基于数字技术的硅微陀螺仪性能稳定性研究

摘要

本论文研究硅微机械陀螺仪测控电路理论与设计,目的是改进测控电路,提高陀螺仪在温度变化条件下的性能稳定性。主要内容包括温度对陀螺仪影响因素研究,微电容检测电路设计,数字化测控理论研究,电路软硬件设计和性能测试。
　　 从陀螺仪动力学模型出发,推导了陀螺仪在恒定角速度输入下的响应公式与变角速度输入下的带宽公式,分析了品质因数与带宽的关系,然后介绍了静电力驱动的基本原理。分析比较了几种常用的微电容检测电路,提出电容检测中相位关系的重要性。分析了环形二极管电容检测电路的工作原理,对其温度特性,参数误差,不匹配误差进行了分析。虽然环形二极管电容检测电路幅度特性易受温度的影响,但是相位特性要好于对比电路。设计了配合环形二极管电路的闭环高频载波电路,并对载波电路的性能进行了试验测试。
　　 提出了新型数字锁相环驱动电路的工作原理,推导了系统的微分方程,并利用平均方法推导了系统的近似平均方程和各个变量平衡点公式,得出了系统稳定性判据。与采用自激振荡原理的驱动电路进行了比较,数字化锁相环方式能达到的相位精度和稳定性要高于数字化自激振荡电路与模拟自激振荡电路。
　　 分析了自动增益控制检测闭环控制原理,建立了自动增益控制环路的等价模型,分析了检测闭环线性化与控制器设计方法。对比开环检测电路,基于自动增益控制的闭环检测电路可以减少因为检测模态谐振频率与品质因数和检测电容检测电路的漂移对输出信号的影响。
　　 分析了陀螺仪数字化过程中字长,截断误差,采样率等问题。通过分析与实验选择了高精度低漂移的ADC,DAC芯片。设计了数字化陀螺仪测控电路的控制算法,包括数字化频率可调正交信号发生器(DCQO),IIR数字滤波器,PI控制器,温度补偿控制算法,关键信号输出算法。
　　 对微机械结构的温度特性进行了测试,陀螺仪谐振频率随温度变化可以近似为线性关系。陀螺仪工作状态稳定,驱动频率与驱动幅度能够自动调节,驱动频率的精确度经测试可以达到0.0015Hz.对数字化陀螺仪测控电路进行了温度试验,得出数字化测控电路的零偏与标度因数基本上呈线性特性。对其进行了线性补偿,补偿后-40℃到60℃温度范围内零偏变化量为200°/h,标度因数变化量降低到0.4％。