MEMS陀螺仪高阶带通ΣΔ闭环检测系统设计北大核心

为了解决MEMS陀螺仪开环检测带宽窄、量程低、线性度差等问题,设计了机电结合带通ΣΔ闭环检测系统。首先设计4阶带通纯电学ΣΔ调制器,结合MEMS陀螺的机械结构,提出机电结合闭环检测系统结构及参数获取方法。该环路采用脉冲密度反馈方式,考虑输入热噪声、正交误差等非理想因素,建立闭环检测系统的非理想模型。仿真结果表明：对比开环检测,该闭环反馈力平衡了哥氏力,抑制了哥氏振动,陀螺的响应位移降低了4个数量级,响应速度提升了0.6 s;当陀螺量程为300°/s、带宽200 Hz时,信噪比（SNR）达到了113.2 dB。基于现场可编程门阵列（FPGA）开发了MEMS陀螺测控系统电路并进行实际测试,结果表明闭环检测标度因数非线性、测量范围和带宽分别提高了4倍、1.5倍和1.5倍,系统性能得到了有效提升。     

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。     

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.     

陀螺滤波在改善伺服系统低速特性中的应用

压电陀螺作为陀螺稳定平台伺服系统稳定回路的反馈测量元件,它的输出噪声直接影响伺服系统低速引导情况下的控制精度。抑制陀螺的输出噪声是改善伺服系统低速特性的有效手段之一。提出了一种基于一阶自回归模型的卡尔曼滤波算法,并应用于实际系统中。采用该方法,伺服系统的低速精度指标由原来采用移动平均滤波的0.102 13°/s提高到0.063 03°/s。同时探讨和总结了卡尔曼滤波器在伺服系统中应用的必要条件。实验证明,卡尔曼滤波可以有效地改善伺服系统的低速特性。     

一种采用电容数字自校准技术的连续/离散混合结构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,提出了一种采用数字电容自校准技术的连续/离散混合结构的四阶、单环、4比特量化ΣΔADC,电容数字自校准电路用来补偿连续时间积分器的RC常数。测试结果表明混合结构ΣΔADC的峰值信噪比达到102dB,芯片总体功耗为30mW。     

基于相关信道统计的有限速率反馈波束形成

针对实际MIMO系统无线信道存在的空域相关性,提出了一种基于相关信道统计的改进算法.基于此算法,并采用随机码本量化信道信息形成一种新波束形成方案,它只需要有限速率反馈部分信道信息,可以同时获得系统多用户分集增益和阵列增益,解决了常规波束形成需要大量信道反馈信息和相干波束形成系统性能对信道瞬时变化信息敏感的问题.仿真结果表明,提出方案在相关信道下相当有效,其性能超过常规波束形成,即使在有限反馈限制条件下,其性能亦接近相干机会波束的性能,仅有0.2 bit/s·Hz-1的性能损失.     

BPNN辅助KF的MEMS陀螺仪数据处理方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺仪数据误差建模不精确或无法给出模型的情况,提出了误差反馈（BP）神经网络辅助卡尔曼滤波对陀螺仪数据进行降噪处理的方法。分析卡尔曼滤波器的系统噪声方差Q矩阵可知,当模型不精确时可通过Q补偿。基于BP神经网络优化Q值原理,首先把采集到的MEMS陀螺仪数据输入卡尔曼滤波器得到Q;再把新息、滤波增益、量测噪声方差输入神经网络,把Q作为神经网络的输出,神经网络优化系统噪声协方差矩阵得到Q*;最后将Q*作为卡尔曼滤波算法系统噪声方差矩阵。实验结果表明,在建模不精确的情况下该方法也能有效提高陀螺仪的精度。     

ΣΔ调制的噪声整形特性研究

分析ΣΔ调制的过采样技术和噪声整形技术对噪声进行整形的基本原理,研究过采样率和调制器阶数对基带内量化噪声的整形效果及输出信噪比的影响,通过仿真分析验证ΣΔ调制的噪声整形性能。     

