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Sigma-delta技术研究及其在微静电陀螺中的应用

万明亮  
【摘要】: 微电子机械技术在惯性测量器件中的应用促进了微机械陀螺和微加速度计的发展。采用静电驱动力的悬浮转子式微陀螺具有低功耗,高精度,低温漂等特点,在微机器人、卫星、制导弹药等领域具有广泛的应用前景。上海交通大学提出了一种基于UV-LIGA技术的静电悬浮转子微陀螺。该结构由封闭的定子以及悬浮于其间的转子组成,能够感知外界的角速度以及加速度,并将其转换为转子的微小位移。通过转子与定子间的四组差分电容,该结构能够同时测量两轴角速度和三轴线加速度,具有广阔的应用前景和较大的发展潜力。 常用的差分电容检测电路包括调制、放大、滤波、同步解调等几个模块,结构相对复杂。近年来,A/D变换中的Sigma-Delta技术已变得相对成熟,将其应用在差分电容检测电路中,具有以下优点:以脉冲密度调制流直接输出数字信号;系统稳定性好,能避免转子锁住;对失效具有自检特性;结构相对简单,对器件兼容性好。 本文根据sigma-delta技术建立了静电悬浮转子微陀螺控制模型,通过Matlab/Simulink进行了系统级设计和仿真,并设计了一种新颖的基于Sigma-Delta技术的闭环检测电路。该电路能够检测转子的微小位移,并通过反馈维持其动态稳定在平衡位置。最后给出了一种二阶sigma-delta调制器的具体电路结构及仿真。 本文介绍了静电悬浮转子陀螺的结构及动力学模型,根据此模型,计算了4个极板间的电容值以及静电力和静电力矩。然后采用sigma-delta方法控制该系统,通过Matlab/Simulink建立了该陀螺控制系统的等效模型。仿真结果表明,这种方法可以使转子稳定悬浮在平衡位置,解决了转子吸附问题。然后本文对单自由度的差分电容结构进行了等效电路分析,采用sigma-delta方法建立其闭环数字控制系统模型,并给出了数字悬浮控制的Pspice实现方案,通过Oracd/Pspice仿真表明该系统的灵敏度为2V/g ,动态范围为±1g。目前对前置放大级进行了测试,给出了测试结果。 文中介绍了一种降低积分器摆幅(RISR)的调制器结构,这种RISR结构的调制器可以大大降低积分器的输入、输出摆幅,适用于低电压要求,通过Matlab/simulink仿真可以看到这种调制器结构的优点。然后分析了调制器噪声的来源,根据最优化方法设计了指定目标的调制器,并给出了simulink仿真结果。然后给出了二阶RISR结构调制器的具体电路结构,包括时钟倍增电路、恒定Vgs自举电路、运放及低压偏置电路、比较器电路等模块的的具体实现,通过Cadence/Spectre对各个模块进行了仿真,并给出了仿真结果。


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