振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

双电容接口式微机械陀螺的信号检测方法

在研究双电容接口式微机械陀螺结构与分析传统差分电容检测方法对其驱动力的影响的基础上,提出了一种适合于该陀螺的新型信号检测方法,此方法具有两个显著特点:第一,能够使公共电容极板偏置到零电压,消除其对驱动力的影响,进而提高微机械陀螺的系统灵敏度;第二,能够消除直流电压的不匹配以及失调电压对输出信号的影响.最后,通过HSPICE软件仿真验证了该方法的可行性.     

基于电容桥的差动电容检测方法

数字闭环石英挠性加速度计系统主要由石英挠性加速度计表头和数字检测电路组成,其极限精度取决于差动电容检测电路的灵敏度。针对数字闭环石英挠性加速度计前端差动电容检测的需求,给出了一种基于电容桥的差动电容检测方法。利用数字电路产生高频方波进行单载波调制,同时利用交流电容桥结构对载波信号进行处理,并设计后续的差分放大电路对载波信号进一步处理最终实现对微弱差动电容变化的检测。经过实验验证,检测电路对电容的检测最终实现最小分辨率约为1. 8 f F(对应加速度变化1μgn)。     

磁悬浮转子微陀螺的电容检测系统分析和实现

介绍了一种新型磁悬浮转子微陀螺的电容检测方案,其特点是检测定子上径向分布的电容极板和悬浮转子形成差动电容的变化.检测电路为基于相关检测原理的交流电容电桥的方法.电路实现中采用积分电荷放大器作为前置级,对其输出和噪声进行了深入的分析.之后,前置级的输出信号经过低噪声放大器进行放大,再通过带通滤波以及相关解调等电路实现检测系统需要的输出幅值和信噪比.实验证明,实现的检测系统对角度输入有较好的线性响应,角度分辨率达到0.1°,即可检测到的电容变化约为1fF.     

自激驱动方式的振动式微机械陀螺全差动接口电路

以外框驱动内框检测(ISOD)的框架式振动陀螺为对象,采用CSMC 0.6μm标准CMOS工艺给出了驱动电路和检测电路的实现方式.仿真结果显示,同外加驱动方式相比,自激驱动方式能够让驱动电压工作于微机械陀螺的驱动谐振频率上,对温漂和时漂有很强的抑制作用,能够实现最大的检测分辨率,微机械陀螺性能显著提高.采用全差动工作方式相对于单端工作方式,可以有效的提高信噪比(SNR),并可以抑制共模噪声的干扰,并降低对高频载波的依赖度.在大气环境下,微机械陀螺的响应度为10 mV/deg,灵敏度为0.1°/S*Hz2.     

适用于微机械陀螺接口电路的新型开关解调方法

本文提出了一种可以运用于微机械陀螺接口电路中的新型开关相敏解调方法,它的电路实现比较容易,同时能够良好地抑制前级的直流电位偏差,可以最大限度地减小由于微机械陀螺接口电路的梳齿电容的不匹配而造成的直流失调电压,从而使所得到信号具有更小的谐波失真,提高陀螺的检测灵敏度.     

一种交流激励电容测量电路的性能测试

差动电容传感器已广泛地应用于压力、压差、位移、加速度、振动等非电量的精密测量,参比电容传感器有望用于煤粉浓度测量等领域,而微小电容测量电路是电容传感器应用中的核心和关键技术。微小电容测量的难点在于杂散电容的存在以及电磁干扰,而交流激励电容测量电路可以采用调制解调方式将缓慢变化的电容传感器信号调制在激励源提供的高频载波上,有效抑制同频干扰,工频干扰,运算放大器的失调电压和失调电流,电阻电容等器件的低频噪声干扰。在活塞压力平台上对交流激励电容测量电路进行了性能测试。结果表明,交流激励电容测量电路迟滞误差为0.19%,非线性误差为0.23%,重复性误差为0.29%,可应用于参比电容传感器测量系统。     

一种改进的振动式微机械陀螺驱动电路

采用闭环控制电路使振动式微机械陀螺驱动模态保持谐振是提高其灵敏度和稳定性的最为直接、有效的方法.基于锁相控制环路是目前振动式陀螺驱动广泛采用的控制方法之一.对包括陀螺在内的锁相环各个环节进行了建模.对各部分模型线性化处理后,推导了微机械陀螺锁相环控制电路的系统传递函数.传递函数的分析表明该系统是一个有差系统,即压控振荡器发生频率和陀螺谐振频率总是存在一定的频差.文中引入了校正环节来消除稳态误差.采用音叉电容式微机械陀螺进行了实验,转台实验显示刻度因子有所提高,表明该控制方案能够有效的提高陀螺的灵敏度及其稳定性.     

