电磁驱动微机械陀螺接口电路的研究

电磁驱动电容检测的力平衡微机械陀螺相对于压阻检测等方式的其他形式的微机械陀螺来说,具有高灵敏度及高精度的突出优点,但是其接口电路也比较复杂.这一接口电路从功能上可分为驱动电路和检测电路两个部分:驱动电路的主要功能是使微机械陀螺产生在驱动模态固有频率下的振幅稳定的正弦振动;检测电路的主要功能是拾取陀螺所产生的角速度信号....     

驱动刚度非线性对双检测微陀螺性能的影响

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解非线性动力学方程的近似周期解,并考虑科氏力对检测输出的影响,在此基础上探讨驱动刚度立方非线性对双检测微陀螺系统主共振的幅频曲线、共振频率、灵敏度的影响规律。研究发现:驱动模态共振频率与刚度非线性及振动峰值密切相关;刚度非线性越强,固有频率的漂移量对振幅的变化就越敏感。较弱的驱动刚度非线性就会导致检测一和检测二在驱动模态频率处的幅值大幅下降,由此对微陀螺的输出信号产生极大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性设计的灵敏度值产生极大的偏差。     

三自由度水平轴硅微机械陀螺结构设计与仿真

为了兼顾测量带宽和灵敏度的要求，提出了一种三自由度水平轴硅微陀螺系统，此系统由3个质量块组成。质量块2与质量块3组合后与质量块1构成了一个二自由度驱动方向的谐振器，再利用该谐振器进行动力学放大，得到非谐振状态下的大驱动振幅．陀螺驱动频率响应曲线有两个谐振尖峰，在两峰值之间存在一个较平坦的区域，当陀螺驱动工作在频率响应曲线的平坦区域时，机械增益虽然比工作在谐振尖峰处小，但机械增益受频率变化的影响减小，驱动频率的工作带宽增加，使得对驱动的控制要求相对宽松．文中给出了动力学放大原理及所设计的陀螺结构的理论计算和仿真值．     

振弦式硅微机械陀螺

提出了一种新的振弦式硅微机械陀螺的设计方案,这一陀螺的制作采用硅微机械工艺.一方面,陀螺驱动模块采用电磁力驱动,这样能极大地提高驱动幅度;另一方面,陀螺检测模块采用差分的双振弦方式,从而提高了检测精度.通过陀螺检测模块的振弦将角速度的变化直接转换成输出信号的频率变化,这样能够极大地提高信号的抗干扰能力.理论分析表明,这...     

硅微机械陀螺的差分电容信号处理技术

本文针对电容式微机械陀螺的接口电路设计、闭环驱动、微弱信号检测和处理等问题开展研究。在充分满足陀螺本身工作需要的甚础上设计并实现了它的接口电路。同时进行了初步的实验分析。得到的结果显示它基本完成了驱动陀螺并且解调检测陀螺信号的功能,并且取得了测试结果。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析EI北大核心CSCD

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

一种全对称微机械陀螺的双级解耦机构特性

为了实现微机械陀螺的频率匹配和双级解耦,提出了一种全对称双级解耦结构体硅微机械陀螺.该陀螺结构完全对称,容易实现驱动和检测模态谐振频率的匹配,提高系统灵敏度.驱动和检测方向的主要阻尼均为滑膜阻尼,在常压下工作也可以获得较高的品质因子,避免了器件的真空封装.利用4组十字折梁,实现了结构的双级解耦.仿真结果表明,模态之间的耦合系数小于0.17%.采用体硅微机械加工技术制作了样品,关键工艺有硅-玻璃阳极键合和DRIE技术.基于计算机图像技术对微机械陀螺进行了测试,验证了陀螺的解耦功能,在常压条件下测得该陀螺的品质因子为195,灵敏度为8.031 mV/（（°）.s^-1）.     

