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振动环型MEMS陀螺仪的研究与相关设计

作　者: 苏小波
导　师: 顾晓峰
学　校: 江南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS陀螺仪振动环 Sigma-Delta调制器 Sigma-Delta闭环力反馈驱动系统 CIFB结构
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

陀螺仪是一种用来测量旋转物体角速率的惯性传感器。微机电系统(MEMS)技术的日益成熟给惯性传感器领域带来了革命性的发展。MEMS陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、抗过载能力强、价格低廉等优点,已广泛应用于汽车电子、消费电子和国防科技等领域。MEMS陀螺仪在不同领域得到广泛应用的同时,对其性能也提出了不同的要求。机械结构、接口系统和驱动系统是MEMS陀螺仪的三个主要部分,其中接口系统和驱动系统中引入的电路噪声已成为限制MEMS陀螺仪性能提高的主要因素之一。Sigma-Delta调制技术基于过采样和噪声整形两项技术,为MEMS陀螺仪电路噪声的优化以及实现数字化环路提供了有效的途径。本论文首先从MEMS陀螺仪的机械特性着手进行研究,重点分析了振动环型MEMS陀螺仪的基本结构及机械特性,建立了其固有振动频率的计算模型和电路模型,并对提高其灵敏度提出了有效可行的途径。在此基础上,对MEMS陀螺仪的Sigma-Delta闭环力反馈接口系统中的C/V转换模块、机械结构复域模型、系统稳定性、噪声整形函数,以及系统的整体实现进行了分析研究。最后,对MEMS陀螺仪驱动系统进行了研究,设计了用于MEMS陀螺仪驱动系统的Sigma-Delta调制器。针对普通Sigma-Delta调制器中积分器饱和对性能的限制以及信号失真等问题,本文尝试在传统三阶级联结构中引入CIFB结构Sigma-Delta调制器,并针对MEMS陀螺仪的具体要求设计了一款低失真三阶1-1-1级联Sigma-Delta调制器。采用Matlab Simulink对其性能进行了行为级仿真,在输入信号带宽为50 kHz,过采样率为128时,调制器信噪比达到102.9 dB,精度为16.80位,表明所设计的调制器能够满足MEMS陀螺仪驱动电路的数据处理要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 研究背景及意义  7-8
  1.2 MEMS 陀螺仪的研究现状  8-9
  1.3 论文的主要内容和框架  9-11
第二章振动环型MEMS 陀螺仪的研究  11-24
  2.1 MEMS 陀螺仪的基本理论  11-16
    2.1.1 科里奥利效应  11-12
    2.1.2 傅科摆  12-13
    2.1.3 MEMS 振动陀螺仪  13-16
  2.2 振动环型MEMS 陀螺仪  16-23
    2.2.1 振动环型MEMS 陀螺仪的基本原理  16-17
    2.2.2 振动环型MEMS 陀螺仪的固有振动频率计算  17-20
    2.2.3 振动环型MEMS 陀螺仪的电路模型  20-23
  2.3 本章小结  23-24
第三章 Sigma-Delta 闭环力反馈接口系统的研究  24-40
  3.1 Sigma-Delta 调制技术  24-28
    3.1.1 量化与量化噪声  24-25
    3.1.2 Sigma-Delta 调制器  25-28
  3.2 Sigma-Delta 闭环力反馈接口系统  28-39
    3.2.1 C/V 转换电路  28-30
    3.2.2 Sigma-Delta 闭环力反馈接口系统  30-32
    3.2.3 MEMS 陀螺仪机械结构Z 域模型Hm(z)的建立  32-35
    3.2.4 补偿函数Hc(z)和量化噪声整形函数Hns(z)  35-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章用于振动环型MEMS 陀螺仪驱动电路的Sigma-Dleta 调制器的设计  40-50
  4.1 数字控制闭环驱动系统  40-41
  4.2 用于闭环驱动环路的 Sigma-Delta 调制器设计  41-49
    4.2.1 一般结构Sigma-Delta 调制器  41-42
    4.2.2 CIFB 结构Sigma-Delta 调制器  42-44
    4.2.3 Sigma-Delta 调制器的结构设计  44-45
    4.2.4 参数和数字校正电路设计  45-46
    4.2.5 系统级仿真与分析  46-49
  4.3 本章小结  49-50
第五章总结与展望  50-52
  5.1 论文工作总结  50-51
  5.2 后续工作展望  51-52
致谢  52-53
参考文献  53-58
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  58

振动环型MEMS陀螺仪的研究与相关设计

内容摘要

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