微机械陀螺是一种测量物体角速度或角位移的惯性传感器。经过几十年的发展,通过对器件结构、处理电路以及控制算法等方面相关技术的不断推进,微机械陀螺的性能指标在不断提升,系统集成度也越来越高。本论文的研究内容主要分为两个方面,一是对陀螺系统高稳定性信号处理架构和控制算法进行研究,二是针对工程应用背景,对系统降功耗方案进行研究。本论文在课题组已有的研究基础上,所做的主要工作和贡献概括如下:1)双边带解调算法(Double side band,DSB)和单边带解调算法(Single side band,SSB)是目前广泛应用于微机械陀螺电容电压转换(Capacitance voltage conversion,C/V)接口电路中的两种信号解调算法。本文在具体的微机械陀螺控制环路中,对分别基于两种解调算法的信号处理架构进行了理论分析,总结了两种解调算法各自的优越性和局限性,更进一步地揭示出了陀螺驱动模态C/V电路的相位波动对于检测输出端的影响,并通过Simulink建立两种信号处理架构的仿真模型验证了理论推导的正确性。在此基础上,提出了一种将两种电容信号解调算法相结合的高稳定性控制方案(D&S),该方案通过DSB解调架构提取陀螺的振动相位,通过SSB解调架构提取陀螺的振动幅度,理论上能够消除C/V电路相位波动对系统的影响。对分别基于DSB、SSB、D&S方案的陀螺系统进行对比实验,实验结果表明只有D&S方案提取的振动信号幅度和相位同时对C/V电路的相位波动免疫,并且与两种常规方案相比,D&S方案的零偏输出也对C/V电路的相位波动具有很强的鲁棒性。大气下栅结构陀螺的性能测试结果表明,D&S方案的零偏稳定性为0.64°/h(Allan方差),角度随机游走为0.16°/√h。与DSB和SSB方案相比,角度随机游走分别改善了 1.06倍和1.09倍,零偏稳定性分别改善了 2倍和4.3倍,这是目前课题组栅结构微机械陀螺大气环境下测试的最佳稳定性指标。将D&S方案应用于一种梳齿结构的陀螺系统中,梳齿陀螺的零偏稳定性也得到了提升,进一步说明了 D&S方案优越性的体现并不局限于某一特定结构的陀螺系统。此外,由Allan方差分析可知,D&S方案能够抑制陀螺零偏输出的温度斜坡分量,改善系统的长期漂移。其中,D&S方案对于栅结构陀螺零偏上电漂移的改善就是一个强有力的证明。2)以降低陀螺系统功耗为研究目标,针对原系统中的电容检测接口电路和平衡力产生电路进行了优化设计。新型接口电路采用环形二极管电容检测电路,与课题组原采用的电荷放大型电容检测电路相比,它能够直接输出解调后的振动位移信号,后续只需要进行一次解调即可得到幅度和相位信息,降低了系统算法的复杂程度进而使系统功耗有所降低。在平衡力产生电路部分,新系统通过一块低功耗型的DAC芯片代替了原系统中由DAC芯片、DAC接口电路和推挽式驱动电路三部分共同组成的平衡力产生电路,使该电路模块不仅结构上得到了简化,功耗也有了大幅度的降低。测试结果表明,新系统数字板功耗由1W降低为454mW,功耗下降约55%。模拟板功耗由于受限于较大的供电电压,没有得到明显改善。主要原因是研究所用的陀螺器件采用大气封装,Q值较小,需要较大的驱动电压以保证性能良好。针对于课题组后面将要加工的Q值较大的真空封装器件,模拟板的供电电压可以由±15 V降低为±5 V,且驱动力产生电路可以和目前的平衡力产生电路一样仅通过一块低功耗型的DAC芯片实现。通过以上改进,系统的功耗水平还将有很大的提升空间。新系统大气下的性能测试结果表明,零偏稳定性指标略优于原系统,角度随机游走和非线性度指标稍有恶化。