随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展，以及目前市场对低成本、高可靠性以及微型化角速率传感器的需求，硅微机械陀螺仪己成为过去近二十年内广泛研究和发展的主题。并且预测在今后几年内，硅微机械陀螺仪将会成为又一种成熟的硅微惯性敏感器件，广泛应用于诸多领域。对硅微机械陀螺仪的研究，可以加速和促进我国对新型惯性测量元件的应用，这在高新技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。 目前对硅微振动陀螺仪测控技术的研究主要是采用模拟电路的方法，在实际应用中，常常是要测量多个轴的角速度，它们一般组成微惯性测量单元(MIMU)的形式，用模拟电路来实现则十分复杂，相互干扰严重，现在的微机械传感器朝着智能化的方向发展，要实现这些都要求采用数字技术，另外数字电路不容易受环境温度的影响，抗干扰能力强，系统功能更改灵活。针对此本文展开了对微机械陀螺仪数字化技术的研究，研究的主要内容如下： (1)研究了DDS和PWM两种陀螺仪数字驱动方式，提出了采用不对称规则采样算法进行PWM驱动的方法。 硅微机械振动陀螺仪要能工作，就要使它的谐振器被驱动，研究了两种数字化的驱动方式，一种是直接数字频率合成(DDS)驱动，一种是脉宽调制(PWM)驱动，详细地研究了DDS驱动和PWM驱动的原理，对于DDS是这种直接输出正弦波的驱动方式，详细地给出了如何设定幅值，频率和相位的方法，对于PWM这种间接形式，论述了各种驱动采样算法。针对DDS驱动和PWM驱动，驱动反馈控制的方式有三种：调节直流电压、调节交流电压、同时调节直流电压和交流电压，在每一种方式中都具体讨论了DDS和PWM的硬件实现的结构形式。 对于本系统而言，比较方便的实现方式是采用微处理器来实现上述算法，PWM驱动相对于DDS驱动在这种方式中采用的器件更少，实现闭环驱动更容易。PWM闭环驱动的大部分工作都是依靠软件程序在微处理器中运行来实现，最后只是在输出引脚上表现出高低电平，而DDS驱动在发出正弦波形就需要外部有一个集成电路，因为相位累加器的工作频率一般要求几十MHz至几百MHz，这显然不是靠纯软件能实现的，相应地闭环控制算法也离不开此集成电路的配合，实现起来自然没有纯软件那么灵活。因此本系统采用PWM方式作为硅微机械陀螺仪的驱动方式。在各种PWM驱动算法当中，不对称规则采样算法具有易实现，谐波干扰少的优点，因此在本系统中采用不对称规则采样算法来进行PWM驱动。 (2)比较了各种检测驱动速度的算法，提出了采用整流滤波实现驱动速度检测的方法；提出了增益控制算法，实现了驱动速度反馈控制；提出了陀螺初始驱动频率控制方法。 硅微机械陀螺仪的性能和驱动运动的稳定性是直接相关的，本系统采用闭环驱动。研究了各种检测驱动速度的算法，整流滤波法、平方包络法、正交包络法，对本系统而言整流滤波法的实现最为有效。针对DDS驱动和PWM驱动，驱动反馈控制的方式有三种：调节直流电压、调节交流电压、同时调节直流电压和交流电压，在每一种方式中都具体讨论了DDS和PWM的硬件实现的结构形式。除了硬件结构形式外还要有软件调节算法来配合，首先给出了基本的增益控制算法，然后对它进行改进，以减小陀螺反馈控制环路的振荡，提高动态性能，增益控制算法对DDS驱动和PWM驱动都是一样适用。陀螺仪工作一段时间后，它的谐振点会变化，为了保持陀螺仪工作性能不因此而降低，对陀螺仪的驱动频率进行控制，使陀螺仪工作在谐振状态。 (3)提出了采用同步采样技术进行二次解调的方法，并用FPGA来产生相应的采样脉冲。陀螺仪经过一次解调之后，得到的信号含有有用信号和正交信号，它们是同频率的，这个频率等于驱动信号的频率，但相位相差90°，针对此本文提出了同步采样的技术对它进行二次解调来得到角速度信息，这样大大减小了计算量。同步采样法在抑制正交信号的同时，提取出了有用信号。还分析了同步采样法对缓变趋势项，不同频率的正弦信号，随机白噪声等干扰的抑制作用，对于除了正交信号以外的各种干扰，同步采样检测的作用相当于一个窄带的滤波器，对这些信号实现的有效抑制。同步采样检测要求产生相应的同步采样脉冲，本文分析了乘法器实现，锁相环实现和FPGA实现的方式，数字系统中一般都有FPGA器件，因此本系统采用了FPGA实现，不用增加任何硬件开销，另外，FPGA实现还能起到辅助移相的作用。在同步采样算法中要求有滤波器环节，考虑到本系统是一个实时系统，对各种滤波器结构进行了分析，级联形式的无限脉冲响应滤波器的计算量最小，实时性能最好，最适合本系统。 (4)探索了用欠采样技术进行硅微陀螺一次解调及相应的后续数字化的技术途径。为了实现更高的数字化，对采用欠采样技术进行一次解调进行了理论分析。在满足载波整数分频得到参考采样信号的情况下，从理论上证明了欠采样方式等效于对没有载波的原始信号进行采样，两者得到的数据对于后续的数字信号处理器而言是一样的。本文对欠采样理论在硅微机械陀螺仪中的应用的具体技术进行了探索：用欠采样技术一次解调后的信号要进行前端滤波，为了使DSP的负担减轻，提出了在FPGA中进行滤波的方案，在实现滤波算法时，采用了分布式算法(DA算法)以减少对FPGA的资源消耗。在信号进入DSP中还要进行二次解调才能得到所需信息，可以采用乘法解调或自适应解调，它们一般需要相互正交的参考信号，采用了希尔伯特算法来实现这个功能。 (5)设计开发了基于PWM驱动和同步采样检测的硅微陀螺数字测控系统，并进行了实验验证。 根据前面研究的技术，采用了PWM驱动和同步采样检测相结合设计，选用了高性能的DSP芯片和FPGA芯片制作了硬件电路。在陀螺仪系统上采用了嵌入式操作系统为框架来组织各个模块软件。在主机上采用虚拟仪器软件开发了一个观测采集程序。对系统进行了初步实验，实验结果表明本文研究的数字化驱动技术和数字化检测技术正确，硅微机械陀螺仪数字系统的研究是成功的，为以后进一步提高性能研究奠定了良好的基础。