微石英音叉陀螺正弦自激驱动电路设计

作     者：徐宏磊 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓为

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：石英陀螺 自动增益控制 正弦驱动 自激驱动 

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。