本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的微陀螺儀驅(qū)動與檢測電路設(shè)計研究

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【摘要】：微機(jī)械陀螺儀具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、易數(shù)字化及可批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn),在航空航天、武器裝備、汽車工業(yè)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。一個微陀螺儀系統(tǒng)要能正常工作,除了要有性能卓越的敏感元件作為核心器件外,陀螺的驅(qū)動電路和信號檢測電路也是必不可少的部分。本文以本課題組自主研發(fā)設(shè)計的線振動式微機(jī)械陀螺為研究對象,以提高微機(jī)械陀螺的性能和減小微機(jī)械陀螺體積為目標(biāo),以微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路可ASIC化為出發(fā)點(diǎn),開展了微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路的設(shè)計與研究。主要包括:模擬接口電路的設(shè)計研究、數(shù)字化閉環(huán)驅(qū)動電路的設(shè)計研究以及角速度檢測電路的設(shè)計研究。論文對微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路的總體方案進(jìn)行了分析討論,通過比較分析模擬測控技術(shù)與數(shù)字測控技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn),選擇了有諸多優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字測控技術(shù)對陀螺驅(qū)動檢測模態(tài)進(jìn)行設(shè)計研究,并設(shè)計了陀螺數(shù)字化測控系統(tǒng)總體方案。采用環(huán)形二極管電路完成信號的C/V轉(zhuǎn)換,并利用電壓跟隨器和反相器設(shè)計了驅(qū)動輸入接口電路。為了選取合適的ADC和DAC,分析計算了微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路的采樣頻率和量化位數(shù)。并對微機(jī)械陀螺系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計方案進(jìn)行了設(shè)計研究。論文對微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化閉環(huán)驅(qū)動電路進(jìn)行了設(shè)計與研究。本文采用自激振蕩+AGC的方式實現(xiàn)了陀螺數(shù)字化閉環(huán)驅(qū)動電路。對在閉環(huán)驅(qū)動電路中起關(guān)鍵作用的AGC(自動增益控制)算法進(jìn)行了改進(jìn),提高了算法的控制精度。利用CORDIC算法獲得了電容檢測時所需的載波信號。并介紹了數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動電路中帶通濾波器和相移等模塊的實現(xiàn)過程。論文對微機(jī)械陀螺數(shù)字化檢測電路進(jìn)行了分析和設(shè)計,對數(shù)字化檢測電路中的角速度解調(diào)模塊進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化,有效提高了角速度檢測信號的穩(wěn)定性。對數(shù)字化檢測電路中的低通濾波器進(jìn)行設(shè)計,詳細(xì)論述了如何利用FIR進(jìn)行低通濾波器的設(shè)計。根據(jù)設(shè)計的陀螺模擬接口電路加工了模擬接口電路測試PCB板,并將設(shè)計的數(shù)字化驅(qū)動與檢測硬件電路程序代碼加載到FPGA開發(fā)板中。對設(shè)計好的微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路進(jìn)行了實驗測試,檢測到了正確的信號,實驗表明設(shè)計的數(shù)字化驅(qū)動與檢測電路滿足陀螺正常工作的基本要求。微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控電路的實現(xiàn)對提高陀螺性能(如穩(wěn)定性、精度等),減小陀螺體積,降低陀螺功耗有著重要的意義。
【關(guān)鍵詞】：微機(jī)械陀螺 FPGA 自動增益控制 閉環(huán)驅(qū)動 數(shù)字處理系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V241.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 課題研究背景及意義12-13
• 1.2 微機(jī)械陀螺測控電路的研究現(xiàn)狀13-24
• 1.2.1 微機(jī)械陀螺測控電路的國外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.2 微機(jī)械陀螺測控電路的國內(nèi)研究現(xiàn)狀21-24
• 1.3 本文研究內(nèi)容及意義24-26
• 第2章 微機(jī)械陀螺儀基本原理與總體方案設(shè)計26-52
• 2.1 微機(jī)械陀螺儀的基本原理26-39
• 2.1.1 哥氏效應(yīng)26-28
• 2.1.2 微機(jī)械陀螺動力學(xué)分析28-34
• 2.1.3 靜電驅(qū)動原理34-36
• 2.1.4 電容檢測原理36-37
• 2.1.5 微機(jī)械陀螺封裝37-39
• 2.2 微機(jī)械陀螺數(shù)字化總體方案39-42
• 2.3 模擬接口電路的設(shè)計42-48
• 2.3.1 C/V轉(zhuǎn)換電路42-44
• 2.3.2 驅(qū)動輸入接口電路的設(shè)計44-45
• 2.3.3 ADC和DAC的設(shè)計45-48
• 2.4 微機(jī)械陀螺數(shù)字信號處理系統(tǒng)總體方案48-50
• 2.5 本章小結(jié)50-52
• 第3章 數(shù)字化閉環(huán)驅(qū)動電路的設(shè)計52-74
• 3.1 自激振蕩與AGC的設(shè)計52-58
• 3.1.1 自激振蕩環(huán)路分析52-55
• 3.1.2 數(shù)字AGC算法的介紹55-56
• 3.1.3 數(shù)字AGC算法的改進(jìn)56-58
• 3.2 FIR帶通濾波器的實現(xiàn)58-62
• 3.2.1 FIR濾波器原理58-59
• 3.2.2 設(shè)計要求和濾波參數(shù)選取59-62
• 3.3 相移模塊的設(shè)計62-68
• 3.4 載波產(chǎn)生及載波解調(diào)的實現(xiàn)68-73
• 3.4.1 CORDIC算法介紹68-71
• 3.4.2 載波產(chǎn)生和載波解調(diào)模塊的設(shè)計71-73
• 3.5 本章小結(jié)73-74
• 第4章 數(shù)字化檢測電路的設(shè)計74-82
• 4.1 角速度解調(diào)電路的設(shè)計74-76
• 4.2 FIR低通濾波器的實現(xiàn)76-81
• 4.2.1 窗函數(shù)的選擇77-78
• 4.2.2 設(shè)計過程78-81
• 4.3 本章小結(jié)81-82
• 第5章 數(shù)字化驅(qū)動與檢測電路的測試及分析82-86
• 5.1 陀螺數(shù)字系統(tǒng)的測試82-85
• 5.2 本章小結(jié)85-86
• 第6章 總結(jié)與展望86-89
• 6.1 總結(jié)86-87
• 6.2 展望87-89
• 參考文獻(xiàn)89-94
• 附錄94-104
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單104-105
• 致謝105-106

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本文編號：817363