低功耗高精度电容式加速度计系统的设计与研究

摘要

微机械加速度计系统是由微机械加速度计芯片和检测电路组成的。作为一种检测加速度的惯性器件，微机械加速度计系统可以用来检测惯性力、倾斜角、冲击及振动等惯性参数。微机械加速度计系统在汽车、消费电子、惯性制导等方面应用前景很广。
　　 本文研究的是电容式微机械加速度计系统，它具有以下优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高，所以在多种检测形式的加速度计中研究较多。加速度计系统的功耗对于它的工程化应用至关重要，本文分析了加速度计系统的功耗分布，在不降低系统性能的基础上，通过优化电路设计、更换更高性能芯片、降低工作频率等工作降低了系统功耗。本文针对加速度系统的高精度要求，在分析了检测电路模块的本底噪声的基础上，进一步分析了无源元件的参数值对检测电路模块的噪声影响。这些研究工作对于进一步提高本实验室研究的高精度电容式微机械加速度计系统的性能有一定的参考作用。
　　 本论文的研究工作主要包括以下内容：
　　 (1)针对高精度数字化电容式微机械加速度计，建立了系统模型和噪声模型，通过分析，优化了电路参数，比较了降低采样频率后系统噪声水平。为低功耗电路设计提供了理论依据。
　　 (2)针对低功耗高精度的电容式微机械加速度计的工程化要求，通过降低采样率的方法降低了系统功耗。并通过实验测试证明了降低采样率获得低功耗后，系统仍然保持较高的性能指标。
　　 (3)对优化后的电路和加速度计各项指标进行了测试。测试表明，模拟部分的等效输出加速度噪声约为16.3 ug/√Hz。加速度计系统最终输出噪声约为20ug/√Hz。±1g范围内，加速度计系统的线性度为99.9975％。加速度计系统的1.5小时稳定性测试结果是，采样率为2.5MHz时，解调输出的标准差为0.5mg；采样率为40MHz时，解调输出的标准差为0.7mg。