带通ΣΔ调制器在MEMS陀螺驱动环路的应用

研究了MEMS陀螺驱动环路的数字ΣΔ闭环控制.基于MEMS陀螺机械结构的二阶谐振特性,采用自激振荡的方式实现驱动闭环,通过数字延迟链实现相位控制,通过PI控制器保证驱动模态恒幅振动.设计4阶机电结合带通ΣΔ调制器代替数模转换器(DAC)实现静电力反馈,来抑制闭环控制系统的带内噪声,同时降低驱动级模拟电路的复杂度.通过FPGA进行实验验证,测试结果表明应用该驱动环路,其驱动模态振动幅值稳定性为3.67×10-4,MEMS陀螺输出零偏不稳定性为1.219°/h.     

基于虚拟哥氏力的MEMS陀螺仪自标定方法及实验

本文提出了使用虚拟哥氏力来标定MEMS陀螺仪特性的一种方法,通过利用一系列电压信号来模拟哥氏力和角速率的输入,以获得陀螺仪的频率特性响应。该方法可以分别在开环模式和闭环模式的情况下便捷且高效的测量出陀螺的标度因数等性能指标。同时,该方法可以很容易识别外部角速度的动态响应,增大了传统标定方法的频率范围,避免了利用测试设备标定陀螺所面临的性能局限。并且,该方法可以用于微机械陀螺的误差校正和故障检测。本文所使用的陀螺是自主研制的双质量线振动陀螺。     

MEMS陀螺仪ΣΔ闭环系统优化设计

为解决传统ΣΔ闭环控制系统存在的量化增益不可控问题,设计了基于3-level量化技术的改进系统;针对此系统应用于微电子机械系统(MEMS)陀螺仪时引入的非线性反馈误差,提出了一种调整反馈脉冲宽度的矫正技术;并基于课题组研制的新型类蛛网环式谐振陀螺仪验证了改进系统的实用性。首先采用Simulink建立了四阶机电耦合ΣΔ系统等效模型,理论分析与仿真结果表明,3-level量化技术在降低量化噪声的同时解决了量化增益不可控问题,进而有效提高了陀螺仪量程和噪声水平性能。然后基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计制作了相应的数字测控电路,实验结果显示,陀螺仪的角度随机游走由0.094°/√h降低为0.062°/√h,量程由100°/s提高到130°/s,系统性能得到了有效提升。     

基于MEMS 陀螺辅助增大闭环光纤陀螺动态范围的方法

闭环光纤陀螺的动态范围随着精度的提高而下降,为了增大闭环光纤陀螺动态范围,提出了一种基于MEMS 陀螺辅助的增大闭环光纤陀螺动态范围的方法,利用MEMS 陀螺量程大的特点,将MEMS 陀螺与光纤陀螺测得的角速率作差,依据该差值判断光纤陀螺工作的干涉级数,从而对光纤陀螺输出加以修正,使光纤陀螺准确工作在多级干涉条纹。仿真表明,提出的方法能够有效的增大闭环光纤陀螺动态范围,提高闭环光纤陀螺的量程。     

光电系统中挠性陀螺闭环和开环应用效果的对比分析

阐述了挠性陀螺的闭环和开环两种应用方式,并从力矩刚度的角度分析了系统在两种模式下的稳定性。理论分析表明,在陀螺闭环应用时,系统的力矩刚度会受到陀螺带宽的限制;在陀螺开环应用时,系统的力矩刚度不受陀螺带宽的限制而会大大增加。仿真与试验结果表明,陀螺开环应用效果要好于陀螺闭环应用效果,提高了系统的力矩刚度,改善了系统的稳定性。该结果证明了理论分析的正确性,对工程应用具有一定的指导作用。     

双框架解耦微陀螺原理样机研制

为了把驱动工作模态和检测工作模态有效隔离,以减小模态间的互相干扰,设计了一种双框架解耦微机械陀螺。通过采用可工程化的鲁棒优化结构设计和工艺补偿的制造工艺,实现了工艺误差范围内的稳健设计。这种内外框架结构的微陀螺设计,包括自激闭环驱动电路和开环检测电路,对微陀螺进行测试,得到微陀螺驱动模态品质因素〉2000,检测模态品质因素〉800,量程为2400°/s,线性度〈0.3%,灵敏度为1°/s。     

