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MEMS陀螺系统的软件仿真

张晨  
【摘要】:微机械振动陀螺是MEMS技术的一个重要应用领域。利用MEMS陀螺可以得到运载器角速度和角加速度变化的信息,从而即时调整运载器的飞行姿态,实现运载器的完全自主导航。再加上MEMS陀螺体积小、重量轻、应用范围广,因此自MEMS陀螺问世以来,就引起极大关注,被广泛运用于航海、航空航天、军事等领域,是各国发展的重点技术之一,具有强大的生命力和广泛的应用前景。 本论文主要研究的是对MEMS陀螺及其外围接口电路的软件建模。这套软件模型建立的成功,不仅可以在软件界面中再现MEMS陀螺及其接口电路的硬件实测结果,而且得到了陀螺硬件系统中各个模块的噪声模型,通过软件仿真了解模块间噪声的相互影响规律,从而找到降低陀螺硬件系统噪声、提高系统分辨率的优化方案。关于对MEMS陀螺系统多种噪声源模型的建立和MEMS陀螺系统多目标的优化在国内、外尚属空白。本论文的主要工作特色如下: 1.根据MEMS陀螺和CV电路的工作原理以及相关的设计参数建立了相应的数学模型和软件仿真模型;另外,根据信号与系统和控制方面的理论,为MEMS陀螺外围接口电路建立了软件仿真模型。 2.在上面工作的基础上,根据随机信号的相关系数公式、随机信号功率叠加原理以及线性、非线性系统对随机信号的传递规律、相位噪声理论等建立了陀螺系统的噪声模型,使得软件仿真模型能够同时得到陀螺系统的功能结果和噪声结果。 3.深入分析了正反馈电路的工作原理,从理论上推导出了环路稳定时的工作点表达式和AGC(Auto Gain Control,AGC)抗扰动性能表达式,并通过对环路的仿真验证了理论计算的正确性。另外,利用上述推导的公式完成了对系统工作点电压的优化。 4.运用相位噪声理论验证了正反馈环路仿真模型的正确性,并为优化正反馈环路噪声明确了方向;另外,通过对系统同步解调模块的独立噪声仿真,定性地得到了MEMS陀螺硬件系统最终输出噪声的主要来源。 5.通过对仿真模型进行等效模块划分的方法,将系统中各个划分模块的噪声对


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