Sigma-delta技術研究及其在微靜電陀螺中的應用.pdf

1、微電子機械技術在慣性測量器件中的應用促進了微機械陀螺和微加速度計的發(fā)展。采用靜電驅動力的懸浮轉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、制導彈藥等領域具有廣泛的應用前景。上海交通大學提出了一種基于UV-LIGA技術的靜電懸浮轉子微陀螺。該結構由封閉的定子以及懸浮于其間的轉子組成，能夠感知外界的角速度以及加速度，并將其轉換為轉子的微小位移。通過轉子與定子間的四組差分電容，該結構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制、放大、濾波、同步解調等幾個模塊，結構相對復雜。近年來，A/D變換中的Sigma-Delta技術已變得相對成熟，將其應用在差分電容檢測電路中，具有以下優(yōu)點：以脈沖密度調制流直接輸出數字信號；系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能避免轉子鎖??；對失效具有自檢特性；結構相對簡單，對器件兼容性好。本文根據sigma-delta技術建立了靜電懸浮轉子微陀螺控制模型，通過Matlab/Simul

3、ink進行了系統(tǒng)級設計和仿真，并設計了一種新穎的基于Sigma-Delta技術的閉環(huán)檢測電路。該電路能夠檢測轉子的微小位移，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調制器的具體電路結構及仿真。 本文介紹了靜電懸浮轉子陀螺的結構及動力學模型，根據此模型，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。仿真結果表明，這種方法可以使轉子穩(wěn)定懸浮在平衡位置，解決了轉子吸附問題。然后本文對單自由度的差分電容結構進行了等效電路分析，采用sigma-delta方法建立其閉環(huán)數字控制系統(tǒng)模型，并給出了數字懸浮控制的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，給出了測試結果。 文中介紹了一種降低積分器擺幅（RISR）的調制器結構，這種RI

5、SR結構的調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制器結構的優(yōu)點。然后分析了調制器噪聲的來源，根據最優(yōu)化方法設計了指定目標的調制器，并給出了simulink仿真結果。然后給出了二階RISR結構調制器的具體電路結構，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