论文部分内容阅读
在微型定位导航授时(Micro-PNT)技术中，基于MEMS陀螺的惯性导航系统具有举足轻重的作用。因此，研究和设计高性能MEMS陀螺具有重要的学术意义和国防价值。本论文基于实验室已有的惯性/北斗组合导航系统以及真空封装MEMS陀螺器件，开展了MEMS陀螺的测控电路研究。作为先导研究，本论文在深入理解MEMS陀螺及测控系统的基本原理之后，着重进行了器件与电路的相位关系研究、驱动技术研究和检测技术研究。每项研究均进行了详细的电路设计与优化，并进行了板级系统验证。本论文完成的主要工作及相关成果如下: 1.对MEMS陀螺及测控电路的国内外研究进展进行了系统而深入地调研。阐述了MEMS陀螺的基本原理和性能指标，给出了降低陀螺零漂的设计准则。建立了陀螺器件的电学接口模型及关键参数。 2.研究了陀螺器件和驱动电路之间的信号转换及相位关系，建立了驱动模态的传输函数模型，详细推导了驱动模态激励电压和检测电压的相位、幅值关系，为闭环驱动电路设计提供指导。 3.研究了陀螺器件、驱动电路和检测电路三者的信号转换及相位关系，建立了总体传输函数模型，为后续检测电路设计提供指导。 4.研究了MEMS陀螺的驱动技术，设计了一款闭环锁相驱动电路。采用低噪声跨阻放大器实现C/V（Capacitance to Voltage）转换。采用高性能锁相环芯片实现恒定且低噪声驱动。测试结果表明:相较于自激驱动，锁相驱动的位移波形的噪声更小，有利于提高整体测控电路的性能。 5.研究了MEMS陀螺的检测技术，提出了一款基于正交误差的相干解调系统。相干解调器的参考载波由锁相环提供，以获得低相位抖动，提升相位对准的精度。通过正交误差与参考载波进行90°对准，间接实现了科氏位移与参考载波的同相对准。设计了完整的测控电路，进行了关键性能测试，MEMS陀螺的刻度因数为0.04mV/°/s，零偏不稳定度为57.6°/h。