转子式微陀螺的开关电容检测电路设计

《转子式微陀螺的开关电容检测电路设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文转子式微陀螺的开关电容检测电路设计DESIGNOFSWITCHEDCAPACITORDETECTIONCIRCUITOFROTATIONALGYROSCOPE刘福东哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3.049.774密级：公开工程硕士学位论文转子式微陀螺的开关电容检测电路设计硕士研究生：刘福东导师：陈伟平教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：航天学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C:621.3.049.774Disser

2、tationfortheMaster’sDegreeinEngineeringDESIGNOFSWITCHEDCAPACITORDETECTIONCIRCUITOFROTATIONALGYROSCOPECandidate：LiuFudongSupervisor：Prof.ChenWeipingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：IntegratedCircuitEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2016Degree-

3、Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着微机电系统（MEMS）的发展，作为微机电系统的一个主要产品分支——陀螺仪逐渐被大家所熟知。由于陀螺仪可以广泛的应用在军事、民事领域当中，人们对于它的精度要求也越来越苛刻。传统的磁悬浮转子式微陀螺、静电悬浮式陀螺因其精度不够高、涡流效应产生发热问题、加工成本高、静电支撑所需电压过高等缺点而不再成为主流。哈尔滨工业大学MEMS中心提出了一种全新的球-碟转子式微陀螺结构，可以有效的避免上述问题。完整的微陀螺系统是由机械和电学两部分共同组成，机械部分

4、是指陀螺的表头部分，电学部分主要就是检测电路部分。本论文基于哈工大MEMS中心提出的全新陀螺结构，进行了检测电路的分析和设计，通过检测结构部分等效电容的微弱变化，转换为电信号再经模数转换电路实现数字输出。本论文首先对球-碟转子式微陀螺的工作原理、检测原理、检测方式进行了分析，通过对比各种检测方式来设计选择合适的电路拓扑结构。所设计的检测电路主要由两部分构成，前级的开关电容检测电路和模数转换电路，本文设计的前级开关电容检测电路模块部分主要包括电荷敏感放大器、次级放大器、相关双采样电路、低通滤波电路。通过仿真可以得到相对电容分辨率为5.12x10-8，非线性在100ppm左右，标度

5、因子为39.86mV/ff，标度因子温度系数为92.08ppm/C。并采用了一个三阶单环一位量化调制器将前级检测电路的模拟输出进行数字化转换。调制器采用全差分开关电容电路的方式实现，采样时钟频率是100KHz，对调制器的各个模块进行分析和设计，主要的模块有积分器运算放大器、锁存器、比较器、时钟产生电路。调制器的输入信号带宽为30Hz，输入信号频率为16Hz，幅度为-8dBFS，信噪比为99dB，1Hz动态范围约为120dB，整体电路功耗为11.856mW。然后对整体开关电容检测电路进行版图绘制和后仿真，可以得到标度因子温度系数为95.12ppm/C，非线性可以达到200ppm左

6、右，相对电容分辨率为5.89x10-8。调制器与前仿真条件相同，信噪比为95dB，1Hz动态范围为120dB。关键词：转子式微陀螺；开关电容；相对电容分辨率；调制器I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththemicro-electromechanicalsystems(MEMS)develop,asamajorproductofmicroelectromechanicalsystemsbranch-gyroscopegraduallyisbeingknowntoeveryone.Sincethegyroscopecanbewidelyusedinmilitar

7、ycivilianareas,itspeopleareincreasinglydemandingaccuracyrequirements.Traditionalmagneticsuspensionrotormicrogyro,electrostaticsuspendedgyroscopeitsaccuracyisnothighenoughtogenerateeddycurrentsheatproblems,highprocessingcosts,theelectrostaticvoltage