电容式陀螺仪接口电路的测试与分析

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现今高性能的微机械陀螺接口电路都采用闭环自激的驱动方式,即不需要外加交流驱动信号,陀螺表头结构的驱动电压信号由接口电路自行产生。但国内针对微机械陀螺的研究大多停留于表头结构方面,对接口电路方面的研究与国外有很大差距。本文主要测试了基于闭环工作方式的电容式陀螺仪ASIC接口电路,并针对测试结果对接口电路当中存在的不足进行分析。首先,在掌握微机械陀螺工作原理的基础上,建立了与电容式陀螺仪表头对应的电学模型,采用交流仿真方法得出表头部分驱动信号、驱动方向位移及驱动方向敏感电流三者之间的相位关系。为了首先在理论上能够验证整个电容式微机械陀螺接口电路的可行性,推导验证了整个陀螺接口电路的相移和增益,在理论上证明了整个系统自激振荡在相位上的可行性;又由于整个闭环接口电路具有极大的电流——电压增益,从而保证了自激振荡在增益上的可行性。在理论上验证了陀螺接口电路的可行性后,测试了陀螺ASIC接口电路的各个模块,着重测试了驱动部分的电荷放大器模块、相位补偿模块、方波发生器模块与调制驱动信号模块等,并分析了陀螺接口电路中存在的不足,主要是由于电荷放大器不能够实现精确相移而引起的极难补偿的相位偏差,进而可能导致整个系统不能实现自激振荡。为了改进接口电路的相位误差,采用跨阻放大器代替电荷放大器,从而消除了由电荷放大器引入的相位误差。跨阻放大器代替电荷放大器要实现大的增益,传统的多晶硅或者扩散电阻会占用极大的芯片面积,并引入了极大的电阻热噪声,为此采用了基于CCCII技术的有源电阻作为跨阻放大器的反馈电阻。仿真发现,陀螺表头机械结构的固有频率为2.7kHz,其驱动方向的驱动力与驱动方向的敏感电流同相;在陀螺结构的固有频率下电荷放大器产生的相位误差典型值为9°;分别对陀螺接口电路当中的电荷放大器模块、相位补偿模块、方波发生器、微陀螺驱动电路及表头结构进行了测试,测试后发现陀螺接口电路实现了陀螺结构的自激振荡。
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