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基于Σ△原理的MEMS陀螺高精度模数转换技术

作 者: 谭淞
导 师: 曹国华
学 校: 长春理工大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 微机电系统 FPGA ∑△-ADC SOPC
分类号: TN792
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 43次
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内容摘要


MEMS(微机电系统)陀螺具有体积小、重量轻、可靠性高、易于系统集成等优点,在汽车工业、航空航天以及机器人等领域具有广阔的应用价值和前景,其研究和发展受到广泛重视。国外MEMS陀螺产品已经得到广泛应用;国内MEMS陀螺近年来在关键技术方面取得了重大突破,常温精度水平接近了国外中低端产品,但温度适应性离工程应用还有一定差距。在当前情况下,除改进设计、优化工艺提高MEMS陀螺其自身温度适应性,推进其工程应用外,在保证小型化、低功耗、低成本的前提下,通过后端测试环节进行精确测量和补偿,提高陀螺工程环境下的综合精度,也是推进其工程应用的有效手段。本文以基于Σ-△原理的MEMS陀螺高精度模数转换技术为研究目标,研究了ΕΔ-ADC的原理和特点,运用其Z域的数学模型,分析了过采样、噪声整形及数字滤波技术对改善模数转换精度的影响,明确了其在MEMS陀螺信号测量方面的优势,并设计了相应的电路,实现了对MEMS陀螺输出信号的高精度的模数转换。同时对该系统数字部分进行了集成化设计,采用了内嵌ARM处理器的FPGA,数字部分除外挂一片Flash存储器,用于存储软件代码和陀螺标定数据外,其他功能全部由一片FPGA完成。内嵌的ARM处理器有足够的能力在时序控制器的配合下完成陀螺数据的解算和温度特性的补偿。试验结果表明,采用本文的设计方案,在—40℃-+60。C温度范围内,模数转换精度达到了18位(优于±1×10-5),分辨率达到了20位(优于10-6)。本系统通过高精度模数转换和紧凑型智能数字控制模块的合理搭配,保证了小型化、低功耗、低成本、高精度、可补偿的要求,通用性强,对推进现阶段国产MEMS陀螺工程应用具有很好的实用价值。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 微机械陀螺应用  10
  1.3 硅微机械陀螺国内外研究现状  10-15
    1.3.1 MEMS陀螺国外研究现状  10-14
    1.3.2 MEMS陀螺国内研究现状  14-15
  1.4 研究的目标和内容  15-17
    1.4.1 研究的目标  15
    1.4.2 研究的内容  15-17
第二章 Σ△-ADC的基本原理及频率特性  17-22
  2.1 Σ△-ADC的基本原理  17-20
  2.2 Σ△-ADC的频率特性  20-22
第三章 系统总体设计方案及硬件设计  22-44
  3.1 系统总体设计方案  22-23
  3.2 电源模块  23
  3.3 调理模块  23-24
  3.4 模数转换模块  24-32
    3.4.1. ADC介绍与选型  24-25
    3.4.2. ADS1256介绍  25-27
    3.4.3. ADS1256校准功能  27-28
    3.4.4. 模数转换模块设计  28-29
    3.4.5. 噪声和漂移分析  29-32
  3.5 数字控制模块  32-44
    3.5.1. 设计方案  32-34
    3.5.2 介绍与选型  34-35
    3.5.3 M1A3P1000 FPGA的集成开发环境简介  35-37
    3.5.4 处理器cortex-M1核设计  37-40
    3.5.5 数字控制模块时钟的设计  40-41
    3.5.6 智能SPI接口设计  41-44
第四章 软件设计与实现  44-49
  4.1 串行通讯接口软件设计  44-46
  4.2 Cortex—M1核的软件设计  46-49
第五章 实验验证  49-52
第六章 总结与展望  52-53
  6.1 全文总结  52
  6.2 工作展望  52-53
参考文献  53-55
致谢  55

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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