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(lái)檢測(cè)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(cè)電路研究方面,基于帶通Sigma-delta調(diào)制器(SDM)所設(shè)計(jì)的閉環(huán)檢測(cè)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(lái)的檢測(cè)輸出誤差、提高閉環(huán)檢測(cè)環(huán)路帶寬,是目前國(guó)內(nèi)外很多相關(guān)機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。因?yàn)槠銼DM環(huán)路難以明確、環(huán)路參數(shù)難以獲取,而國(guó)外對(duì)此研究比較成熟的機(jī)構(gòu)又對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行保密,因此有必要對(duì)硅微陀螺機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測(cè)方法有一個(gè)比較深入的研究,對(duì)此本文作了以下工作。首先對(duì)Sigma-delta調(diào)制器的基本原理進(jìn)行了研究,針對(duì)陀螺的結(jié)構(gòu)形式對(duì)SDM環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步選擇,放棄了級(jí)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(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)閉環(huán)檢測(cè)電路。其次從陀螺敏感結(jié)構(gòu)的離散化形式入手,對(duì)各種可行的離散時(shí)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(cè)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(shí)間SDM設(shè)計(jì)工具Dstoolbox,獲取了適用于陀螺的離散時(shí)間SDM閉環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)路參數(shù)。最終利用等價(jià)設(shè)計(jì)的原則完成了從離散時(shí)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(cè)環(huán)路的設(shè)計(jì)流程。然后針對(duì)陀螺具體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)將整個(gè)機(jī)電結(jié)合帶通SDM閉環(huán)檢測(cè)環(huán)路從功能上進(jìn)行了分解以及對(duì)環(huán)路參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,并在Simulink中進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了方案的可行性,對(duì)后續(xù)硬件電路的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。最后進(jìn)行了基于Sigma-delta的陀螺閉環(huán)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,包括硬件電路的設(shè)計(jì)與制板,FPGA中的Verilog代碼的編寫(xiě)以及實(shí)驗(yàn)的調(diào)試、觀測(cè)與數(shù)據(jù)的采集,并對(duì)所獲取的閉環(huán)結(jié)構(gòu)和參數(shù)在實(shí)際硬件中進(jìn)行了驗(yàn)證。最終通過(guò)對(duì)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(jì)的陀螺機(jī)電結(jié)合SDM閉環(huán)檢測(cè)電路具有明顯的噪聲整形功能,在信號(hào)帶寬處量化噪聲被抑制,測(cè)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(shí)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN96

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吉訓(xùn)生;王壽榮;;硅微陀螺漂移數(shù)據(jù)濾波方法研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2008年02期

2 吳校生,陳文元,張衛(wèi)平;磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺及其懸浮力與穩(wěn)定性的分析[J];傳感器技術(shù);2003年12期

3 劉宗林,李圣怡,吳學(xué)忠;解耦型靜電力閉環(huán)微陀螺[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2005年02期

4 黃曉剛;劉武;邵詩(shī)逸;陳文元;張衛(wèi)平;;磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];傳感器與微系統(tǒng);2006年01期

5 邵詩(shī)逸;黃曉剛;劉武;陳文元;;磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式研究[J];微電子學(xué);2006年01期

6 邵詩(shī)逸;黃曉剛;劉武;陳文元;;磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J];傳感器與微系統(tǒng);2006年02期

7 劉武;黃曉剛;邵詩(shī)逸;陳文元;張衛(wèi)平;;磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的電容檢測(cè)系統(tǒng)分析和實(shí)現(xiàn)[J];測(cè)控技術(shù);2006年01期

8 吳學(xué)忠;肖定邦;李圣怡;;自動(dòng)增益控制在振動(dòng)式微陀螺驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2006年03期

9 張潔;周百令;;一種新穎的z軸硅微陀螺儀信號(hào)檢測(cè)方案研究[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2007年18期

10 吳校生;陳文元;崔峰;;全固態(tài)微陀螺的研究進(jìn)展[J];電子器件;2008年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 范京;張福學(xué);;硅微陀螺自旋系統(tǒng)的盲信號(hào)處理[A];第十三屆全國(guó)信號(hào)處理學(xué)術(shù)年會(huì)（CCSP-2007）論文集[C];2007年

2 王安成;羅兵;吳美平;于化鵬;;硅微陀螺數(shù)字化雙閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制方法[A];2010年慣性技術(shù) 發(fā)展動(dòng)態(tài) 發(fā)展方向研討會(huì)文集[C];2010年

3 杜世宏;崔燕;;一種硅微陀螺儀的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)[A];《制造業(yè)自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)化制造》學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2004年

4 杜世宏;崔燕;;一種硅微陀螺儀的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)[A];先進(jìn)制造技術(shù)論壇暨第三屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2004年

5 李明輝;高世橋;;解耦型微陀螺儀的設(shè)計(jì)、制作與性能分析[A];2007'儀表，自動(dòng)化及先進(jìn)集成技術(shù)大會(huì)論文集（二）[C];2007年

6 嚴(yán)平;陳穎;;振動(dòng)式微陀螺驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)增益控制算法研究[A];第九屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

7 嚴(yán)平;陳穎;;振動(dòng)式微陀螺驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)增益控制算法研究[A];第九屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

8 楊東升;李邦元;王奇;;角速率微陀螺儀ADXRS401的原理與接口電路設(shè)計(jì)[A];航空裝備保障技術(shù)及發(fā)展——航空裝備保障技術(shù)專題研討會(huì)論文集[C];2006年

9 謝立強(qiáng);吳學(xué)忠;李圣怡;;相關(guān)檢測(cè)與自動(dòng)增益控制在音叉式石英微陀螺中的應(yīng)用[A];中國(guó)微米、納米技術(shù)第七屆學(xué)術(shù)會(huì)年會(huì)論文集（一）[C];2005年

10 孫偉;何小元;;微陀螺運(yùn)動(dòng)圖像識(shí)別方法的比較與選擇[A];第十三屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 見(jiàn)習(xí)記者 覃秘;華力創(chuàng)通 上馬硅微陀螺項(xiàng)目[N];上海證券報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 謝立強(qiáng);基于剪應(yīng)力檢測(cè)的新型石英微陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

2 蘇劍彬;蝶翼式硅微陀螺靜電力控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

3 王雄;搖擺質(zhì)量微陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

4 侯占強(qiáng);蝶翼式微陀螺零偏穩(wěn)定性提升關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

5 王冠石;電容式硅微陀螺接口ASIC芯片集成技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王浩旭;石英微陀螺結(jié)構(gòu)優(yōu)化與制造工藝研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

2 周澤龍;四葉片微陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

3 柳小軍;基于FPGA的硅微陀螺儀數(shù)字測(cè)控電路關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京信息工程大學(xué);2015年

4 湯衛(wèi)豐;硅微陀螺接口分布參數(shù)建模及測(cè)控電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2015年

5 范晨;GNSS/MIMU組合導(dǎo)航中微陀螺g敏感性誤差分析與補(bǔ)償方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

6 王譜華;硅微陀螺溫度誤差機(jī)理研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

7 戴波;新型對(duì)稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D];東南大學(xué);2015年

8 盧月娟;電容檢測(cè)式硅微陀螺敏感信號(hào)讀出電路性能研究[D];蘇州大學(xué);2016年

9 張濤;參數(shù)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)微陀螺振動(dòng)系統(tǒng)的非線性振動(dòng)特性和時(shí)滯反饋控制研究[D];上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué);2016年

10 王行軍;硅微陀螺儀信號(hào)反饋及誤差校正電路研究[D];東南大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：1797962