电容式微机械陀螺仪信号检测电路

本文提出了一种电容式微机械陀螺仪信号检测方案。该方案与将信号调制到高频后再检测的方案不同,所提方案只需在质量块上加一稳定直流电压,然后与敏感前端CV转换电路相连接,完成电容变化信号到电压信号的检测,因此,简化了电路结构,并且可以消除静态检测电容不相等所造成的误差和获得较低的等效输入噪声。文章对所设计的电路进行了简要介绍,并且对电路噪声性能进行了分析与推导,在Cadence环境下, 基于标准 0.25 um COMS工艺模型, 对电路进行设计和仿真,显示该电路可达1.2aF的电容分辨率。     

静电激励硅微机械谐振压力传感器设计

设计了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器,采用改进的侧向动平衡双端固支音叉谐振器,利用基于绝缘体上硅的加工工艺制作。为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化,在谐振器固定端设计了全新的桁架结构。针对传感器检测信号微弱和同频干扰严重的特点,在芯体和接口电路设计中采取添加屏蔽电极、降低交流驱动电压幅值、差动电容检测和高频载波调制解调方案等多项措施。同时基于该接口电路设计了开环测试系统,并在常压封装条件下对传感器进行了初步性能测试。实验结果表明:其基础谐振频率为33.886 kHz,振动品质因数为1222;测量范围为表压0~280 kPa,非线性为0.018%FS,迟滞为0.176%FS,重复性为0.213%FS;在-20~60℃的温度范围内,谐振器的平均温度漂移为-0.037%/℃。     

一种双线振动硅微机械陀螺仪驱动检测电路设计

以一种双线振动硅微机械陀螺仪为研究对象,设计了驱动、检测电路,达到了一定的性能要求。驱动模态使用自激振荡的闭环控制方式,使陀螺稳定工作在其固有频率上。在载波和驱动环节使用了一种AGC技术,实现了载波信号和驱动模态的幅度的高精度控制。使用二极管一次解调,简化了电路结构。检测部分使用了一种相位修正放大电路,有效减小了有用信号频率附近的幅相误差。     

一种用于MEMS陀螺的高精度电容读出电路的设计

针对电容式MEMS陀螺,设计了一种高精度CMOS接口读出电路。从理论上分析了接口寄生电容、器件的不匹配对接口电路的影响,采用连续时间电压读出方式的检测方法,设计了一款带有输入输出共模反馈的低噪声全差分电荷运算放大器,输入输出共模电压稳定在2.5V,输入端的噪声电压为9nV。载波调制技术用来消除低频闪烁噪声。在Cadence中对设计的接口电路进行仿真分析,并采用PCB电路板进行了实验。结果显示所提出的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号,而且减小了由于器件的不匹配产生的失调电压对电容分辨率的影响,电路Cadence仿真的电容分辨率可达0.13aF/(Hz)~1/2,能满足惯导级的需求。     

CCD相机功率驱动电路设计

由于一些CCD的驱动波形为双极性且电压幅值范围较宽,而目前的CCD驱动集成电路多为单电源工作且工作电压幅值有时候不能满足要求。针对这个问题,设计了新的CCD相机的功率驱动电路。该功率驱动电路采用电容耦合及二极管钳位方式对时序信号进行电平搬移,采用两个互补三极管轮流开关工作产生驱动波形。由于采用了较少的器件,提高了电路的可靠性,降低了系统的成本。对电路进行了分析,并在Cadence公司的OrCAD PSpice AD软件下进行了仿真。构建实际的电路和仿真结果一致。因此,当现有的驱动器集成电路不能满足要求时,可以使用该电路实现CCD相机的功率驱动。     

基于脉宽调制的传感器读取电路设计与实现

设计了一种新型的传感器信号读取电路,该电路将传统的脉宽调制PWM(PulseWidthModulation)电路进行改进,对PWM信号采用占空比和频率同时调制而不是单一的占空比调制,在信号传输过程中,该电路可将两路电压输入信号调制到一路PWM信号上,通过对输出PWM信号进行解调可还原两路输入信号的电压值.实验结果表明,该电路输出PWM信号占空比和频率分别与两路输入电压信号呈良好的线性关系,电压转换精度分别达到0.34%、0.26%.此外,该电路具有抗干扰能力强、转换精度高和成本低的优点,非常适合传感器信号的调理和读取.     

