为了抑制相敏解调引入的闪频(1/f)噪声, 实现硅微陀螺仪的高精度片上数字化输出, 设计了一种基于sigma-delta模数转换器的相敏解调ASIC。首先, 提出了一种量化硅微陀螺仪驱动及检测载波信号的低闪频噪声数字化方案, 建立了sigma-delta模数转换器的系统级分析模型, 并利用Simulink完成了基于谐振器级联前馈(CRFF)结构的三阶sigma-delta模数转换器系统级设计。其次, 研究了sigma-delta模数转换器的电路级实现方法, 在Cadence IC平台上完成了包括低噪声开关电容积分器、加法器及1 bit高速量化器等模块的晶体管级电路设计与验证, 并采用AMS 0.35 μm工艺进行了流片。实验表明: 该sigma-delta模数转换器具有三阶噪声整形功能, 在硅微陀螺仪的工作频率处(6.4 kHz)量化噪声小于200 nV/Hz1/2, 等效精度位数为12。硅微陀螺仪数字化输出角度随机游走0.012 (°)/h1/2, Allan方差零偏不稳定性为0.34 (°)/h, 零偏稳定性(1σ)为0.94 (°)/h, 满足高精度硅微陀螺仪的数字化精度需求, 并提高了整表集成度。

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80 μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构, 采取真空封装技术降低结构噪声。首先, 采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号, 降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次, 使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元, 通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后, 采用复位计数器进行频率数字转换, 在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示: 该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下, 实现了2.5 μg/√Hz的分辨率和1 μg的零偏不稳定度。此外, 为了减小电路自身发热引起的温度漂移, 该样机的功耗被控制在3.5 mW以内, 系统集成后的尺寸约为45 mm×30 mm×20 mm。基于所述技术, 系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2 dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。 得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性, 使其满足更高精度应用场合的需求, 研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例, 对影响其零偏稳定性的主要因素: 机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析, 并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则, 优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试, 以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明, 4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移, 且零偏稳定性在6 (°)/h左右, 达到了中等战术级水平。

将遗传算法与低频模型相结合, 提出了一种快捷的驱动电路设计方法, 用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能, 并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦, 提取闭环驱动电路的低频模型; 将提取的低频模型与遗传算法相结合, 给出完整的优化方法, 得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计, 建立了SIMULINK低频仿真模型, 根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数, 并对其进行了实验验证。起振实验结果表明, 采用优化参数可使超调量小于50%, 相位误差小于5°, 1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s, 实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效, 具有可实施性。

提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法，以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理，对其运动方程的分析显示: 为了提高标度因数的稳定性，需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性; 而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此，设计了增益补偿算法，配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明，在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时，振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明，增加增益补偿环节后，标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。

建立了以微机械陀螺驱动模态固有频率为虚拟温度传感器的温度补偿系统, 以实现对微机械陀螺标度因数和零偏的高精度温度补偿。研究了自主设计的微机械陀螺的驱动模态固有频率的温度特性, 通过实验手段获得了频率的温度系数为(-26.9±2.03)×10-6 ℃, 且温度测量精度1 s平均时为0.075 ℃, 20 s平均时为0.004 ℃。在分析微机械陀螺标度因数和零偏温度特性的基础上, 提出了一种二阶温度补偿方案, 并给出了补偿原理和算法示意图。最后, 利用驱动模态固有频率对标度因数和零偏进行了温度自补偿。实验结果表明, 在-40 ℃到60 ℃, 标度因数的最大相对变化量从补偿前的2.1%下降到了0.05%; 零偏的最大相对变化量从补偿前的8.9%下降到了0.1%; 室温下2 h的零偏实验表明, 温度补偿后微机械陀螺的零偏不稳定性由4.1(°)/h降到了0.42(°)/h, 满足了微机械陀螺温度补偿的高精度要求。

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑Δ调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路。首先, 根据微机械陀螺敏感模态的等效形式, 分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分, 且负刚度效应与输入角速度无关。然后, 根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系。最后, 利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数, 理论计算了所需的反馈脉冲高电平, 并在Simulink中进行了仿真。仿真结果表明, 所选参数满足了设计指标, 且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下, 仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07%和5.12%。对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验, 结果表明, 脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化; 得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9%和4.8%, 实验与仿真结果符合得到较好。

为了进一步增强硅微机械陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性，提出了一种基于自激振荡原理，以现场可编程门阵列(FPGA)为主要数字信号处理平台的驱动电路。以陀螺仪驱动模态特性为出发点，分析了自激振荡原理对驱动电路的要求。分析并建立了驱动相位控制与驱动幅度控制模型，实现了频率测量-补偿算法控制驱动环路相位，PID控制算法控制环路幅度。实验结果表明，常温下驱动幅度控制精度达到1.5×10-5，并且能跟踪驱动模态谐振频率。由于采用了数字电路使得驱动幅度温度系数由原来模拟电路方案的7.69×10-5/℃降低到1.183×10-5/℃。相比传统模拟电路控制方案，本方案具有驱动精度高，温度适应性好的优点。