Circuito integrato di conversione frequenza-digitale per strumentazione di misura FM versatile e a basso rumore

The architecture of most MEMS sensors is based on the conventional AM (amplitude modulated) information conversion, but retains some limits intrinsically related to the working principle employed. The most widespread alternative and the most discussed in literature, especially among inertial MEMS sensors, is called Frequency Modulated (FM), that is able to overcome temperature stability limits and repeatability of the corresponding AM sensors. Accelerometers and gyroscopes have implemented this working principle, offering huge benefits for all those applications where stability plays a dominant role: inertial navigation, augmented reality and in military and aerospace fields. The consequent research of different FM sensor topologies has brought to the development of new electronic readout systems. Starting form the analysis of the FM MEMS sensor and the system around it, and comparing with the AM one, this dissertation has the goal of developing a measuring instrument able to be employed by this new architecture and able to convert the information inside the frequency variation in a digital word variation, so to behave as a: Frequency-to-Digital Converter (FDC). In order to be employed by different FM sensors, the main requirements deal with the high reconfigurability, high resolution and an over 100dB dynamic range. After the study of a linear model and circuital simulation of the FDC, the architecture for the final digital elaboration has been developed to ensure a complete conversion and digitization of the physical quantity detected by the sensor.

L’architettura della maggior parte dei sensori MEMS è basata sulla convenzionale conversione AM (modulazione di ampiezza) dell’informazione, ma mantiene alcuni limiti intrinseci legati a questo principio di funzionamento. L’alternativa più diffusa e discussa in letteratura, soprattutto per i sensori inerziali MEMS, è detta a modulazione di frequenza (FM), che è in grado di oltrepassare i limiti di stabilità in temperatura e di ripetibilità dei corrispondenti sensori AM. Gli accelerometri e i giroscopi che hanno implementato questo principio di funzionamento, hanno ottenuto benefici in termini di stabilità, determinante per applicazioni quali: navigazione inerziale, realtà aumentata e in campo militare e aerospaziale. Il successivo studio di differenti topologie di sensori FM ha indotto lo sviluppo di nuovi sistemi elettronici di lettura. Introducendo all’analisi dei sensori MEMS FM e del sistema che lo circonda, confrontandoli con i rispettivi AM, questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di sviluppare uno strumento di misura che possa essere utilizzato da questa nuova architettura e che sia in grado di convertire l’informazione contenuta nella variazione di frequenza, in una variazione di una parola digitale, ovvero, un Frequency-to-Digital Converter (FDC). Dovendo essere utilizzato per differenti sensori FM, le specifiche fondamentali riguardano l’elevata riconfigurabilità, l’alta risoluzione e un range dinamico superiore ai 100dB. Dopo l’elaborazione di un modello lineare e simulazioni circuitali del FDC, si è sviluppata la successiva architettura di elaborazione digitale per garantire una conversione e digitalizzazione completa della quantità fisica rilevata dal sensore.