谐振式光学陀螺数字锁频精度优化设计北大核心

环境温度等外界因素引起的互易性噪声极易改变谐振式光学陀螺中光波导谐振腔特性,对陀螺系统测试产生极大影响。利用高精度的激光频率锁定技术对陀螺系统中的互异性噪声进行有效抑制,提高了陀螺性能。根据谐振式光学陀螺系统工作原理,分析建立激光器锁频闭环回路模型,通过程控运算放大电路改变控制增益,优化激光器电流调谐的控制精度,实现了闭环回路锁频精度的提升与系统中的互异性噪声的抑制。通过搭建的谐振式光学陀螺系统平台测试得到,锁频精度可提高近一个数量级,最终成功将频率锁定精度提升至6.3°/h,陀螺长期零偏稳定性达到31.26°/h。     

某力矩反馈速率陀螺仪性能的试验研究

通过推导得出力矩反馈速率陀螺仪的主要性能参数等效阻尼比及等效转动惯量与陀螺表头增益及时间常数有关.针对某力矩反馈速率陀螺仪设计了再平衡回路,试验确定了不同输入频率下陀螺表头参数的变化趋势,从而得出陀螺的主要性能参数阻尼比及转动惯量在整个频段内的变化趋势.解决了陀螺仪性能参数在使用中不准确,从而影响回路设计的问题,为力矩反馈速率陀螺仪的实际应用提供了依据.     

基于ΣΔ调制的Tetra基带前端设计

抗混叠滤波和模数转换器性能严重影响到后续接收机的数字处理。高分辨率A/D转换虽然可改善信号/量化噪声比,但也要求抗混叠滤波器有更低阻带衰减,致使其实现复杂、成本增加。在Tetra系统基带设计中,采用过采样ΣΔ调制可平衡高比特A/D转换与简单抗混叠滤波两者矛盾的要求。在分析ΣΔ调制的噪声整形基础上,针对Tetra系统要求,完成过采样3阶ΣΔ调制器及1/16降速抽取滤波器设计,MATLAB仿真验证了设计的正确和有效性,给出了相关的设计结果。     

电子倍增CCD性能参数测试方法研究

电子倍增CCD（EMCCD）性能参数测试是电子倍增CCD芯片及其成像系统研制的重要辅助手段和设计依据。在对 EMCCD的工作原理进行了阐述之后,介绍了 EMCCD 的各项特性参数,分析了相关参数的测试方法。针对测试过程中出现的单位转换问题,引入了转换增益的概念,提出了基于改进的光子转移技术的EMCCD性能参数的测试方法,建立了EMCCD性能参数测试系统,该系统包括高稳定度可控标准钨灯、光学系统、暗箱、数据采集与处理系统等。对Andor Luca相机的转换增益、满阱容量、倍增增益、读出噪声、时钟诱导噪声和暗电流进行了测试。实验结果表明:测试值与相机的指标值基本一致,测试结果准确,证明了所提出的测试方法有效可靠。     

自动量程切换电压测量系统设计

电压测量是电子系统中不可或缺的一项技术,随着待测电压动态范围的急剧扩大,需要能实现量程自动切换的测量方法。提出一种自动量程切换电压测量系统的设计方法,该系统基于程控增益放大器器件,使用单片机控制其增益实现量程的自动切换。针对信道误差、温度漂移等问题,采用通道自校准技术,降低了信道对于测量的误差。通过对实际软硬件的测试表明,该系统能准确根据大小信号调整量程,并对系统及环境误差有一定的抗干扰能力。     

一种低反馈开销多用户MIMO-OFDM系统功率最小化方案

该文利用凸规划理论中的库恩-塔克条件,为基于TCM编码的多用户MIMO-OFDM系统中实时业务资源优化问题提出了一种低反馈开销的功率最小化方案。该方案首先设计速率、功率和等效信道量化门限的码本,然后根据当前的信道状态信息分配子载波并对等效信道增益量化,最后基站给用户广播资源分配结果。仿真结果表明:相比其它方案,该文提出的方案有效降低系统能耗并且具有反馈开销低的特点。     

