【摘 要】
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MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）轴对称陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低和抗振性强等突出优点,在民用和军事领域都有重要应用价值。高品质因数的陀螺敏感单元配合闭环控制系统,能够极大提升陀螺仪的精度。机电耦合∑Δ调制技术可在完成闭环控制的同时实现低噪声数字化输出,适用于集成化系统设计方案。但陀螺电极间耦合电容造成的电馈通效应严重制约了系统性能的提高,因此针对性
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MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）轴对称陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低和抗振性强等突出优点,在民用和军事领域都有重要应用价值。高品质因数的陀螺敏感单元配合闭环控制系统,能够极大提升陀螺仪的精度。机电耦合∑Δ调制技术可在完成闭环控制的同时实现低噪声数字化输出,适用于集成化系统设计方案。但陀螺电极间耦合电容造成的电馈通效应严重制约了系统性能的提高,因此针对性研制测控系统具有重要意义。本文以新型类蛛网盘式谐振陀螺（Cobweb-like Disk Resonator Gyroscope,CDRG）为研究对象,探索了∑Δ调制技术与MEMS轴对称陀螺相结合系统的应用前景,设计了能够增大量程的改进机电耦合∑Δ调制系统,同时提出了可有效抑制电馈通效应的系统实现方法。主要研究工作如下:首先,分析了 CDRG的机械结构和角速度检测原理,给出了动力学仿真模型,并结合多反馈式∑Δ调制器设计了四阶机电耦合系统。使用准线性化分析方法推导了相应的传递函数,通过理论计算和Simulink实时仿真验证了闭环系统设计的正确性。其次,针对∑Δ调制器中常用一位量化结构存在的增益不可控缺陷,设计了基于3-level量化技术的改进系统,并提出一种反馈脉冲编码方法,该方法可自动矫正因陀螺电极反馈系数失配引入的非线性误差。计算与仿真结果表明,改进系统可在不增加硬件复杂度的前提下,有效提高陀螺仪噪声和量程性能。然后,设计了机电幅度调制电路以解决电馈通问题,基于此电路分析载波混叠效应后完善了系统噪声模型得出模拟域与数字域间工作频率差值会直接影响系统性能的重要结论,并设计数模同步模块作为电馈通干扰的补充抑制措施,为机电耦合∑Δ调制系统的实现提供了有效途径。最后,基于FPGA等分立式器件设计制作样机并测试了系统性能。实验结果表明,数模同步模块有效降低了陀螺仪输出角速度信号的漂移和噪声,零偏不稳定性由2.24°/h降低为0.65°/h,角度随机游走由0.15°/（?）降低为0.094°/（?）,等效噪声密度由2.87m°/s/（?）降低为1.56m°/s/（?）;3-level量化技术有效提高了系统动态范围,角度随机游走进一步降低为0.062°/（?）,量程由100°/s提高到130°/s。以上结果证明了本文所设计的机电耦合∑Δ调制系统可有效改善陀螺仪性能,为低噪声、大量程陀螺仪的研制提供了技术支撑。
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