轉(zhuǎn)子式微陀螺的開關(guān)電容檢測電路設(shè)計.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，作為微機電系統(tǒng)的一個主要產(chǎn)品分支——陀螺儀逐漸被大家所熟知。由于陀螺儀可以廣泛的應(yīng)用在軍事、民事領(lǐng)域當中，人們對于它的精度要求也越來越苛刻。傳統(tǒng)的磁懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺、靜電懸浮式陀螺因其精度不夠高、渦流效應(yīng)產(chǎn)生發(fā)熱問題、加工成本高、靜電支撐所需電壓過高等缺點而不再成為主流。哈爾濱工業(yè)大學(xué)MEMS中心提出了一種全新的球-碟轉(zhuǎn)子式微陀螺結(jié)構(gòu)，可以有效的避免上述問題。
　　完整的微陀螺系統(tǒng)是由機械和電學(xué)兩

2、部分共同組成，機械部分是指陀螺的表頭部分，電學(xué)部分主要就是檢測電路部分。本論文基于哈工大MEMS中心提出的全新陀螺結(jié)構(gòu)，進行了檢測電路的分析和設(shè)計，通過檢測結(jié)構(gòu)部分等效電容的微弱變化，轉(zhuǎn)換為電信號再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)字輸出。
　　本論文首先對球-碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的工作原理、檢測原理、檢測方式進行了分析，通過對比各種檢測方式來設(shè)計選擇合適的電路拓撲結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的檢測電路主要由兩部分構(gòu)成，前級的開關(guān)電容檢測電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，本文設(shè)計

3、的前級開關(guān)電容檢測電路模塊部分主要包括電荷敏感放大器、次級放大器、相關(guān)雙采樣電路、低通濾波電路。通過仿真可以得到相對電容分辨率為5.12×10-8，非線性在100ppm左右，標度因子為39.86mV/ff，標度因子溫度系數(shù)為92.08ppm/C。并采用了一個三階單環(huán)一位量化調(diào)制器將前級檢測電路的模擬輸出進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。調(diào)制器采用全差分開關(guān)電容電路的方式實現(xiàn)，采樣時鐘頻率是100KHz，對調(diào)制器的各個模塊進行分析和設(shè)計，主要的模塊有積分器

4、運算放大器、鎖存器、比較器、時鐘產(chǎn)生電路。調(diào)制器的輸入信號帶寬為30Hz，輸入信號頻率為16Hz，幅度為-8dBFS，信噪比為99dB，1Hz動態(tài)范圍約為120dB，整體電路功耗為11.856mW。
　　然后對整體開關(guān)電容檢測電路進行版圖繪制和后仿真，可以得到標度因子溫度系數(shù)為95.12ppm/C，非線性可以達到200ppm左右，相對電容分辨率為5.89×10-8。調(diào)制器與前仿真條件相同，信噪比為95dB，1Hz動態(tài)范圍為120d