可穿戴设备中MEMS加速度计降噪方法研究

针对可穿戴设备中的微机电系统(MEMS)陀螺仪在检测人体姿态时面临的人体自然抖动噪声干扰、随机噪声干扰等问题,在基于卡尔曼滤波理论的基础上,提出了采用新息自适应卡尔曼滤波器,辅以有限冲击响应(FIR)低通滤波器和均值滤波器构成的滤波器组的方案。实验结果表明,在动态MEMS加速度计信号滤波中,使用该滤波器组比传统卡尔曼滤波的噪声方差降低约10-3~10-4量级,从而能得到更稳定、准确的人体姿态加速度信号。     

基于MEMS加速度计的优化九位置校准算法

针对传统的加速度计标定法对高精度转台依赖高的问题,提出一种基于微机电系统(MEMS)加速度计的优化九位置标定算法。该算法考虑加速度计的非线性因子和电子串扰效应,通过采集9个位置的静态加速度计输出数据,即可对加速度计零偏、刻度因子和安装误差等系数进行高精度快速校准,摆脱了对传统转台的依赖。实验结果表明,基于MEMS加速度计的九位置标定算法有效解决了加速度计非线性问题,减低了电子串扰效应对加速度计的影响,加速度计的误差精度由8.48×10-3g(g=9.8 m/s2) 减少到5.1×10-4g,证明该九位置标定算法的可行性和有效性。     

一种激光陀螺惯导仪表信号采集电路设计

在激光惯导系统设计中,惯导仪表信号采集电路需要具备高精度采集惯性仪表信号和体积小的特点。介绍了一种简单且精度高、体积小的信号采集电路设计方法,该方法采用FPGA对激光陀螺输出信号进行采集和FIR滤波,采用I/F电路对石英挠性加速度计输出的电流信号进行转换,利用FPGA进行可逆计数从而转变为加速度计信号值。详细介绍了惯导仪表信号采集电路硬件和软件设计过程,包括I/F电路设计、FIR低通滤波器设计等,最后通过试验验证设计的正确性。     

新型电容式MEMS加速度计数字接口电路设计

MEMS加速度计接口电路主要采用传统sigma-delta架构实现,但这种方式中的电路失调电压很容易产生积分饱和现象．为解决这个问题,本文设计了一种可以用于钻井、石油勘探等微弱信号检测的新型数字电容接口电路．该设计在电容式MEMS加速度传感器基础上,采用FPGA实现数字三阶环路滤波器,构成5阶sigma-delta系统．采用数字环路滤波器降低了ASIC模拟电路版图设计与芯片测试难度,利于快速优化环路滤波器设计参数,改善系统稳定性和优化系统噪声性能．前置放大器采用一种相对简单的相关双采样技术,能够有效减小前置放大器的失调电压．根据MEMS加速度计前置放大器输出信号符合正态分布的特点,设计了带有一定预测功能的8-bit瞬时浮点ADC,实现模拟与数字环路滤波器互联．在200Hz带宽内,该接口电路系统噪声基底达到53．09ng／rt（Hz）,满足系统噪声设计要求．前置放大器与ADC采用XFAB XH018混合信号CMOS工艺流片,开环测试表明,前置放大器的灵敏度和噪声分别为0．69V／pF和3．20μV／rt（Hz）．     

抗野值自适应Kalman滤波在MEMS加速度计信号处理中的应用

针对MEMS加速度计在复杂应用环境下输出信号中存在野值,且其噪声统计先验知识不足的问题,运用了一种抗野值自适应Kalman滤波算法,采提高其测量精度.该算法用一个修正函数加权于自适应Kalman滤波方程的新息上,根据新息的方差和均值变化自适应调整修正权值,从而保持序列原有性质.通过对输出信号的算法验证,表明该算法能够有效在线去除野值,防止滤波发散,在提高MEMS加速度计测量精度上有一定的可行性.     

