本文關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子式微陀螺ASIC接口檢測電路設(shè)計

  更多相關(guān)文章： 球碟-轉(zhuǎn)子式陀螺 電荷放大 電容檢測 差分電容 線性化處理

【摘要】：隨著慣性器件的發(fā)展,陀螺儀在各個領(lǐng)域尤其是軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域里扮演了越來越重要的角色,因此也驅(qū)動了各個科研機構(gòu)對陀螺儀的研發(fā)改進和性能的完善以滿足陀螺儀對不同環(huán)境的適應(yīng)性。哈工大MEMS中心提出了一種新型的球碟轉(zhuǎn)子式陀螺結(jié)構(gòu),其基本原理是通過對差分電容隨外界變化而變化的檢測從而確定角速度等物理量,檢測電路的性能決定最終輸出結(jié)果的精度,所以檢測電路對于整個系統(tǒng)的重要性不言而喻。本論文首先對陀螺系統(tǒng)的原理進行綜述,詳細介紹檢測電路的工作原理,重點對整體系統(tǒng)進行模塊劃分,深入了解球碟-轉(zhuǎn)子式陀螺驅(qū)動電路和檢測電路各個模塊的工作原理與設(shè)計要求,具體完成球碟-轉(zhuǎn)子式陀螺檢測電路的各個功能模塊的設(shè)計。檢測電路包括正弦發(fā)生器,高頻調(diào)制器,開關(guān)相敏解調(diào)電路,具有放大功能的有源低通濾波器,無源低通濾波器等。具體設(shè)計思路為通過高頻載波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻載波對陀螺進行驅(qū)動,經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后對信號二級放大防止噪聲對信號的影響。輸出信號經(jīng)過反相比例放大器反相得到差分信號,利用開關(guān)相敏解調(diào)器對信號進行解調(diào),然后對解調(diào)出的信號進行低通濾波濾除噪聲和高頻載波得到輸出電位。根據(jù)指標要求對電路基本結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,電路基本結(jié)構(gòu)確定后利用Candence仿真軟件對電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)指標進行驗證,綜合電路的各個指標要求實現(xiàn)各個模塊的基本功能。通過系統(tǒng)整體信號輸出和性能指標要求可以得到檢測電路的電容分辨率。對輸出信號進行線性擬合并對數(shù)據(jù)進行處理可以得到刻度因數(shù)和非線性因數(shù)。對輸出高頻載波進行傅立葉頻譜分析得到諧波失真相關(guān)指標。對不同溫度下電路的刻度因數(shù)的分析得到溫度系數(shù)。對各個模塊進行優(yōu)化處理并基于0.35μm CMOS工藝完成系統(tǒng)整體的版圖繪制,并對系統(tǒng)整體進行后仿驗證分析和完善。通過對電路的設(shè)計和完善,最終設(shè)計出的高頻載波發(fā)生器的頻率為200kHz,起振時間為8.77ms,振幅為7.36V,諧波失真為-110dB,高增益多級運算放大器的增益為115.29dB,相位裕度為80.93°,帶寬為3.3MHz,電容相對分辨率為4.5×10-9pf,非線性因子為5×10-5,檢測電容范圍是4.5×10-8pf到5×10-2pf,溫度系數(shù)為67ppm/℃,各個模塊參數(shù)滿足性能指標。
【關(guān)鍵詞】：球碟-轉(zhuǎn)子式陀螺 電荷放大 電容檢測 差分電容 線性化處理
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN96;TN402
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題背景9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 靜電懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺10-13
• 1.2.2 磁懸浮轉(zhuǎn)子式陀螺13-16
• 1.3 研究目的和意義16-17
• 1.4 本課題研究內(nèi)容17-18
• 第2章 球碟轉(zhuǎn)子式陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理18-23
• 2.1 球碟轉(zhuǎn)子式陀螺的工作原理18-19
• 2.2 微轉(zhuǎn)子陀螺電容檢測工作原理19-22
• 2.2.1 檢測方向偏轉(zhuǎn)位移分析19-21
• 2.2.2 高頻信號調(diào)制原理21-22
• 2.2.3 檢測電路原理22
• 2.3 本章小結(jié)22-23
• 第3章 球碟微轉(zhuǎn)子陀螺檢測電路設(shè)計23-52
• 3.1 基于文氏橋電路的正弦信號發(fā)生器23-29
• 3.1.1 文氏橋電路的原理23-24
• 3.1.2 文氏橋電路結(jié)構(gòu)24-25
• 3.1.3 產(chǎn)生自激振蕩的原理25-26
• 3.1.4 振蕩的建立和穩(wěn)定26-27
• 3.1.5 正弦信號發(fā)生器電路設(shè)計27-29
• 3.2 自舉基準偏置電路的設(shè)計29-35
• 3.2.1 基準源的基本原理30-33
• 3.2.2 基準源的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計33-35
• 3.3 高性能運算放大器的設(shè)計35-39
• 3.3.1 運放的重要參數(shù)35
• 3.3.2 米勒補償35-37
• 3.3.3 運算放大器的結(jié)構(gòu)和仿真37-39
• 3.4 高頻載波信號產(chǎn)生電路的設(shè)計39-42
• 3.4.1 比較器的電路原理39
• 3.4.2 比較器的特性39-41
• 3.4.3 高頻載波信號產(chǎn)生電路的設(shè)計和仿真41-42
• 3.5 接口電路干路的設(shè)計和仿真驗證42-51
• 3.5.1 前級電荷放大器與差分放大電路的設(shè)計43-45
• 3.5.2 帶增益的低通濾波器的電路設(shè)計和仿真驗證45-47
• 3.5.3 開關(guān)相敏解調(diào)電路的設(shè)計47-48
• 3.5.4 完整檢測接口電路仿真驗證48-51
• 3.6 本章小結(jié)51-52
• 第4章 檢測電路版圖設(shè)計與后仿驗證52-56
• 4.1 檢測電路整體版圖設(shè)計52-53
• 4.2 檢測電路版圖后仿與分析53-55
• 4.2.1 高頻載波發(fā)生器后仿結(jié)果53
• 4.2.2 檢測電路系統(tǒng)非線性后仿結(jié)果53-55
• 4.3 本章小結(jié)55-56
• 結(jié)論56-57
• 參考文獻57-62
• 致謝62

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本文編號：784005