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MEMS陀螺外围信号处理电路数字化初步研究

王晨曦  
【摘要】:本文阐述了微机械陀螺的外围信号处理电路数字化研究的初步成果。该数字化方案是以数字信号处理器芯片为核心设计的。论文中详细叙述了所需要的数字式方案的硬件设计,算法仿真,软件代码编写,调试和系统级的实验。 论文阐述了下面几个方面的工作:1)完成了振动式微机械陀螺x方向上闭环自激驱动中用到的自动增益控制环路(AGC loop)的分析。在查阅相关国外文献及理解非线性控制相关理论的基础上,完成了自动增益控制(AGC)的数字化实现算法。 论文中研究了振动式微机械陀螺的自激驱动回路中的各参数对陀螺系统的起振时间,幅度稳定性等的影响。在数字AGC中,随着低通滤波器的截止频率Fc增大,对于同样的参考电压幅度Ref和增益控制常数Kp所对应的起振时间缩短,但幅度稳定性恶化;随着Kp的增大,对于同样的Ref和Fc,陀螺X方向的闭环起振时间先减小后增大,存在一个最小值,但再次过程中幅度稳定性不断恶化。所以应该根据陀螺的具体应用环境,先提出对于陀螺X方向闭环起振时间和幅度稳定度的要求,然后根据上面的曲线选取参数。 对于Ref的选择应该视整个系统的电学特性而定,例如功耗,工作电压值,由于Ref的取值大小与起振时间和幅度稳定度大小无关,所以在低功耗的应用场合,Ref应该是越小越好。 在Matlab中用程序验证了自动增益控制模块的开环特性,考虑了系统闭环工作的工作点对系统稳定性的影响,并得到了有用的结论。 在Simulink中完成AGC的特性仿真,陀螺自激驱动环路闭环仿真,以及整个陀螺系统的仿真。得到了可以用于软硬件实现的数字式算法方案。 最后,在硬件上完成了振动式微机械陀螺的板级系统实验,利用所研究的数字式算法,和程序实现了x方向上的闭环自激驱动,得到了与理论分析及算法仿真相当符合的结果,陀螺自激驱动模态的开环和闭环实验表明,基于DSP的信号处理电路能够很好的完成上面的陀螺信号处理算法的实验。从频率纯度和幅度的稳定性两方面都比模拟方案要好很多。其幅度稳定性模拟的方案提高了10倍。频谱纯度也提高了数倍。说明了微机械陀螺的数字式外围信号处理电路的优越性。


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