石英陀螺数字驱动信号处理电路的设计

作     者：张鑫怡 

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：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：石英陀螺 等效电学模型 数字信号处理 驱动环路 高集成度 

摘      要：石英压电陀螺工艺结构简单,温度特性好,具有克服冲击和振动等恶劣环境的能力,大大提高了器件的可靠性,在成本、体积和重量等方面都优于机械和光学陀螺。接口电路中的驱动电路,是石英陀螺正常工作的基础,且驱动性能的好坏直接影响陀螺整机的性能。目前微电子技术的高速发展,系统的微型化和集成化已经成为一种趋势,传统的模拟驱动存在集成度欠佳的问题。考虑到以上因素,有必要设计一种高集成度的数字接口电路,完成驱动环路的整体功能。本文首先研究分析了石英陀螺表头的驱动工作原理,在此基础上建立机械域模型,分析敏感结构的质量块在驱动模态的受力,类比驱动端的运动位移方程,得到电学模型,完成对驱动响应信号的I/V转换,经过半波整流、低通滤波,得到当前信号的幅值,PI控制输出幅值相对参考电压的调节量,与AD转换的输出信号相乘就能得到与驱动响应信号同频的驱动信号,调节相位之后保证振荡的相位条件成立,将产生的驱动信号返回表头构成整体的驱动环路,调节PI的参数,实现对驱动稳定速度的优化。最后结合RTL模型,经过综合优化,时序分析,布局布线,可以完成驱动环路的版图设计,提取寄生参数,完成后仿真,比对前仿结果基本一致。综上,本文完成了石英陀螺驱动环路的电路级和版图设计。驱动信号频率为11.86 kHz,与驱动响应信号同频,幅值通过PI控制可以实现快速稳定,另外,接口电路的AD和DA转换模块均可在12 kHz带宽内达到16位精度的要求,驱动环路在150 ms内可以实现环路的稳定振荡并满足闭环驱动的功能要求。