基于數(shù)字技術(shù)的硅微陀螺儀性能穩(wěn)定性研究.pdf

1、本論文研究硅微機械陀螺儀測控電路理論與設(shè)計,目的是改進測控電路,提高陀螺儀在溫度變化條件下的性能穩(wěn)定性。主要內(nèi)容包括溫度對陀螺儀影響因素研究,微電容檢測電路設(shè)計,數(shù)字化測控理論研究,電路軟硬件設(shè)計和性能測試。
　　 從陀螺儀動力學(xué)模型出發(fā),推導(dǎo)了陀螺儀在恒定角速度輸入下的響應(yīng)公式與變角速度輸入下的帶寬公式,分析了品質(zhì)因數(shù)與帶寬的關(guān)系,然后介紹了靜電力驅(qū)動的基本原理。分析比較了幾種常用的微電容檢測電路,提出電容檢測中相位關(guān)系的重要

2、性。分析了環(huán)形二極管電容檢測電路的工作原理,對其溫度特性,參數(shù)誤差,不匹配誤差進行了分析。雖然環(huán)形二極管電容檢測電路幅度特性易受溫度的影響,但是相位特性要好于對比電路。設(shè)計了配合環(huán)形二極管電路的閉環(huán)高頻載波電路,并對載波電路的性能進行了試驗測試。
　　 提出了新型數(shù)字鎖相環(huán)驅(qū)動電路的工作原理,推導(dǎo)了系統(tǒng)的微分方程,并利用平均方法推導(dǎo)了系統(tǒng)的近似平均方程和各個變量平衡點公式,得出了系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。與采用自激振蕩原理的驅(qū)動電路進行了

3、比較,數(shù)字化鎖相環(huán)方式能達到的相位精度和穩(wěn)定性要高于數(shù)字化自激振蕩電路與模擬自激振蕩電路。
　　 分析了自動增益控制檢測閉環(huán)控制原理,建立了自動增益控制環(huán)路的等價模型,分析了檢測閉環(huán)線性化與控制器設(shè)計方法。對比開環(huán)檢測電路,基于自動增益控制的閉環(huán)檢測電路可以減少因為檢測模態(tài)諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)和檢測電容檢測電路的漂移對輸出信號的影響。
　　 分析了陀螺儀數(shù)字化過程中字長,截斷誤差,采樣率等問題。通過分析與實驗選擇了高精度低

4、漂移的ADC,DAC芯片。設(shè)計了數(shù)字化陀螺儀測控電路的控制算法,包括數(shù)字化頻率可調(diào)正交信號發(fā)生器(DCQO),IIR數(shù)字濾波器,PI控制器,溫度補償控制算法,關(guān)鍵信號輸出算法。
　　 對微機械結(jié)構(gòu)的溫度特性進行了測試,陀螺儀諧振頻率隨溫度變化可以近似為線性關(guān)系。陀螺儀工作狀態(tài)穩(wěn)定,驅(qū)動頻率與驅(qū)動幅度能夠自動調(diào)節(jié),驅(qū)動頻率的精確度經(jīng)測試可以達到0.0015Hz.對數(shù)字化陀螺儀測控電路進行了溫度試驗,得出數(shù)字化測控電路的零偏與標度因