振动式微机械陀螺数字信号处理系统及其实现

论文摘要

MEMS陀螺是一种测量角速度的惯性传感器,以其体积小、重量轻、成本低等优点在很多领域得到了应用。随着MEMS技术的不断发展,对于微机械陀螺的性能要求也在不断提高。陀螺外围信号模拟处理的技术已经较完善和成熟,但由于模拟处理电路本身存在的噪声、温漂等因素的限制,已经在一定程度上限制了微机械陀螺的应用。为了克服模拟处理电路带来的非理想因素,数字处理的方法开始为大家所研究和考虑。本文基于陀螺模拟信号处理电路的原理,在FPGA和DSP内完成了数字化的陀螺外围信号处理,主要内容有:(1)数字化的陀螺外围信号处理电路包括驱动反馈和角速度解调两个环路,驱动反馈环路用于保持陀螺稳定的自激驱动,角速度解调环路完成角速度的解调工作,输出实际的角速度信号。论文首先分析了这两个环路的组成和基本原理,提出了实现的方法。(2)在FPGA内实现了数字处理系统中的载波生成、驱动反馈解调和检测解调模块。高精度载波采用改进的CORDIC算法实现,具有32位的相位精度,驱动反馈解调和检测解调采用生成的载波相干解调完成。通过MATLAB的一系列仿真,在DSP内实现了改进的带通滤波器、相移滤波器、低通滤波器、自动增益模块以及角速度解调模块。(3)对整个数字陀螺系统个模块的性能进行了测试,包括生成的载波信号、驱动反馈解调之前和之后的信号、检测解调之前和之后的信号、最终的驱动反馈信号和角速度输出信号。生成的载波信号达到104dB以上的信噪比,驱动反馈解调之前边带信号的信噪比为68.5dB,驱动反馈之后的信号信噪比提高至83dB,检测解调之前边带信号的信噪比为58.375dB,检测解调之后边带信号的信噪比提高至69.6dB,驱动反馈信号的信噪比为82.98dB。(4)对陀螺的标度因子、线性度以及零偏稳定性进行了测试,所测陀螺器件的标度因子为2.9398mV/deg/sec,1小时内的零偏稳定性为329deg/hr,达到了较好的性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 微电子机械系统
• 1.2 陀螺发展概述
• 1.3 振动式微机械陀螺基本原理
• 1.3.1 科氏加速度
• 1.3.2 振动式微机械陀螺动力学分析
• 1.4 微机械陀螺仪及其信号处理电路
• 1.4.1 微机械陀螺仪概述及分类
• 1.4.2 国内外常见的微机械陀螺
• 1.4.3 微机械陀螺外围处理电路研究状况
• 1.5 本论文的研究内容
• 2 振动式微机械陀螺外围信号处理系统设计
• 2.1 振动式微机械陀螺外围信号处理原理
• 2.1.1 振动式微机械陀螺外围模拟信号处理系统
• 2.1.2 振动式微机械陀螺外围数字信号处理系统
• 2.2 振动式陀螺驱动反馈环路
• 2.2.1 振动式陀螺反馈驱动环路介绍
• 2.2.2 自动增益控制（AGC）分析
• 2.3 振动式陀螺角速度解调环路
• 2.4 陀螺外围信号数字处理硬件平台设计
• 2.4.1 数字实现的优势
• 2.4.2 数字实现基本硬件框图
• 2.4.3 模数/数模以及电源管理芯片
• 2.4.4 可编程FPGA芯片
• 2.4.5 高速DSP芯片
• 2.5 本章小结
• 3 振动式微机械陀螺数字信号处理实现及优化
• 3.1 陀螺外围信号数字处理模块组成
• 3.2 高精度载波的生成与解调
• 3.2.1 高精度载波生成与解调的原理
• 3.2.2 改进的CORDIC算法及实现
• 3.3 数字滤波器的实现及其改进
• 3.3.1 数字滤波器的设计
• 3.3.2 数字滤波器的实现
• 3.3.3 FIR数字滤波器的改进实现
• 3.4 数字AGC的实现
• 3.5 角速度数字解调的实现
• 3.6 本章小结
• 4 振动式微机械陀螺外围信号数字处理性能测试
• 4.1 数字模块测试内容
• 4.1.1 载波性能测试
• 4.1.2 驱动反馈CORDIC解调前信号测试
• 4.1.3 角速度检测CORDIC解调前端信号测试
• 4.1.4 驱动/检测解调经带通滤波器输出信号测试
• 4.1.5 AGC之后驱动反馈信号测试
• 4.1.6 角速度解调之后输出角速度信号测试
• 4.2 数字陀螺系统测试及分析
• 4.2.1 线性度测试
• 4.2.2 零偏稳定性测试
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果