奇異值分解方法和自適應小波奇異值方法對陀螺