基于Simulink的微半球谐振陀螺仪闭环控制

由于微半球陀螺仪的高品质因数特性,其在惯性精密导引领域优势显著,然而相关学术研究较少,尤其是专用集成电路(ASIC)方面。针对自主研发的微半球陀螺仪,建立了陀螺及其驱动和检测电路的Simulink仿真模型。首先,借助二维弹簧阻尼系统得到了该陀螺仪的物理模型及其参数。实测结果显示,模型与实物之间的振动速率仅相差0.5185 mm/s,验证了模型的准确性。其次,提出了基于力平衡模式的锁相环(PLL)和自动增益控制(AGC)驱动回路以及检测回路的模型,并采用双相位锁定法进行幅度解调。最后,所得驱动回路模型频率与实际振动频率只差-0.1924 Hz,检测电路模型的标度因数为0.0311 V/[(°)/s],检测阈值为-0.0013(°)/s~0.0018(°)/s,相对其他模型改善了22.5%,所提出的微半球陀螺仪及其外围电路的精确模型建立方法和电路结构为后续ASIC设计奠定了基础。

低噪声高增益的微半球陀螺接口电路

微半球陀螺接口电路的性能直接影响着陀螺仪的关键性能指标,是微半球陀螺研究的重点。针对微半球陀螺微弱振动信号的测量需求,首先分析了几种电容检测电路,其中详细分析了几种跨阻放大电路(Trans-impedance Amplifier, TIA)的噪声模型;其次,对几种电容检测电路的本征噪声性能进行了详细的分析和对比;最后,通过分析和优化设计了一种低噪声高增益的微半球陀螺接口电路。接口电路由驱动电路和读出电路构成。读出电路由两级放大电路组成,第一级采用两路跨阻放大器对差分振动电容的微弱电流信号读出,第二级采用差动放大器对两路跨阻电路的输出信号进行放大,通过带通滤波实现了陀螺信号的读出功能。实验结果表明,本电路具备9.93V/fF的电容电压转换电路(Capacitor to Voltage, C/V)读出增益和0.039zF/Hz1/2(@16.76718kHz)的电容分辨率。