硅微振梁式加速度計諧振驅動與頻率檢測電路技術研究.pdf

1、硅微振梁式加速度計體積小、精度高、直接輸出頻率量，在軍事和民用領域有重要的應用價值和廣闊的應用前景。本文以研制硅微振梁式加速度計為目標，結合振梁式加速度計結構特性，研究硅微振梁式加速度計驅動電路技術以及高精度頻率檢測技術，并研制了試驗樣機。本文主要完成了以下幾個方面的工作:
　　(1)給出了論文研究的硅微振梁式加速度計的動力學模型，分析了其基本工作原理。依據(jù)諧振器的結構，討論了靜電驅動方式，并推導了振梁諧振時的其振幅和相位所滿足的

2、條件。研究了諧振梁的非線性特性，給出了外部激勵控制應注意的條件。
　　(2)分析了環(huán)形二極管接口電路、鎖相環(huán)環(huán)路和自動增益控制環(huán)路的工作原理，仿真研究了前端放大器的噪聲成分，理論分析并試驗驗證了鎖相環(huán)電路對噪聲的抑制特性。在此基礎上，設計了基于鎖相環(huán)和自動增益控制的振梁式加速度計閉環(huán)驅動電路，并建立了振梁式加速度計閉環(huán)驅動系統(tǒng)的Matlab Simulink仿真模型。仿真試驗表明設計的閉環(huán)驅動電路系統(tǒng)功能滿足設計要求。
　　

3、(3)對加速度計閉式自然冷卻系統(tǒng)進行了熱分析，討論了溫度對硅微振梁式加速度計的影響機理。在此基礎上，推導了維持諧振梁振幅恒定的驅動直流電壓與溫度的函數(shù)關系，基于此提出了利用直流驅動電壓對加速度計諧振頻率直接進行溫度補償?shù)姆桨浮囟妊a償試驗表明該方法補償效果良好。
　　(4)對比分析了多種方波頻率測量方法，結合振梁式加速度計頻率測量實際需求，采用了8路移相時鐘頻率測量方法，并基于FPGA和NiosⅡ實現(xiàn)了該頻率測量法，試驗結果表明其

4、實際精度可達2.5×10-9/τ。
　　(5)應用本文設計的硅微振梁式加速度計驅動電路和頻率檢測電路，在實驗室測試環(huán)境下對加速度計的主要指標進行了測試，測試結果表明本文研制的加速度計標度因數(shù)穩(wěn)定性為17.2ppm，標度因數(shù)重復性為17.8ppm，標度因數(shù)非線性為71ppm（正向）、82ppm（反向），偏值重復性為150.6μg，偏值穩(wěn)定性為26.1μg，閾值為29.6μg。
　　本文所進行的工作，為硅微振梁式加速度計系統(tǒng)的實