差分电容电压转换电路噪声性能分析及测试

本文对电容检测式加速度计系统中广泛采用的差分电容电压转换电路建立了电容电压转换电路的等效噪声模型,并对双运放集成电路芯片所构成的差分电容电压转换电路的本底噪声以及仪表放大器输出端的噪声进行了测试,将电容电压转换电路本底噪声中的差模噪声分量和共模噪声分量进行了分离.测试结果表明影响加速度计系统噪声性能的差模噪声分量占电容...     

MEMS可编程光栅动态驱动电路的研制

MEMS可编程光栅的工作性能很大程度依赖于驱动电路的性能。本文根据MEMS可编程光栅的工作特点及结构参数,提取出光栅的等效电容值,并采用集成高压运放研制出一种新型的MEMS可编程光栅的动态驱动电路。为了避免自激振荡的发生,电路中采用了频率补偿和并联反馈电容的方法,有效提高了电路的稳定性。实际电路经过测试,其动态性能与PSPICE10仿真的结果非常吻合。该动态驱动电路具有高的电压输出范围(0~180V),较高的频率响应(10kHz),大范围容性负载能力(1~1000pF),完全能够满足MEMS可编程光栅动态复杂控制的需要。     

Analysis of parasitic feed-through capacitance effect in closed-loop drive circuit design for capacitive micro-gyroscope

The drive axis of a capacitive micro-gyroscope sensor forms an ‘electrical-mechanical’ resonator with closed-loop drive circuits when the gyro is in full operation. The parasitic feed-through capacitance, which exists between the driving and sensing electrodes of the sensor, induces two main negative effects: preventing the expected ‘electrical-mechanical’ oscillation and introducing an undesired high frequency ‘electrical’ oscillation. In this paper, mathematical expression of the critical parasitic feed-through capacitance allowing the occurrence of ‘electrical-mechanical’ oscillation is derived for the first time. Based on the derived expression, a conclusion that increasing the polarization voltage on the sensor mass be the only electrical way to increase the critical value of parasitic feed-through capacitance is revealed. Then with an implemented silicon chip for the drive circuit, the reason of occurring electrical oscillation is analyzed, and an effective solution to avoid the electrical oscillation referred as increasing the polarization voltage is proposed. Experiments on a capacitive micro-gyroscope prototype show that when the polarization voltage is increased from 10 to 18 V, the closed-loop drive circuit eliminates possibility of the electrical oscillation effectively. As a result, the proposed electrical oscillation solution has been verified.     

微机械振动陀螺仪闭环驱动电路分析与设计

为了提高微机械振动陀螺仪输出信号的灵敏度,通常要求驱动信号频率与陀螺仪驱动模态的谐振频率相匹配,且驱动信号幅值稳定.驱动电压信号要满足这些要求,必须采用闭环驱动方式.完整地推导了闭环驱动电路的内在机理,探讨了自激振荡与锁相环两种实现方式,并给出了具体的电路原理框图.     

基于FPGA的高精度频率计

为了满足硬件工程师对高精度和高带宽测频仪器的需求,设计一种基于FPGA的高精度频率计。频率计包括外围的电压跟随电路和串口通信电路以及FPGA上的分频器模块、频率计量模块和串口通信模块,并使用Altera公司的Cyclone Ⅳ芯片作为控制核心。首先待测信号经过电压跟随器的稳压和隔离,然后将稳压信号接入分频器模块,分频器模块会把频率信号以1 kHz为界限分为低频和高频信号,并对低频信号和高频信号分别采用周期测频法和脉冲计数法测频。测量的频率数据可实时通过串口上传至上位机。经过测试,频率计能够实现1 Hz的精度、200 MHz的测频带宽以及多通道检测。