双路闭环谐振式微光学陀螺

通过建模仿真,从改善陀螺输出带宽以及提高互易性噪声抑制能力出发,对单路闭环谐振式微光学陀螺(R-MOG)和双路闭环R-MOG进行了分析研究。相比于单路闭环R-MOG,双路闭环R-MOG在抑制互易性噪声的同时,能较好地改善输出带宽,并进一步提高陀螺系统的线性度。在此基础上,搭建了双路闭环R-MOG的实验系统,并进行了陀螺零偏稳定性以及输出响应特性测试。实验结果表明,陀螺1h的零偏稳定性为0.53°/s,在±1000°/s转速范围内,陀螺系统的线性度为99.995%。     

一种闭环干涉式光纤陀螺的研究与实现

介绍了一种采用DSP和相关检测技术实现的闭环干涉式光纤陀螺.该闭环光纤陀螺采用以多功能集成光学器件为核心的结构,以方波为偏置调制,数字阶梯波为反馈.在此基础上提出的相关检测方法较好地发挥了闭环干涉式光纤陀螺的优点,使系统具有检测精度高、动态范围大、低漂移等优点,是一种理想的检测技术.     

MEMS陀螺器件与驱动电路的相位关系研究

为了指导高性能MEMS陀螺的驱动电路设计,针对MEMS陀螺器件与外围驱动电路之间存在的"激励电压、静电力、质量块位移、检测电容变化、检测电流、检测电压"五次信号转换进行了详细研究,获得了确切的相位关系,建立传输函数模型。最终根据推得的总体相位关系,设计并实现了一款基于锁相技术的闭环驱动电路。测试结果表明,MEMS陀螺系统能在3s内可靠起振且无振铃,稳定振荡频率为10.33 kHz,稳定振荡幅度为2.05 V。该测试结果验证了此相位关系研究的必要性与正确性,此研究同样适用于其他静电驱动、电容检测式MEMS传感器。     

光纤陀螺的闭环实现和信号分析

文章提出了一种在开环去偏光纤陀螺基础上实现闭环解调的方案，并分析了反馈信号的各项参数的变化对陀螺输出信号的影响。在保持零偏稳定性好的情况下，在±300°／s转速范围内实现了较低的标度因数非线性度。     

2 GHz采样连续时间ΣΔ ADC高层次建模

宽带连续时间ΣΔADC被大量应用于无线通信及其他领域。设计采用3阶连续时间系统架构,包含3级RC环路滤波器和4位内部量化器,采样时钟频率为2GHz。通过引入半个时钟周期延时来改善环路异步问题,以补偿环路延时对性能的影响。对连续时间ΣΔADC的非理想因素,如运放有限带宽、有限增益、积分器时常数变化、DAC失配、比较器失调、时钟抖动等,进行建模,通过大量系统仿真,得出各个非理想参数指标,在100 MHz带宽内、2GHz采样频率下,ΣΔADC的SNDR为76.8dB,动态范围为77dB。     

一种新型三自由度谐振式MEMS陀螺

针对谐振式MEMS陀螺检测带宽与检测灵敏度相矛盾的问题,根据两质量块谐振器具有对机械位移放大的特点,提出了一种新型结构的谐振式MEMS陀螺,采用单自由度驱动、双自由度检测,驱动模态谐振频率落在检测模态两个质量块谐振频率叠加形成的平坦区域内,有效增加了陀螺检测带宽,提高了陀螺的抗干扰性能。建立了新型谐振式MEMS陀螺结构动力学模型,对陀螺结构进行有限元仿真分析,在常压环境下对陀螺结构进行测试。结果表明,该结构有效增加陀螺检测带宽,改善了陀螺的抗干扰性能,克服了由于工艺加工精度不足带来的陀螺结构不对称所引起的误差,降低了对加工工艺和加工精度的要求。     

一种体声波滤波器仿真设计分析

文中着重阐述了基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术制造的薄膜体声波谐振器／滤波器，简述了它的结构及原理，分析了其主要特征参数和设计方法，并设计了中心频率为2．4GHz，带宽为100MHz的带通滤波器，展示了薄膜体声波谐振器／滤波器的突出性能，为通信MEMS技术的微型化发展提供了更广阔的道路。     

MEMS陀螺仪驱动接口ASIC设计

基于0.18 μm CMOS工艺,设计了一种用于MEMS陀螺仪驱动闭环的专用集成电路,实现了MEMS陀螺仪的高精度、集成式和数字化驱动。陀螺仪采用静电力驱动,基于自激振荡原理,结合自动增益控制方法,实现了恒幅恒频振动。设计了电容/电压转换器、3阶带通Σ-Δ ADC等模拟前端电路。芯片测试结果表明,陀螺仪成功起振,谐振频率为3.7 kHz,启动时间≤0.3 s,驱动检测信号的信噪比达到115 dB,驱动振幅1 h稳定性为1.5×10-4,整个芯片的功耗小于20 mW,电路性能良好。     