电容式硅微机械陀螺仪结构设计及仿真

通过对微机械陀螺的调研分析,提出了一种新型微机械陀螺仪,并对陀螺进行了结构设计.该结构采用静电梳齿驱动、栅结构电容检测,使陀螺具有较高灵敏度.驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼,能够实现较高的Q值,且具有一定的解耦特性.文中通过仿真分析得到了结构的各阶频率,使陀螺驱动模态和检测模态固有频率匹配,验证了结构的合理性.结合现有...     

基于FPGA和DSP的激光陀螺信号处理电路设计

研究机械抖动激光陀螺的信号读出系统,设计激光陀螺的信号处理电路。光电转换后的微弱电流信号经过前置放大电路转化为电压方波信号,在FPGA中进行鉴相解调以及可逆计数,最后由DSP实现机抖偏频解噪和低通数字滤波。与激光陀螺联合测试并将结果输出至上位机,结果表明设计的电路实现了对激光陀螺输出信号的有效采集,满足激光陀螺功能测试的需要。     

石英陀螺闭环自激驱动电路(英文)

为使石英陀螺满足高性能、小型化和集成化需求,设计石英陀螺专用集成电路接口芯片势在必行.本文通过分析石英陀螺表头的机电特性,得出方波驱动方式是系统性能和复杂程度的折衷.据此设计了一种闭环自激驱动电路.该电路与石英结构形成反馈环路,从而实现陀螺的自激驱动,并通过自动增益控制电路实现幅值稳定.该电路已用0.5μm CMOS工艺实现,测试结果表明该电路可以实现稳幅稳频的驱动,幅值稳定度0.01%.集成该驱动电路的石英陀螺系统达到战术级性能.     

硅微陀螺仪闭环校正控制系统设计

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,提高系统的机械灵敏度.最后,在无频差情况下,设计一个带有无源阻抗网络的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)校正环节,校正后系统的相角裕度为52°,幅值裕度为18dB,闭环带宽为931 rad/s,实现了闭环系统校正.仿真和实验表明闭环校正电路是可行的.相对于开环检测,闭环校正系统的量程增加了1.6倍,标度因数非线性减小了45.6倍,零偏稳定性提高了2.56倍.同时,标度因数对称性、标度因数重复性、阈值和分辨率等性能都得到较大改善.     

基于FPGA的硅微机械谐振式陀螺仪数据采集系统设计

介绍了一种硅微机械谐振式陀螺仪的结构,给出了调制系数或最大频偏与输入角速度成正比的关系.通过对陀螺仪敏感质量块静电驱动力和双端音叉谐振器输出信号的分析,得出了双端音叉谐振器输出信号的相位差与调制系数之间的关系.提出了一种调频信号最大频偏的检测方法,通过此相位差的计算得出调制系数或最大频差,进而计算出输入角速度的值.设计了一种基于FPGA的数字化解调方案,给出了基于FPGA的数字化最大频差测量电路的测试结果.结果表明测量电路对最大频偏有很好的测量效果.     

伪随机调制在全数字闭环光纤陀螺中的应用

伪随机调制信号的抗干扰能力强,获得同样的信号,对系统正常运行的干扰程度比其他测试信号低。光纤陀螺的输出信号微弱,背景噪声强,在频域随机分布,增加了信号处理的难度。结合伪随机调制的优势,在原有的数字闭环信号处理的基础上,提出了一种新的信号处理方案:伪随机调制解调方案,与数字闭环方案相互配合,有效提取环境因变量,反馈至系统使之实时做出补偿,提高陀螺稳定性。     

谐振式光纤陀螺的数字检测方案及其优化设计

提出了一种基于 DSP 芯片实现的双频率数字调制谐振式光纤陀螺系统的闭环检测方案。在此方案中,利用带通滤波器从探测器的输出光强信号中提取其基波频率的正弦信号,通过相关检测原理去掉干扰的噪声,并利用低通滤波器提取与探测器输出光强幅度直接成正比的直流信号,将其转换成相应的谐振频差,利用此频差即可求得陀螺的旋转角速度。此方案检测线路简单,操作方便,基于 DSP 芯片的实现则大大提高了系统处理速度。同时,还利用 Matlab 软件对检测系统中的滤波器参数进行了优化设计,提高了系统的检测精度。     

