高精度电容式微机械加速度计系统的研究与设计

论文摘要

微机械加速度计作为一种用来测量加速度的重要的惯性器件,可以应用于倾斜角、惯性力、冲击及振动等惯性参数的测量,在汽车、消费电子、惯性制导等方面有着广泛的应用前景。电容检测式微机械加速度计因为其具有较高的灵敏度、线性度和稳定性,所以在各种检测形式的加速度计中备受关注。本文针对变面积电容式微机械加速度计,设计了高精度、小量程的单路载波调制型检测电路,同时也简要分析了加速度计表头部分的参数设计对系统分辨率等性能的影响。这些研究内容为高精度、小量程的电容式微机械加速度计表头以及外围信号检测电路的合理设计、参数选择和优化提供了理论依据,对其今后的实用化具有一定的参考意义。本论文的研究工作主要包括以下内容:（1）针对高精度、小量程的电容式微机械加速度计,确定了信号检测电路方案。通过对系统噪声性能仿真结果的比较,发现系统的分辨率主要受到信号检测电路的噪声性能限制。若要提高系统的分辨率,则要提高载波的幅度、提高加速度计表头的电容灵敏度以及选择低噪声的运放芯片,并且尽量将系统的增益配置在电路的前级模块中,这些对优化整个系统的分辨率指标具有重要的意义;（2）针对高精度、小量程的电容式微机械加速度计,设计了单路载波调制型的数模混合式信号检测电路,主要由模拟检测电路和数字检测电路两个部分组成,并使用A/D、D/A转换芯片实现模拟系统与数字系统的接口,给出了各个模块详细的设计思路与具体实现方式,并针对高精度的要求提出了抗干扰措施;（3）参考加速度计性能指标测试规范对现有的加速度计系统性能进行了测试。测试表明,目前的开环加速度计系统在-1g～+1g范围内的数字输出灵敏度大约为3.234×106quants/g,非线性度为713ppm,零偏为119mg,室温下（冬季室温约12度）一小时内的零漂约为0.64mg,系统的分辨率为1.016μg/√Hz,达到了较高的精度。另外,对模拟电路的温度特性进行了简单的测试,结果表明,系统零偏的温度系数约为4.5mg/℃,在25℃恒温的条件下,系统在一小时内的零漂约为0.187mg,可见整个系统的零漂性能在恒温条件下可以进一步得到改善。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 微机械加速度计概述
• 1.1.1 定义与分类
• 1.1.2 工作原理
• 1.1.3 性能指标
• 1.2 电容检测式微机械加速度计
• 1.2.1 电容的改变方式
• 1.2.2 结构类型
• 1.2.3 研究现状
• 1.3 本论文的主要内容和研究意义
• 2 高精度电容式微机械加速度计系统设计
• 2.1 系统构成
• 2.1.1 加速度计表头结构
• 2.1.2 信号检测电路方案
• 2.2 系统性能分析
• 2.2.1 噪声分析
• 2.2.2 量程分析
• 2.3 本章小结
• 3 高精度电容式微机械加速度计系统的外围接口电路实现
• 3.1 电容检测模块
• 3.1.1 单端电荷放大电容检测电路
• 3.1.2 组合式差分电容检测电路
• 3.2 滤波模块
• 3.2.1 前级滤波放大模块
• 3.2.2 末级带通滤波模块
• 3.3 载波产生模块
• 3.3.1 载波的选择
• 3.3.2 载波的产生
• 3.3.3 载波的性能
• 3.4 解调模块
• 3.5 数模混合系统接口电路
• 3.6 抗干扰设计
• 3.7 本章小结
• 4 高精度电容式微机械加速度计系统测试
• 4.1 线性度测试
• 4.2 灵敏度测试
• 4.3 噪声性能测试
• 4.4 稳定性测试
• 4.5 温度特性测试
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果