国外简讯

在原来的音叉型振动陀螺中,无论是音叉振子的驱动,还是由哥氏力引起的位移的检测,都是利用压电元件,即贴在音叉上和贴在音叉支撑板上的压电片实现的.因此,驱动部分的电系统与检测部分的电系统往往会相互干扰,从而降低哥氏力的检测精度.为解决上述问题,日本电气家用电子学公司(株)的研究人员,在原来的音叉型振动陀螺的基础上,把激光二极管等发光元件装在陀螺的外壳上,把光纤与垂直轴平行地设在振子上,并使光纤的一端与发光元件连接,另外,在振子腕部的顶端面设置光检测器.     

梳齿差分电容式体硅微加速度计(英文)

提出了一种体硅微加速度计的设计和制造方法,同时设计了它的闭环反馈伺服电路,分析了加速度计的质量块、悬臂梁和梳尺间隙对量程、非线性、灵敏度、抗冲击能力和带宽等特性的影响。已经加工出的微加速度计,其全量程为±60g,非线性度0.2%,带宽1kHz,灵敏度200mV/g,抗冲击能力10kg。对由加速度计结构设计、温度和伺服电路造成的零位漂移现象进行了分析,提出了一种制造微加速度计的新颖MEMS工艺———正面释放体硅工艺。     

基于相位负反馈的振弦式陀螺驱动电路研究

介绍了一种采用电磁驱动频率检测的振弦式陀螺。为了实现振弦式陀螺稳幅谐振，分析了振弦式陀螺驱动模态的动力学特性和电学特性。根据其特性设计了基于相位负反馈的闭环驱动系统，建立其Simulink系统模型，分析了驱动模态固有频率发生偏差时驱动系统的锁频稳幅性能。对闭环驱动系统进行了器件级电路实现与仿真。结果表明，陀螺稳幅起振时间约为1.5 s，稳定后频率抖动小于0.020 6 Hz。最后对闭环驱动电路进行了实物制作与驱动测试，测试结果与仿真结果一致，验证了闭环驱动电路能够实现陀螺频率追踪与幅值稳定的控制要求。     

方波调制误差对光纤陀螺的影响分析与实验

根据数字闭环光纤陀螺的方波调制、解调原理,指出调制方波的频率、相位和占空比不理想是造成方波调制误差的原因。讨论了周期脉冲干扰的频率和相位特征,利用周期脉冲干扰的傅里叶级数推导出了方波调制误差的数学模型。建立了带有方波调制误差的闭环光纤陀螺简化模型,推导出了方波调制误差和陀螺输出偏置误差的关系。通过仿真和测试分析了调制方波的周期、相位、占空比、光纤环的群延时以及放大电路的增益带宽对陀螺输出偏置的影响。最后,给出了一种利用周期脉冲干扰波形检测方波调制误差的简易方法。     

一种连续/离散混合结构的音频Sigma Delta模数转换器设计

虽然目前大多数音频ΣΔADC多采用离散时间结构,但是对于需要同时满足高精度、低功耗的新型技术应用,连续时间ΣΔADC的优点越发显得格外明显。连续时间ΣΔADC允许放宽对高增益带宽运算放大器的要求,从而降低了功耗;内置抗混叠滤波器,衰减了带外噪声。本文根据连续时间和离散时间的各自优缺点,提出了一种新型混合结构的四阶、单环、4比特量化ΣΔADC,第一级积分器采用连续时间结构,降低输入噪声、功耗和对输入、反馈驱动电路的需求,第二、三、四级积分器采用离散时间结构,保证了ΣΔADC的线性度和稳定性。测试结果表明混合结构ΣΔADC的峰值信噪比达到100dB,芯片总体功耗为30mW。     

偏振度作为反馈信号的偏振模色散补偿系统的性能研究

在以信号偏振度(DOP)作为反馈信号的偏振模色散补偿系统中．提出了分别利用带通和带阻滤波器来改进反馈信号的灵敏度和监测窗口的方法。比较了40Gbit／s归零(RZ)码传输系统和10Gbit／s非归零(NRZ)码传输系统中滤波器在改进反馈信号监测性能方面的作用．对滤波带宽的选择作了定性的数值分析。结果表明，通过滤波器的引入，可在很大范围内避免补偿算法在搜索中出现局部极值的可能，减少了迂回搜索．改进了补偿效果，同时有利于补偿系统的稳定。