發(fā)布時間：2018-04-24 19:43

  本文選題：硅微陀螺儀 + 機(jī)電結(jié)合　； 參考：《南京理工大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：硅微陀螺儀(SMG)是一種利用哥氏效應(yīng)來檢測物體角速度的慣性器件,廣泛應(yīng)用于姿態(tài)定位、導(dǎo)航控制等領(lǐng)域。在硅微陀螺的檢測電路研究方面,基于帶通Sigma-delta調(diào)制器(SDM)所設(shè)計的閉環(huán)檢測電路可以使陀螺具有數(shù)字化輸出并且有效抑制帶寬內(nèi)的量化噪聲,而且閉環(huán)的特性可以有效消除機(jī)械加工誤差帶來的檢測輸出誤差、提高閉環(huán)檢測環(huán)路帶寬,是目前國內(nèi)外很多相關(guān)機(jī)構(gòu)研究的熱點。因為其SDM環(huán)路難以明確、環(huán)路參數(shù)難以獲取,而國外對此研究比較成熟的機(jī)構(gòu)又對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行保密,因此有必要對硅微陀螺機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測方法有一個比較深入的研究,對此本文作了以下工作。首先對Sigma-delta調(diào)制器的基本原理進(jìn)行了研究,針對陀螺的結(jié)構(gòu)形式對SDM環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步選擇,放棄了級聯(lián)和多位量化的方式,選擇了單環(huán)和一位量化的方式來設(shè)計整個閉環(huán)檢測電路。其次從陀螺敏感結(jié)構(gòu)的離散化形式入手,對各種可行的離散時間SDM環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析,得出單環(huán)CRFF結(jié)構(gòu)是建立硅微陀螺機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測環(huán)路最為理想的結(jié)構(gòu)。再根據(jù)陀螺結(jié)構(gòu)的的具體參數(shù),以帶通、帶寬、量程、分辨率等為約束條件,結(jié)合離散時間SDM設(shè)計工具Dstoolbox,獲取了適用于陀螺的離散時間SDM閉環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)路參數(shù)。最終利用等價設(shè)計的原則完成了從離散時間SDM到機(jī)電結(jié)合SDM的轉(zhuǎn)換,建立了一套完整的機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測環(huán)路的設(shè)計流程。然后針對陀螺具體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)將整個機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測環(huán)路從功能上進(jìn)行了分解以及對環(huán)路參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,并在Simulink中進(jìn)行了仿真,驗證了方案的可行性,對后續(xù)硬件電路的實現(xiàn)提供了設(shè)計基礎(chǔ)。最后進(jìn)行了基于Sigma-delta的陀螺閉環(huán)檢測電路的設(shè)計和實驗驗證,包括硬件電路的設(shè)計與制板,FPGA中的Verilog代碼的編寫以及實驗的調(diào)試、觀測與數(shù)據(jù)的采集,并對所獲取的閉環(huán)結(jié)構(gòu)和參數(shù)在實際硬件中進(jìn)行了驗證。最終通過對一位量化輸出結(jié)果進(jìn)行功率譜密度(PSD)分析,可以看到所設(shè)計的陀螺機(jī)電結(jié)合SDM閉環(huán)檢測電路具有明顯的噪聲整形功能,在信號帶寬處量化噪聲被抑制,測試結(jié)果顯示在帶寬內(nèi)的噪聲水平約為-70dBV/Hz1/2到-80dBV/Hz1/2。滿幅量程200°/s輸入的時候,一位量化輸出信噪比約為70dB,有效位數(shù)約為11.33位。
[Abstract]:Silicon microgyroscope (SMG) is a kind of inertial device which uses the Coriolis effect to detect the angular velocity of the object. It is widely used in the field of attitude positioning, navigation control and so on. In the aspect of detecting circuit of silicon microgyro, the closed-loop detection circuit based on band-pass Sigma-delta modulator can make gyroscope have digital output and restrain quantized noise in bandwidth effectively. Moreover, the characteristics of the closed-loop can effectively eliminate the detection output errors caused by machining errors, and improve the bandwidth of the closed-loop detection loop, which is a hot research topic of many related institutions at home and abroad. Because the SDM loop is difficult to define and the loop parameters are difficult to obtain, the relevant technology is kept secret by the foreign organizations which are more mature in the research. Therefore, it is necessary to have a deep research on the electromechanical band-pass SDM closed-loop detection method of silicon micro gyroscope. The following work has been done in this paper. Firstly, the basic principle of Sigma-delta modulator is studied, and the structure of SDM loop is preliminarily selected according to the structure of gyroscope, and the cascade and multi-bit quantization methods are abandoned. The single loop and one-bit quantization method are selected to design the whole closed-loop detection circuit. Secondly, starting with the discrete form of gyroscope sensitive structure, this paper makes a theoretical analysis of various feasible discrete time SDM loop structures. It is concluded that the single ring CRFF structure is the most ideal structure for establishing the silicon micro gyroscope electromechanical combined with bandpass SDM closed loop detection loop. According to the specific parameters of gyroscope structure, the loop parameters of discrete-time SDM closed-loop structure for gyroscope are obtained by taking bandpass, bandwidth, measurement range and resolution as constraint conditions, combined with the discrete time SDM design tool Dstoolbox. Finally, the conversion from discrete time SDM to electromechanical combined SDM is completed by using the principle of equivalent design, and a complete design flow of closed loop detection loop of electromechanical band-pass SDM is established. Then according to the structure and parameters of gyroscope, the whole electromechanical band-pass SDM closed-loop detection loop is decomposed in function and the loop parameters are adjusted, and the simulation in Simulink is carried out to verify the feasibility of the scheme. It provides the design basis for the implementation of the subsequent hardware circuit. Finally, the design and experimental verification of gyroscope closed-loop detection circuit based on Sigma-delta are carried out, including the design of hardware circuit, the preparation of Verilog code in board making FPGA, the debugging of experiment, the observation and data acquisition. The closed-loop structure and parameters obtained are verified in actual hardware. Finally, by analyzing the output result of one bit quantization, we can see that the gyroscope electromechanical combined with SDM closed-loop detection circuit has obvious noise shaping function, and the quantization noise is suppressed at the signal bandwidth. The test results show that the noise levels in the bandwidth range from -70 dBV / Hz1 / 2 to -80 dBV / Hz1 / 2. When the full amplitude range is 200 擄/ s input, the signal-to-noise ratio (SNR) of one bit quantization output is about 70 dB and the effective bit number is about 11.33 bits.
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN96

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本文編號：1797962