【摘要】：石英壓電陀螺工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,溫度特性好,具有克服沖擊和振動(dòng)等惡劣環(huán)境的能力,大大提高了器件的可靠性,在成本、體積和重量等方面都優(yōu)于機(jī)械和光學(xué)陀螺。接口電路中的驅(qū)動(dòng)電路,是石英陀螺正常工作的基礎(chǔ),且驅(qū)動(dòng)性能的好壞直接影響陀螺整機(jī)的性能。目前微電子技術(shù)的高速發(fā)展,系統(tǒng)的微型化和集成化已經(jīng)成為一種趨勢(shì),傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動(dòng)存在集成度欠佳的問題。考慮到以上因素,有必要設(shè)計(jì)一種高集成度的數(shù)字接口電路,完成驅(qū)動(dòng)環(huán)路的整體功能。本文首先研究分析了石英陀螺表頭的驅(qū)動(dòng)工作原理,在此基礎(chǔ)上建立機(jī)械域模型,分析敏感結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)模態(tài)的受力,類比驅(qū)動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)位移方程,得到電學(xué)模型,完成對(duì)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的I/V轉(zhuǎn)換,經(jīng)過半波整流、低通濾波,得到當(dāng)前信號(hào)的幅值,PI控制輸出幅值相對(duì)參考電壓的調(diào)節(jié)量,與AD轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)相乘就能得到與驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)同頻的驅(qū)動(dòng)信號(hào),調(diào)節(jié)相位之后保證振蕩的相位條件成立,將產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)返回表頭構(gòu)成整體的驅(qū)動(dòng)環(huán)路,調(diào)節(jié)PI的參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定速度的優(yōu)化。最后結(jié)合RTL模型,經(jīng)過綜合優(yōu)化,時(shí)序分析,布局布線,可以完成驅(qū)動(dòng)環(huán)路的版圖設(shè)計(jì),提取寄生參數(shù),完成后仿真,比對(duì)前仿結(jié)果基本一致。綜上,本文完成了石英陀螺驅(qū)動(dòng)環(huán)路的電路級(jí)和版圖設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為11.86 kHz,與驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)同頻,幅值通過PI控制可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定,另外,接口電路的AD和DA轉(zhuǎn)換模塊均可在12 kHz帶寬內(nèi)達(dá)到16位精度的要求,驅(qū)動(dòng)環(huán)路在150 ms內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)路的穩(wěn)定振蕩并滿足閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的功能要求。
【圖文】：

自 1991 年 Draper 實(shí)驗(yàn)室第一次研究并實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺[4]開表面應(yīng)用不同工藝制作的微陀螺，同時(shí)，各項(xiàng)研究還報(bào)道了體結(jié)構(gòu)的新工藝微陀螺。小型壓電式陀螺的發(fā)展可以追溯到由 Systron Donner 研制的石英音叉式陀螺[5]以及由 Delco 等[6]。微機(jī)械加速度計(jì)制作的成功和石英器件與 IC 工藝的結(jié)年中涌現(xiàn)了許多學(xué)術(shù)和商業(yè)用途的基于硅和非硅工藝的微機(jī)司在 2002 年研發(fā)了一款雙諧振器的陀螺[7]，如圖 1-1 利用，它們被驅(qū)動(dòng)在兩個(gè)相反的方向上，檢測(cè)兩個(gè) Coriolis 信號(hào)的振動(dòng)，產(chǎn)生在上下方向的 Coriolis 位移。差分信號(hào)經(jīng)過跨阻放轉(zhuǎn)換為振蕩器驅(qū)動(dòng)電極提供 12V 的方波信號(hào)。精確控制相振蕩。振蕩起始于一個(gè)高增益的啟動(dòng)環(huán)路和系統(tǒng)的噪聲，充會(huì)減小以保證信號(hào)的精確度和比較器準(zhǔn)確的過零檢測(cè)。片上自激振蕩、相位控制、解調(diào)和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｗ鳛榈谝豢�，它在信�?hào)帶寬下的達(dá)到噪底為 0.05° /s /√Hz。

圖 1-2 Robert Bosch GmbH 陀螺外圍處理框圖[8]eh Tabrizian 在 2013 年研究開發(fā)的 Al-N 新工藝振動(dòng)域，Al-N 薄膜可以用來在驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)提供高效的計(jì)可以達(dá)到 20.38μV/ /s 的線性速率分辨率。圖 1-3 是電路，陀螺工作在開環(huán)狀態(tài)下，以外部正弦信號(hào)電壓在極產(chǎn)生電流信號(hào)，通過 I/V 轉(zhuǎn)換和同步解調(diào)一系列的檢從而檢測(cè)出輸入的角速度。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN402

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本文編號(hào)：2598126