变结构PID在微机械陀螺仪闭环驱动电路中的应用

为满足微机械陀螺仪(MMG)闭环驱动电路起振快速、无超调且稳态精度高等要求,提出了一种基于FPGA的数字化变结构PID控制器,并以其为核心构建了微机械陀螺仪的数字化闭环驱动电路.通过构造以控制误差为自变量的比例增益、积分增益和微分增益函数,使变结构PID的结构和参数能够根据瞬时误差的变化而变化,以提高闭环驱动电路的性能.针对某型微机械陀螺仪敏感结构参数,进行了SIMULINK仿真,仿真结果表明以变结构PID为核心的闭环驱动电路是可行的.起振实验结果表明,经典PID构成的闭环驱动电路,其检测电压的幅值超调量达到了75%,稳定时间为2 s;采用变结构PID控制器后闭环驱动检测电压的幅值无超调且稳定时间为0.7 s;1 h的稳定性实验表明,采用经典PID时检测电压幅值的长期稳定性为2.73×10-5V,采用变结构PID时其稳定性为2.68×10-5V,证明变结构PID可以兼顾系统在快速性、超调量和稳态精度等方面的要求.     

Nonresonant micromachined gyroscopes with structural mode-decoupling

This paper reports a novel four-degrees-of-freedom (DOF) nonresonant micromachined gyroscope design concept that addresses two major MEMS gyroscope design challenges: eliminating the mode-matching requirement and minimizing instability and drift due to mechanical coupling between the drive and sense modes. The proposed approach is based on utilizing dynamical amplification both in the 2-DOF drive-direction oscillator and the 2-DOF sense-direction oscillator, which are structurally decoupled, to achieve large oscillation amplitudes without resonance. The overall 4-DOF dynamical system is composed of three proof masses, where second and third masses form the 2-DOF sense-direction oscillator, and the first mass and the combination of the second and third masses form the 2-DOF drive-direction oscillator. The frequency responses of the drive and sense direction oscillators have two resonant peaks and a flat region between the peaks. The device is nominally operated in the flat regions of the response curves belonging to the drive and sense direction oscillators, where the gain is less sensitive to frequency fluctuations. This is achieved by designing the drive and sense anti-resonance frequencies to match. Consequently, by utilizing dynamical amplification in the decoupled 2-DOF oscillators, increased bandwidth and reduced sensitivity to structural and thermal parameter fluctuations and damping changes are achieved, leading to improved robustness and long-term stability over the operating time of the device.     

数字闭环光纤陀螺输出滤波器设计

在数字闭环光纤陀螺中,数字输出信号由高抽样率的反馈信号抽取得到,为避免抽取过程中发生频域混迭,应加入输出滤波器对信号进行低通滤波。根据多抽样率数字信号理论,采用多级抽取滤波器的设计方法,为陀螺设计输出滤波器。和一级低通滤波器比较说明,所设计的三级抽取滤波器,运算量小、滤波效果好。测试结果表明,加入输出滤波器不改变陀螺静态特性,抑制了振动时引起的高频误差,提高了陀螺精度。     

磁通门CMoS接口电路设计

为实现三端式磁通门接口电路的集成．提出一种新颖的包括驱动和检测功能的磁通门CMOS接口电路．驱动电路采用开关网络和负反馈环实现全差分驱动来替代传统的隔离变压器驱动．通过实时平衡驱动电极上的电压信号来抑制电源电压的漂移以及温度变化的影响．检测电路利用驱动信号二倍频为基准的开关相敏解调实现二次谐波提取,同时采用闭环检测．以提高系统线性度．该电路基于0．5IxmCMOS工艺实现．测试结果表明,该微型磁通门磁力计（三端式探头和CMOS接口电路）的灵敏度为30．8μV／nT,非线性度为0．62％,电源电压为10V,功耗为100mW,芯片面积仅为15．54mm2．