一种低噪声、高电源抑制的低压降稳压器

实现了一种低噪声、高电源抑制(PSR)的低压降线性稳压器。设计了一个新型的低温度系数高电源抑制的带隙基准源,这个基准源可以为稳压电路提供参考电压。采用带有低通滤波器的预调制电路来降低稳压器的输出噪声和高频电源行波干扰。测试结果表明,该稳压器的线性调整率为0.57mV/V,负载调整率为0.1mV/mA,100kHz下的交流电源抑制为-60dB。在10Hz～1MHz频率范围内,仿真得到的总输出噪声只有4μVrmss。该稳压器采用上华CSMC0.6μm、5V混合信号CMOS工艺设计,有效芯片面积为600μm×560μm。     

一种新型无源MEMS万向碰撞开关

采用MEMS体Si加工工艺和圆片级封装技术,开发了一种基于特种运输中的新型无源MEMS万向碰撞开关。开关选用弹簧-质量-阻尼的典型碰撞结构,对惯性加速度计敏感,以碰撞接触的形式提供导通电阻信号,并拥有500g径向360°和1000g纵向碰撞触发,单个器件可以实现多个器件的功能。经过仿真设计和工艺研究,最终完成了开关的制作,封装后体积后为6.6mm×5mm×2.4mm。经测试表明开关实现了初始的设计阈值,导通电阻约10Ω,导通时间约10μs,验证了抗5000g冲击能力,它具有体积小、重量轻、高可靠、低成本,可反复使用等特点,在可靠性跌落试验、汽车安全碰撞试验和飞行器上具有广泛的应用前景。     

高灵敏加速度计微弱信号提取电路设计与测试

介绍了一种压阻式高灵敏加速度传感器微弱信号提取电路。该信号提取电路采用两级信号放大设计,两级之间设计有二阶巴特沃兹低通滤波器。本设计电路通过电路仿真软件进行仿真和外接加速度计测试。测试结果表明,该微弱信号检测提取电路可以很好地对高灵敏MEMS加速度计输出的信号进行放大,具体表现为可将传感器输出信号从毫伏级放大到伏级。采用这种电路设计的MEMS高灵敏加速度计输出信号具有良好的低频特性,可以满足高灵敏传感器宽频带测试的需要。     

基于互补滤波器的两轮平衡车姿态角度测量

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）陀螺仪和MEMS加速度计在两轮平衡车姿态测量中存在扰动和噪声,引起姿态角度测量误差。通过对陀螺仪和加速度计输入信号进行滑动扣除均值方法来抑制直流分量,利用滑动滤波算法抑制加速度计高频噪声,引入互补滤波算法将预处理后的陀螺仪和加速度计信号进行融合,得到更加准确稳定的角度测量值,分析了融合算法中加权因子与滤波频率特征之间的关系。该方法应用到两轮平衡车的运行姿态角度控制中,提高了对姿态角度测量的精度。     

基于非理想情况对加速度计信号的滤波

为消除舰艇加速度计的噪声信号，提出一种先对信号用扩展卡尔曼滤波器进行非线性滤波，再用巴特沃斯低通滤波器来提取其有用信号的方法，仿真结果表明此方法能够有效地消除舰艇在非理想状态时加速度计的复杂噪声。     

基于Kalman滤波和六位置法的加速度计标定补偿

加速度计的零偏、刻度因子、安装误差都会影响加速度计的精度。以微机械系统(MEMS)加速度计为实验对象,采用卡尔曼(Kalman)滤波对实验数据进行滤波,结合六位置法得到MEMS加速度计的零偏、刻度因子、安装误差与MEMS加速度计测量值的关系,最终获得基于Kalman滤波和六位置法的MEMS加速度计标定补偿数学模型。通过实验测试表明,补偿后MEMS加速度计的输出值更接近标准值,且加速度计解算俯仰角(-90°~+90°)的绝对误差由补偿前的1°经补偿后减小为0.34°。验证了该标定补偿算法的可行性,对提高MEMS加速度计测量精度有较好的理论和工程应用价值。     

一种新的带通信号采样方法

本文提出一种新的带通信号采样方法,实现对带通信号的“等效”低通信号采样。带通信号实际采样率仅为输出端所获同相分量和正交分量采样率的两倍,可以直接确定采样频率和设计低通抗混叠滤波器。该采样方法使用滤波器的多相结构实现,这种实现方法特别适合于线性相移FIR滤波器。     

