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硅微振梁式加速度计体积小、精度高、直接输出频率量,在军事和民用领域有重要的应用价值和广阔的应用前景。本文以研制硅微振梁式加速度计为目标,结合振梁式加速度计结构特性,研究硅微振梁式加速度计驱动电路技术以及高精度频率检测技术,并研制了试验样机。本文主要完成了以下几个方面的工作: (1)给出了论文研究的硅微振梁式加速度计的动力学模型,分析了其基本工作原理。依据谐振器的结构,讨论了静电驱动方式,并推导了振梁谐振时的其振幅和相位所满足的条件。研究了谐振梁的非线性特性,给出了外部激励控制应注意的条件。 (2)分析了环形二极管接口电路、锁相环环路和自动增益控制环路的工作原理,仿真研究了前端放大器的噪声成分,理论分析并试验验证了锁相环电路对噪声的抑制特性。在此基础上,设计了基于锁相环和自动增益控制的振梁式加速度计闭环驱动电路,并建立了振梁式加速度计闭环驱动系统的Matlab Simulink仿真模型。仿真试验表明设计的闭环驱动电路系统功能满足设计要求。 (3)对加速度计闭式自然冷却系统进行了热分析,讨论了温度对硅微振梁式加速度计的影响机理。在此基础上,推导了维持谐振梁振幅恒定的驱动直流电压与温度的函数关系,基于此提出了利用直流驱动电压对加速度计谐振频率直接进行温度补偿的方案。温度补偿试验表明该方法补偿效果良好。 (4)对比分析了多种方波频率测量方法,结合振梁式加速度计频率测量实际需求,采用了8路移相时钟频率测量方法,并基于FPGA和NiosⅡ实现了该频率测量法,试验结果表明其实际精度可达2.5×10-9/τ。 (5)应用本文设计的硅微振梁式加速度计驱动电路和频率检测电路,在实验室测试环境下对加速度计的主要指标进行了测试,测试结果表明本文研制的加速度计标度因数稳定性为17.2ppm,标度因数重复性为17.8ppm,标度因数非线性为71ppm(正向)、82ppm(反向),偏值重复性为150.6μg,偏值稳定性为26.1μg,阈值为29.6μg。 本文所进行的工作,为硅微振梁式加速度计系统的实现提供了理论支撑和实际电路方案,为进一步研究奠定了基础。