硅微机械陀螺抗寄生电容干扰接口电路与数字化测控电路设计

摘要

本论文针对实验室目前自主研究的硅微机械陀螺做出研究，设计了低噪声抗干扰的接口电路以及数字化测控电路，主要工作如下:
　　首先介绍了硅微机械陀螺仪机械结构及测控电路工作原理，对陀螺驱动闭环与检测开环的工作机理进行推导，并进行误差分析。建立了陀螺寄生电容拓扑，并对寄生电容进行测量，根据测量结果对寄生电容引起的问题进行分析并提出解决方案。
　　基于陀螺工作机理推导、误差分析以及对寄生电容问题的研究，提出了机电接口电路的设计目标，其必须要达到低噪声与抗干扰的要求。针对目前实验室采用的跨阻式接口所存在的不足，提出了三种接口电路改进方案:T型网络接口、积分-微分式接口、两级积分式接口，对三种接口电路的原理进行了介绍，并对其噪声性能与抗干扰性能进行仿真对比。根据对比结果，最终确定采用两级积分式接口，测试结果表明，其等效输入电流噪声为24.3fA/√Hz(@6.4KHz)，增益为20.6M，相位误差0.66°，解调相位误差0.44°，并且不受输入杂散电容影响，能够避免高频振荡，满足低噪声与抗干扰要求。
　　然后，对陀螺数字化测控电路进行硬件设计。采用FPGA作为数字平台，通过合理的设计，保证PCB信号完整性。制作完成的电路测试结果表明，模拟部分与数字部分均没有引入额外噪声，保证了接口电路的性能。
　　最后，采用此次设计的接口电路与数字化测控系统对陀螺进行测试，陀螺的标度因数为23.5mV/°/s，标度因数非线性为339.7ppm，角度随机游走为0.011°/√h，零偏不稳定性位0.4°/h，输出速率为10Hz时1σ零偏稳定性为0.78°/h，达到了战术级陀螺的性能要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 硅微陀螺仪及其测控电路研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 研究现状总结

1．3 论文的选题与结构安排

1．3．1 论文的研究对象

1．3．2 论文的结构安排

2 硅微机械陀螺工作原理及参数推导

2．1 硅微机械陀螺机械结构及测控电路概述

2．2 驱动闭环工作机理推导

2．2．1 陀螺驱动部分

2．2．2 AGC控制

2．3 检测开环工作机理推导

2．4 误差分析

2．5 本章小结

3 寄生电容测试及问题分析

3．1 硅微机械陀螺寄生电容拓扑

3．2 寄生电容测试系统

3．2．1 测试系统原理

3．2．2 测试系统准确度及分辨率

3．3 寄生电容测试结果

3．4 寄生电容影响机理分析与仿真

3．4．1机电接口对地寄生电容对跨阻式放大器频率响应的影响

3．4．2 驱动电极与驱动检测电极之间寄生电容引起的稳定性问题

3．4．3 驱动电压到检测电流的馈通问题及解决方案

3．5 本章小结

4 低噪声抗干扰接口电路

4．1 硅微机械陀螺接口电路设计目标

4．2 接口电路改进方案

4．2．1 T型网络接口

4．2．2 积分-微分式接口

4．2．3 两级积分式接口

4．3 噪声分析及抗干扰性能分析

4．3．1 噪声分析

4．3．2 抗干扰性能分析

4．4 方案确定与测试

4．4．1 噪声测试

4．4．2 解调相位差测试

4．4．3 电路稳定性测试

4．5 本章小结

5 数字化测控电路设计

5．1 系统总体方案

5．2 电路原理设计

5．2．1 模拟电路

5．2．2 ADC与DAC选择

5．2．3 电源模块

5．2．4 FPGA及其配套芯片

5．3 信号完整性与PCB设计

5．3．1 信号完整性问题分析

5．3．2 PCB设计

5．3．3 去耦电容的选取

5．4 硬件测试

5．5 本章小结

6 系统测试与数据分析

6．1 标度因数及其非线性

6．2 零偏测试

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究内容总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况：