论文摘要
陀螺仪是一种用来测量旋转物体角速率的惯性传感器。微机电系统（MEMS）技术的日益成熟给惯性传感器领域带来了革命性的发展。MEMS陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、抗过载能力强、价格低廉等优点,已广泛应用于汽车电子、消费电子和国防科技等领域。MEMS陀螺仪在不同领域得到广泛应用的同时,对其性能也提出了不同的要求。机械结构、接口系统和驱动系统是MEMS陀螺仪的三个主要部分,其中接口系统和驱动系统中引入的电路噪声已成为限制MEMS陀螺仪性能提高的主要因素之一。Sigma-Delta调制技术基于过采样和噪声整形两项技术,为MEMS陀螺仪电路噪声的优化以及实现数字化环路提供了有效的途径。本论文首先从MEMS陀螺仪的机械特性着手进行研究,重点分析了振动环型MEMS陀螺仪的基本结构及机械特性,建立了其固有振动频率的计算模型和电路模型,并对提高其灵敏度提出了有效可行的途径。在此基础上,对MEMS陀螺仪的Sigma-Delta闭环力反馈接口系统中的C/V转换模块、机械结构复域模型、系统稳定性、噪声整形函数,以及系统的整体实现进行了分析研究。最后,对MEMS陀螺仪驱动系统进行了研究,设计了用于MEMS陀螺仪驱动系统的Sigma-Delta调制器。针对普通Sigma-Delta调制器中积分器饱和对性能的限制以及信号失真等问题,本文尝试在传统三阶级联结构中引入CIFB结构Sigma-Delta调制器,并针对MEMS陀螺仪的具体要求设计了一款低失真三阶1-1-1级联Sigma-Delta调制器。采用Matlab Simulink对其性能进行了行为级仿真,在输入信号带宽为50 kHz,过采样率为128时,调制器信噪比达到102.9 dB,精度为16.80位,表明所设计的调制器能够满足MEMS陀螺仪驱动电路的数据处理要求。