硅微陀螺高阶带通离散时间SDM闭环参数获取方法研究

Electromechanical bandpass SDM based close-loop detection method is an inevitale choice to achieve the high performance of silicon micromachined gyroscope. The continuous time SDM circuit parameters are difficult to modify, making it impossible to achieve ASIC of the measurement circuit of silicon micromachined gyroscope, thus affecting its mass production. In view of this, an analog-digital discrete time SDM close-loop detection method is proposed. To improve signal to noise ratio of the measurement and controling circuit, the mechanically sensitive structure and associated signal conditioning circuit are placed in the forward channel of high-order bandpass SDM, forming the filtering section of the analog-digital and electromechanical filter together with the digital resonator and a compensation segment. The compensation segment is based on the SDM noise analysis and behavioral modeling and simulation of the structure, and exhaustion method is employed to design the loop structure, thus forming the optimal compensation segmet. A mathematical model of SDM optimization loop parameters is established on top of this, and the close-loop parameter decision is made using simplex method. Meanwhile, the SDM close-loop stability and robust feedback researches provide the basis for structure optimization and loop parameters. This study is intended to realize automatic access of electromechanical SDM close-loop parameters for silicon micromachined gyroscope, and to provide the method and technique foundation for ASIC and mass production of silicon micromachined gyroscope.

基于机电结合带通SDM的闭环检测方法是实现高性能硅微陀螺的必然选择。针对连续时间SDM电路参数难于修改，无法实现硅微陀螺测控电路ASIC化、批量化生产要求的状况，提出一种模数混合离散时间SDM闭环检测方法。该方法将硅微陀螺机械敏感结构及相关的信号调理电路置于高阶带通SDM前馈通道中，与数字谐振器和补偿环节一起构成模数混合机电结合的滤波环节，用以提高硅微陀螺测控电路的信噪比。在对该结构SDM噪声分析和行为级建模与仿真的基础上，采用穷举法选择最优的环路结构、设计最佳的补偿环节。在此基础上建立SDM闭环参数最优化问题数学模型，采用单纯形法解决闭环参数决策的科学问题。同时开展SDM力反馈闭环稳定性及鲁棒性的研究，为结构优化和闭环参数获取提供依据。本研究可实现硅微陀螺机电结合SDM闭环参数的自动化获取，为硅微陀螺的ASIC化、批量化生产提供方法和技术基础。

针对高精度硅微陀螺测控电路ASIC化和批量化的需求，在对比研究了正弦波电压反馈和脉冲密度电压反馈两种形式对陀螺性能影响的基础上，提出一种高阶带通离散时间SDM闭环检测方法。该方法将硅微陀螺机械敏感结构及相关的信号调理电路置于高阶带通SDM的前馈通道中，与数字谐振器和补偿环节一起构成模数混合、机电结合的滤波环节，用以提高硅微陀螺测控电路的信噪比。同时，数字谐振器和补偿环节在数字域进行设计，可方便的实现环路结构和环路参数的修改。通过调研梳理了带通SDM闭环环路的主要噪声源，并对各噪声源进行了分析和仿真，以1bit 量化器的滑膜控制模型为基础，构建了基于Matlab/Simulink仿真工具的高阶带通离散时间SDM 行为级模型，仿真对比了各类噪声源对信噪比的影响程度；在此基础上，对比分析了电路SDM设计中常用的4种单环环路结构，结合陀螺敏感结构及力反馈的特点，选择CBFF结构作为优选的环路结构；通过陀螺设计指标计算出了测控电路信噪比的设计目标，在该设计目标的指导下，选择了环路阶数和过采样率；紧接着对高阶环路参数进行简化并用陀螺敏感结构代替高阶带通SDM的第一级谐振器，形成了机电结合的带通SDM闭环电路；利用电路SDM设计工具箱DSToolbox获取了该闭环环路的参数，并根据陀螺输出信噪比和稳定性分析结果对环路参数进行优化，通过调整过采样率获得闭环参数的最优解。最后，将环路结构和参数移植到基于FPGA的实验平台上进行参数获取方法的实验验证和数字化陀螺的性能评估。实验结果表明，硅微陀螺高阶带通离散时间SDM闭环参数获取方法是有效的，且采用带通SDM闭环检测方法后，陀螺的零偏不稳定性可达0.45°/h, 零偏温度系数和标度因数温度系数相比采用开环检测的模拟陀螺分别降低了72.2%和89.4%。该闭环参数获取方法可大大简化硅微陀螺数字化闭环检测电路的设计流程，且环路参数易于修改，对硅微陀螺测控电路的ASIC化、批量化生产具有重要的理论价值和工程应用价值。