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高信噪比电容式微机械陀螺的研究

李锦明  
【摘要】:本文对基于MEMS技术的高信噪比电容式微机械陀螺进行了系统研究,完成了微机械陀螺的结构设计,对信号处理方法进行了深入分析,提出新的信号解调算法并设计了相应的接口电路,完成了关键性能参数测试,具体内容如下: 1.对微机械陀螺的研究现状进行了概述,分析了当前微机械陀螺存在的技术难点,对需要进一步研究的内容作了说明。 2设计出了一种具有解耦结构、差分检测的电容式微机械陀螺,可有效抑制共模噪声。简单介绍了微机械陀螺的加工工艺。 3.针对真空封装电容式微机械陀螺的振动品质因子会发生长时间漂移的现象,提出了三种自动增益控制的闭环驱动方法(直流自动增益控制方法、直流-交流自动增益控制、交流自动增益控制的方法),并对其进行了仿真、分析和对比。 4.通过分析电容式微机械陀螺信号解调中相移的变化以及寄生电容干扰引起陀螺长期漂移的难题,提出了一种高信噪比的差分解调算法,可有效抑制寄生电容的干扰,并采用Simulink对该方法进行了仿真。 5.根据文中提出的高信噪比解调方法进行了相关电路的设计和仿真。电路设计主要包括低噪声前置放大电路、高通滤波电路、限幅电路、AGC自动增益控制电路以及角速率解调电路。其中,改进的前置C/V转换电路,有效抑制了噪声、降低了反馈电阻的阻值,易实现ASIC集成;采用差分相位敏感解调方法设计出的角速率解调电路,有效抑制了寄生电容的干扰。 6.采用上述电路对陀螺关键性能参数进行了测试。测试的内容有:振动品质因子、分辨率、带宽、AGC静态工作点、工作状态、灵敏度及线性度。首次提出了机械激励-电容检测和静电驱动-位移特性间接测试振动品质因子的方法,并对该方法进行了分析和实验,准确地测出了陀螺的振动品质因子;提出了最佳静态工作点的实验方法以及带宽和灵敏度优化的方法。


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