MEMS振动式微陀螺数字化驱动电路及其振动特性实验研究

作     者：王振瑜 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴校生

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：MEMS振动式微陀螺 驱动电路 现场可编程门阵列 直接数字合成 自动增益控制 振动特性 

摘      要：随着微机电系统(MEMS)技术的进步,惯性传感器件得到了极大的发展,成为应用最广泛的微机电器件之一。MEMS振动式微陀螺是其中一种主流类型的惯性传感器。这种微陀螺能够测量系统加速度,并进一步计算其速度和位移,实现物体的精确定位,被广泛用于航天、军工和消费电子等领域。MEMS振动式微陀螺工作时处于某种模态的共振状态,所以高效获取高品质的工作共振模态是提高性能的主要途径。因此,驱动信号频率分辨率要高,以保证能准确找到谐振频率点;信号幅值要稳定及可调,以保证微陀螺产生足够的振动幅值。本论文对MEMS振动式微陀螺的驱动方式和原理进行了研究和说明,以PZT压电式振动微陀螺为研究对象,设计了符合微陀螺驱动的驱动电路,结合现场可编程门阵列(FPGA)嵌入式系统对驱动电路进行数字控制,分别采用直接数字合成技术(DDS)和自动增益控制技术(AGC)实现输出信号频率和幅值的精确可调。本文根据MEMS振动式微陀螺的工作原理,通过FPGA对DDS进行数字信号控制,使DDS产生微陀螺驱动信号,通过FPGA改变DDS的频率控制字,信号频率控制精度可以达到0.1Hz。通过AGC可以控制驱动信号的幅值,增益倍数可达0.1,幅值控制精度0.01V。FPGA控制数模转换DAC模块的输出来控制AGC的增益控制电压,从而控制驱动信号的幅值。精确可调的驱动信号传递到微陀螺驱动电极上,会激励出微陀螺某种振动模态,微陀螺的感应电极会产生感应电荷,将产生的感应电荷通过电荷放大器进行放大,可以观察到微陀螺的振动情况。基于本文设计实现的MEMS振动式微陀螺驱动电路,对微陀螺进行了实验研究,得到微陀螺驱动信号对微陀螺振动品质因子、线性度的影响规律。本文通过实验,就微陀螺的共振频率点、品质因子及线性度等方面进行了研究分析。在单边驱动实验中,微陀螺的共振频率点在335-336kHz之间;在双边驱动实验中,微陀螺的共振频率点在331-332kHz之间,根据驱动信号的不同而发生变化。根据实验结果,微陀螺的共振频率点随驱动信号幅值增加而降低,降幅为100Hz。驱动信号幅值与微陀螺感应电荷大小呈线性关系。微陀螺的品质因子随驱动电压增加而发生先递减后递增的规律。本文根据对MEMS振动式微陀螺的驱动电路研究,得到了针对微陀螺的优化的驱动方案,研究的结果为微陀螺工作振动模态的正确激励提供理论参考。