Sigma-delta技術(shù)研究及其在微靜電陀螺中的應(yīng)用.pdf

1、微電子機械技術(shù)在慣性測量器件中的應(yīng)用促進了微機械陀螺和微加速度計的發(fā)展。采用靜電驅(qū)動力的懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺具有低功耗，高精度，低溫漂等特點，在微機器人、衛(wèi)星、制導(dǎo)彈藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。上海交通大學(xué)提出了一種基于UV-LIGA技術(shù)的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。該結(jié)構(gòu)由封閉的定子以及懸浮于其間的轉(zhuǎn)子組成，能夠感知外界的角速度以及加速度，并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的微小位移。通過轉(zhuǎn)子與定子間的四組差分電容，該結(jié)構(gòu)能夠同時測量兩軸角速度和三軸線加速度，具有

2、廣闊的應(yīng)用前景和較大的發(fā)展?jié)摿Α?常用的差分電容檢測電路包括調(diào)制、放大、濾波、同步解調(diào)等幾個模塊，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。近年來，A/D變換中的Sigma-Delta技術(shù)已變得相對成熟，將其應(yīng)用在差分電容檢測電路中，具有以下優(yōu)點：以脈沖密度調(diào)制流直接輸出數(shù)字信號；系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能避免轉(zhuǎn)子鎖住；對失效具有自檢特性；結(jié)構(gòu)相對簡單，對器件兼容性好。本文根據(jù)sigma-delta技術(shù)建立了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺控制模型，通過Matlab/Simul

3、ink進行了系統(tǒng)級設(shè)計和仿真，并設(shè)計了一種新穎的基于Sigma-Delta技術(shù)的閉環(huán)檢測電路。該電路能夠檢測轉(zhuǎn)子的微小位移，并通過反饋維持其動態(tài)穩(wěn)定在平衡位置。最后給出了一種二階sigma-delta調(diào)制器的具體電路結(jié)構(gòu)及仿真。 本文介紹了靜電懸浮轉(zhuǎn)子陀螺的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)模型，根據(jù)此模型，計算了4個極板間的電容值以及靜電力和靜電力矩。然后采用sigma-delta方法控制該系統(tǒng)，通過Matlab/Simulink建立了該陀螺控制

4、系統(tǒng)的等效模型。仿真結(jié)果表明，這種方法可以使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在平衡位置，解決了轉(zhuǎn)子吸附問題。然后本文對單自由度的差分電容結(jié)構(gòu)進行了等效電路分析，采用sigma-delta方法建立其閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)模型，并給出了數(shù)字懸浮控制的Pspice實現(xiàn)方案，通過Oracd/Pspice仿真表明該系統(tǒng)的靈敏度為2V/g ，動態(tài)范圍為 1g。目前對前置放大級進行了測試，給出了測試結(jié)果。 文中介紹了一種降低積分器擺幅（RISR）的調(diào)制器結(jié)構(gòu)，這種RI

5、SR結(jié)構(gòu)的調(diào)制器可以大大降低積分器的輸入、輸出擺幅，適用于低電壓要求，通過Matlab/simulink仿真可以看到這種調(diào)制器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。然后分析了調(diào)制器噪聲的來源，根據(jù)最優(yōu)化方法設(shè)計了指定目標(biāo)的調(diào)制器，并給出了simulink仿真結(jié)果。然后給出了二階RISR結(jié)構(gòu)調(diào)制器的具體電路結(jié)構(gòu)，包括時鐘倍增電路、恒定Vgs自舉電路、運放及低壓偏置電路、比較器電路等模塊的的具體實現(xiàn)，通過Cadence/Spectre對各個模塊進行了仿真，并給出了仿