硅微陀螺儀低噪聲檢測(cè)電路及信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、硅微陀螺儀作為一種新型的微型傳感器,具有成本低、尺寸小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),近幾十年來已經(jīng)成了MEMS領(lǐng)域和慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前,世界強(qiáng)國已經(jīng)投入了大量的人力物力進(jìn)行深入研究,并已取得較為顯著的進(jìn)展。國內(nèi)研發(fā)的硅微陀螺儀檢測(cè)精度較差,難以滿足實(shí)際需要。提高其檢測(cè)精度的主要方法是使用低噪聲的接口檢測(cè)電路,并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。本論文以提高硅微陀螺儀的檢測(cè)性能為目標(biāo),深入研究了硅微陀螺儀的低噪聲檢測(cè)電路及信號(hào)處理技術(shù),其主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)

2、包括:
　　 (1)闡述了目前國內(nèi)外硅微陀螺儀接口電路和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。
　　 (2)系統(tǒng)研究了硅微陀螺儀的靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)技術(shù),分析了陀螺儀主要性能參數(shù),探討了影響硅微陀螺儀性能指標(biāo)的正交誤差、力不平衡信號(hào)等,并研究了電路中噪聲的種類和來源。
　　 (3)將包括機(jī)械噪聲、閃爍噪聲在內(nèi)的各項(xiàng)噪聲源考慮到電路的設(shè)計(jì)中,建立了硅微陀螺儀前端敏感電路的總體噪聲模型,推導(dǎo)了電路中噪聲的功率分布。研究了陀螺儀寄生

3、電容對(duì)檢測(cè)性能的影響。在此基礎(chǔ)上,確定了陀螺儀接口電路的基本模塊,研究了斬波穩(wěn)定技術(shù)和相關(guān)雙采樣技術(shù),將其應(yīng)用在電路的設(shè)計(jì)中。提出了一種帶有直流失調(diào)補(bǔ)償回路的折疊式共源共柵放大器,作為電路的核心器件。提出了一種通過三相時(shí)鐘相位控制的全差分電容敏感電路,并采用集成電路工藝完成了設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的硅微陀螺儀前端敏感電路具有極低的輸入噪聲。
　　 (4)研究了用于硅微陀螺儀信號(hào)調(diào)制的Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基本原理

4、,簡述了噪聲整形和過采樣的概念。研究了一階Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器的線性模型,在此基礎(chǔ)上研究了高階單環(huán)和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方法。簡述了Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器的主要性能指標(biāo),并研究了噪聲功率增益函數(shù),并將其作為衡量調(diào)制解調(diào)器信噪比的指標(biāo)。選擇高階級(jí)聯(lián)式Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器作為硅微陀螺儀接口電路的調(diào)制解調(diào)模塊,并提出了一種基于多目標(biāo)遺傳算法的Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)方法

5、,完成了Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,這種設(shè)計(jì)方法是完全可行的,所設(shè)計(jì)出來的電路能夠滿足電路的低噪聲要求。
　　 (5)研究了基于靜電力平衡的硅微陀螺儀的閉環(huán)檢測(cè)技術(shù),并將上一章中設(shè)計(jì)的高階Sigma-Delta調(diào)制解調(diào)器嵌入環(huán)路中,對(duì)閉環(huán)進(jìn)行了離散化處理,給出了整個(gè)系統(tǒng)的Z域模型。針對(duì)陀螺儀靜電力反饋檢測(cè)的實(shí)際要求,提出了一種基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)的輸出反饋控制器方案,使系統(tǒng)能夠在沖擊發(fā)生后

6、于規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平衡,并基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)了電路。研究了陀螺儀的等效電路模型,使用集成電路工藝設(shè)計(jì)了整個(gè)陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的電路,并完成了模擬部分的版圖設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的閉環(huán)檢測(cè)電路完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
　　 (6)對(duì)硅微陀螺儀的隨機(jī)漂移進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上,分別研究了卡爾曼濾波器和一種基于遺傳算法改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),作為陀螺儀漂移的建模補(bǔ)償工具。在分析粒子群算法的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的混合自適應(yīng)粒子群算法,該算

7、法同時(shí)使用混沌理論和云模型理論對(duì)粒子群進(jìn)行優(yōu)化,并將該算法與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用。研究了基于小波降噪方法的微機(jī)械陀螺儀降噪技術(shù),提出了一種將小波分析和奇異值分解通過統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)控制器結(jié)合起來的自適應(yīng)小波奇異值算法。完成了硅微陀螺儀數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn),分別使用卡爾曼濾波器、遺傳小波網(wǎng)絡(luò)和混合自適應(yīng)粒子群算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,結(jié)果證明了所提出的混合自適應(yīng)粒子群小波網(wǎng)絡(luò)具有良好的濾波精度。隨后,分別使用小波方法、奇異值分解方法和自適應(yīng)小波奇異值方法對(duì)陀螺