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(jī)械技術(shù)在慣性測(cè)量器件中的應(yīng)用促進(jìn)了微機(jī)械陀螺和微加速度計(jì)的發(fā)展。采用靜電驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，在微機(jī)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(shí)測(cè)量?jī)奢S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(cè)電路包括調(diào)制、放大、濾波、同步解調(diào)等幾個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。近年來(lái)，A/D變換中的Sigma-Delta技術(shù)已變得相對(duì)成熟，將其應(yīng)用在差分電容檢測(cè)電路中，具有以下優(yōu)點(diǎn)：以脈沖密度調(diào)制流直接輸出數(shù)字信號(hào)；系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能避免轉(zhuǎn)子鎖??；對(duì)失效具有自檢特性；結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和仿真，并設(shè)計(jì)了一種新穎的基于Sigma-Delta技術(shù)的閉環(huán)檢測(cè)電路。該電路能夠檢測(cè)轉(zhuǎn)子的微小位移，并通過反饋維持其動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)此模型，計(jì)算了4個(gè)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(duì)單自由度的差分電容結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)現(xiàn)方案，通過Oracd/Pspice仿真表明該系統(tǒng)的靈敏度為2V/g ，動(dòng)態(tài)范圍為 1g。目前對(duì)前置放大級(jí)進(jìn)行了測(cè)試，給出了測(cè)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(diǎn)。然后分析了調(diào)制器噪聲的來(lái)源，根據(jù)最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)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(shí)鐘倍增電路、恒定Vgs自舉電路、運(yùn)放及低壓偏置電路、比較器電路等模塊的的具體實(shí)現(xiàn)，通過Cadence/Spectre對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真，并給出了仿