MEMS陀螺仪开机漂移的补偿

微机电系统(MEMS)陀螺仪体积很小,开机时产生的功耗会导致较大升温,造成电性能漂移严重,增加启动时间。为解决这个问题,分析了MEMS陀螺仪中对温度敏感的环节,并建立温度模型。通过对温度特性的补偿得到最小化的开机漂移。然后设计了一款MEMS陀螺仪电路以实现开机漂移的补偿。实测结果表明,采用该补偿方法,能够把100 s内的开机漂移减小到0.06°/s,满足应用需求。     

三阶一位量化CIFB结构∑-ΔADC调制器设计

提出了一种基于Maltab SIMULINK的Sigma-Delta调制器的设计与仿真方法,采用单环三阶CIFB结构、一位量化器位数和256倍过采样率,设计中对噪声传输函数的零极点和系统反馈系数进行了优化,缩小了模拟电路的设计难度,提升了系统稳定性。在考虑积分器的有限直流增益、饱和电压、压摆率和增益带宽等非理想因素情况下进行建模,得到了SNDR和ENOB分别为123 dB,20.14 bits,仿真结果表明,该结构可在低量化位数的情况下,得到较高的精度和较好的稳定性,可在高层次上指导调制器晶体管级电路设计。     

三阶一位量化CIFB结构∑-△ADC调制器设计

提出了一种基于Maltab SIMULINK的Sigma-Delta调制器的设计与仿真方法,采用单环三阶CIFB结构、一位量化器位数和256倍过采样率,设计中对噪声传输函数的零极点和系统反馈系数进行了优化,缩小了模拟电路的设计难度,提升了系统稳定性.在考虑积分器的有限直流增益、饱和电压、压摆率和增益带宽等非理想因素情况下进行建模,得到了SNDR和ENOB分别为123 dB,20.14 bits,仿真结果表明,该结构可在低量化位数的情况下,得到较高的精度和较好的稳定性,可在高层次上指导调制器晶体管级电路设计.     

基于半参数回归模型的微陀螺仪温度补偿技术

设计了一种基于半参数回归模型的微陀螺仪温度补偿方法.针对微陀螺仪启动时受温度变化影响明显、角速度输出误差较大的问题,提出对于温度的补偿不仅要考虑趋势项,而且要估计模型误差.建立了温度补偿的半参数回归模型,采用补偿最小二乘进行求解.实验结果表明,对于某型微陀螺仪采用温度补偿的半参数回归模型是可行且有效的,相对于常规的多项式拟合方法,补偿后的信号噪声降低了1个数量级,优于0.005 (°)/s,从而有效缩短了陀螺仪启动稳定时间.     

利用光电反馈抑制钛宝石激光器低频段的强度噪声

对前置光电负反馈抑制钛宝石激光器强度噪声方法的特性进行了理论分析,表明注入噪声不同时对应的最佳反馈增益不同。利用前置光电负反馈方法,在实验上实现了全固态连续单频可调谐钛宝石激光器低频段的强度噪声抑制,通过调节反馈增益,使激光器的强度噪声抑制程度最大。在分析频率为1.125 MHz处,强度噪声由原来的8.7 dB降低到了1.4 dB,抑制程度达7.3 dB。调节反馈增益和相位延时,可以获得不同分析频率的强度噪声的降低。     

一种低电压的Sigma-Delta ADC新结构

介绍了一种低电压Sigma-Delta ADC新结构,该结构采用了二阶单位增益ΣΔ调制器和一阶传统ΣΔ调制器相结合的方式,既可以从系统级降低对运放直流增益等非理想因素的要求,又可以减少加法器的个数、降低电路的复杂度。在此基础上,采用HJTC0.18μm1.8V/3.3V1P6M混合信号工艺,实现了一种1V工作电压的ΣΔ调制器,经测试动态范围可以达到69.5dB。