微石英音叉陀螺正弦自激驱动电路设计

论文摘要

石英音叉微机械陀螺是一种测量角速度的惯性器件,由石英音叉敏感结构和信号处理电路组成,电路采用集成电路工艺来实现,具有体积小,质量轻,成本低,可大批量生产,精度高等特点,在航空航天、军事制导以及海底探测等方面有着广阔的应用空间。本论文通过分析石英晶体的电学特性建立石英晶体的等效电学模型,对其驱动方式进行了探索,提出了一种带有自动增益控制结构的正弦自激驱动电路,并对其进行管级仿真、版图设计和后仿真。首先,利用石英音叉陀螺的动力学方程,建立石英音叉的等效电学模型,并对该模型进行交流小信号仿真,得到石英结构产生的敏感电流的幅频和相频特性。当驱动信号的频率与石英晶体的串联谐振频率相同时所产生的敏感电流信号幅值最大。然后,对外加交流电压驱动、自激驱动方式进行了比较,同时对驱动信号的选择进行了仿真分析,最终确定了采用带有自动增益控制模块的正弦自激驱动结构,包括I/V转换电路、峰值检测电路、可变增益放大器和后级放大电路。利用Matlab中的Simulink搭建了正弦自激驱动系统的理想模型,对该结构方案进行了可行性验证。最后,对正弦自激驱动电路的各个模块进行管级电路设计仿真,并将各个模块结合到一起,对驱动电路整体进行了前仿真;对所设计的电路系统进行版图设计,并进行后仿真。驱动信号峰峰值为5.7886V,驱动频率为11811.0Hz,驱动电路的振动稳定时间小于1秒,幅度稳定性和频率稳定性分别可以达到0.3%和0.8%。符合石英音叉结构对驱动信号的要求,能够为检测电路提供幅度和频率均稳定的正弦信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 石英微机械陀螺国内外研究现状
• 1.2.1 石英微机械陀螺概述
• 1.2.2 石英微机械陀螺国外研究现状
• 1.2.3 石英微机械陀螺国内研究现状
• 1.3 石英微机械陀螺驱动电路研究现状
• 1.3.1 石英微机械陀螺驱动电路国外研究现状
• 1.3.2 石英微机械陀螺驱动电路国内研究现状
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 微石英音叉陀螺工作原理
• 2.1 石英音叉微机械陀螺的理论依据
• 2.1.1 石英晶体的压电效应
• 2.1.2 科里奥利原理
• 2.1.3 石英音叉陀螺工作原理
• 2.1.4 石英音叉结构及电极配置
• 2.2 微石英音叉陀螺驱动、检测模态动力学方程
• 2.2.1 石英陀螺驱动模态动力学方程
• 2.2.2 石英陀螺检测模态动力学方程
• 2.3 微石英音叉陀螺驱动等效电路
• 2.4 本章小结
• 第3章 石英音叉陀螺驱动系统
• 3.1 驱动方案的分析和设计
• 3.1.1 外加交流直接驱动方式
• 3.1.2 自激驱动方式
• 3.1.3 正弦信号驱动与方波信号驱动比较
• 3.2 反馈系统自激振荡条件分析
• 3.3 石英陀螺驱动电路系统设计
• 3.3.1 驱动系统结构
• 3.3.2 驱动系统Simulink仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 石英音叉陀螺驱动电路设计
• 4.1 低噪声高增益运算放大器设计
• 4.2 峰值检测电路设计
• 4.3 可变增益放大器设计
• 4.4 后级放大器设计
• 4.5 参考电流源设计
• 4.6 驱动电路整体仿真结果及分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 驱动电路的版图设计
• 5.1 寄生可控硅——闩锁效应
• 5.1.1 闩锁效应产生原因
• 5.1.2 消除闩锁效应的措施
• 5.2 MOS晶体管的匹配
• 5.2.1 MOS管匹配因素分析
• 5.2.2 MOS管匹配规则
• 5.3 静电保护设计
• 5.4 驱动电路版图总体设计及后仿真结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