基于DSP的FIR滤波器的C语言算法实现

有限冲激响应(FIR)滤波器是数字信号处理系统中最基本的元件,具有严格的线性相频特性,同时其单位抽样响应是有限长的,系统稳定。阐述了FIR的基本原理,并进行了MATLAB仿真。基于TI公司的TMS320VC5402 DSP硬件平台,设计了FIR低通滤波器。采用C语言算法,利用集成开发环境代码调式器(Code Composer Studio,CCS)分别观察了输入和输出波形,验证了此算法的准确性和高效性,对信号处理及信号传输有重要的研究意义。     

一种基于单轴正反旋转的惯性器件误差估计

为了提高捷联惯导导航精度,构建一种Kalman滤波模型来估计陀螺常值漂移和加速度计零偏。首先分析了载体作单轴正、反旋转运动时,捷联惯导的系统误差特性,然后以正、反旋转两过程中的姿态误差和速度误差为状态变量,以两过程中同一位置处的姿态误差差值和速度误差和值为观测变量,构建了一种Kalman滤波模型,来估计惯性器件常值误差;经可观测性分析,该模型是可观测的。仿真实验中,对于3个陀螺漂移均为0.1(°)/h、加速度计零偏均为9.78×10~(-3 )m/s~2的捷联惯导,陀螺漂移估计精度达到0.01(°)/h,水平方向加速计零偏估计误差均小于0.4×10~(-3 )m/s~2,实验证明该方案可行。     

滤波与正交基分解在磁性目标检测中的应用

通过对磁性目标磁异常信号时域和频域特性的分析可知,磁异常信号属于低频信号,且在实际磁异常探测中磁性目标信号被噪声淹没,信噪比较低。针对这种情况提出了基于低通滤波与正交基分解的检测方法,先分析数字滤波器特性,设计约束最小二乘FIR滤波器滤除高频噪声,再利用正交基分解检测算法,大幅提升了磁性目标信号的信噪比,从而实现了磁性目标检测。仿真试验表明,该方法可滤除高频噪声,提升信噪比,增强对磁性目标的检测能力     

A Single-Axis Low-Cost Accelerometer Fabricated Using Printed-Circuit-Board Techniques

This letter presents a new single-axis low-cost printed-circuit-board (PCB)-based accelerometer. Motivated by the need to develop low-cost human-sensing accelerometer, a capacitive PCB-based microelectromechanical-system (MEMS) accelerometer is developed, and the experimental results of the prototype have demonstrated that the objective is feasible. The PCB-based MEMS accelerometer is fabricated with a metal film adhered to a PCB, which forms the two electrodes of the sensing capacitor of the accelerometer. This signal is compared with the output signal of a commercially available accelerometer, ADXL330, by Analog Devices. The prototypes are designed to have a dynamic range of $pm$5 g and a bandwidth from 0 to 20 Hz, which covers the range of accelerations for human limbs. The result shows that the new low-cost accelerometer can fulfill the requirement of human motion sensing.      

窄带低通滤波的FPGA实现

文中介绍两种滤波器设计方法,一种为內插级联滤波器,另一种为多抽样率滤波器,这两种方法可以实现过渡带极窄的低通滤波器,在中频直接采样的信号处理中,可以解决提取窄带信号的问题;将这两种方法加以仿真比较,在采用FPGA实现时,内插级联滤波器大大减少了窄带低通滤波器设计所需的乘法器。     

Quantization and roundoff noises in fixed-point FIR digital filters

The errors in a fixed-point finite impulse response (FIR) filter due to quantization (analog-to-digital conversion) and roundoff are considered. Expressions for the exact moments of the filter output noise are derived. It is well known that, when the input signal satisfies certain conditions, the popular additive white noise model can be valid in describing the quantization noise. The characteristics of multiplicative roundoff noises, however, differ from what this model predicts, even under conditions where the roundoff noises are white. Hence the additive white noise model does not provide accurate results on the characteristics of the output error in an FIR filter. Using the exact formulas for the moments, the author computes the exact power spectrum of the filter output error. These results agree well with those obtained from simulation