高精度微弱电容检测系统的设计与实现_潘湖迪
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在实际实现过程中，整个系统采用对数字、模拟器
·46·
仪表技术
件单独供电，同时 AD7746 芯片供电采用电感电容网 络滤波； 在数字地平面和模拟地平面由一个 0 Ω 电阻 相连实现 接 地。在 布 局 布 线 方 面，按 照 器 件 的 分 类 （ 数字器件类和模拟器件类） ，模拟器件放在最右边； MSP430 单片机的晶振频率较高，与 JTAG 接插件靠在 一起，远离其他电路模块； 串口放在左下角，具体如图 3 所示。为了最小化共阻抗耦合，模拟信号之间也需 要隔开，并远离数字信号。布板时还要考虑信号走线， 尤其是模拟器件 AD7746 的信号输入、输出走线，这些 引脚的走线必须远离不断变化的其他信号走线。
with High Precision
PAN Hu-di1 ，CHEN Da-guo1 ，LI Meng2 ，SHAO Ming-xian2
（ 1． Electrical Safety Testing Center of Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo 315300，China； 2． Institute of Microelectronic CAD，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）
er which is developed by ADI． Its capacitance input range is ± 4 pF，while its common-mode capacitance can accept up
to 17 pF with two capacitance input channels． The system reduces the parasitic capacitance，suppresses the electromag-
本文讨论了一种基于 Sigma-Delta 式原理电容-数 字转换器芯片 AD7746 的高精度微弱电容检测系统， 并利用 MSP430 单片机对其进行控制和修正。该检测 系统具有精度高、抗干扰性强等特点，同时通过高集成
收稿日期： 2013 － 06 作者简介： 潘湖迪（ 1979—Fra Baidu bibliotek ，男，硕士，工程师，主要从事机电产品的检测工作。
·44·
仪表技术
2013 年第 8 期
高精度微弱电容检测系统的设计与实现
潘湖迪1 ，陈大果1 ，李 梦2 ，邵明宪2 ( 1． 宁波出入境检验检疫局 电气安全检测中心，浙江 宁波 315300;
2． 杭州电子科技大学 微电子 CAD 所，浙江 杭州 310018)
摘要： 针对微弱电容信号的测量问题，提出了一种基于 AD7746 芯片的高精度微弱电容检测系统。AD7746 芯片是 ADI 公司推
出的 24 位高精度电容数字转换器，测量可变电容范围为 ± 4 pF，可通过在片可编程补偿设置 0 ～ 17 pF 的共模电容偏置，具有两组电
容输入通道。系统采用屏蔽电缆、电容器两层屏蔽等措施，减小寄生电容，抑制电磁干扰，实现宽范围高精度测量。经过多次试验
表明，该检测系统具有很好的测量精度和重复性，最差电容测量( 采用自制电容传感器的情况下) 输出误差≤ ± 1 fF。
21 位，整体线性度优于 0． 01% ，精确度可达 4 fF。被
测电容连接在激励源和 Sigma-Delta 调制器的输入端，
图 2 AD7746 硬件电路模块
1． 2 RS-232 和 RS-485 硬件接口电路 由于单片机输出的是 TTL 电平，而 PC 机只能接
收 RS-232 电平，所以需要将输出数据进行接口转换； 同时 RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的 组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，并且 有着很长的传输距离，所以为了满足工业需求，本系统 同时采用了 RS-485 和 RS-232 通信接口，应用接口范 围更广。其中 RS-232 串口头为 9 针结构，数据控制为 2、3 管脚，5 管脚接地，MAX232 的 11、12 管脚通过 2 个 1 kΩ 的上拉电阻与单片机的 I / O 口相连。 1． 3 PCB 布板及降噪
2013 年第 8 期
仪表技术
·45·
度芯片的使用，降低了检测系统成本，具有成本低的优 势。
1 系统结构及硬件设计
整个检测系统设计原理框图如图 1 所示，主要由 电容 传 感 器、AD7746 电 容 数 字 转 换 器、电 源 管 理 电 路、单片机控制单元、存储电路、接口电路等几部分构 成。该检测系统以单片机为核心控制器件，以 LED 数 码显示或者计算机显示的形式给出待检电容的数值， 同时系统与计算机可以进行数据通信，在计算机上重 复多次显示测量结果以及保存测试数据。
由于 AD7746 的采样转换时间从 11． 0 ms 到 109． 6 ms 之间变化，因而程序执行周期可由 AD7746 采样
图 4 程序控制流程
频率决定。整个硬件存在外部寄生电容 （ 即本底电 容） ，而且本底电容会随着环境的变化而变，所以在进 行软件初始化过程中要增加自动调零功能，通过归一 化，使得输出数值直接为待测电容数值。
2013 年第 8 期
图 3 检测系统的布局布线
2 软件设计
为了实现系统电路的整体功能，需要对微控制器 MSP430F149 进行软件设计，控制芯片 AD7746、串口 RS-232 /485、显示驱动 74HC573 和 EEPROM 等，使它 们能协调正常工作。其中，AD7746 支持两线 I2 C 串行 通信，即时钟线（ SCL） 和数据线（ SDA） ，它们将所有的 地址信息、控制命令和数据信息一位接一位地传送给 连接在该总线上的外围设备。总线设备被分类为主设 备方和从设备方，主设备方发起一次数据传输要求，从 设备方回应该要求。
容，实际过程中将采用屏蔽连接线和连接头来减小寄
生电容干扰。
1． 1 AD7746 硬件模块
AD7746 是一个双通道的数字电容转换器芯片，
内部集成了 24 位 Sigma-Delta 调制器、时钟发生器、控
制逻辑校正、多路复用器、IIC 总线接口、数字滤波和激
励源等。AD7746 芯片具有 24 位分辨率，有效位达到
由于 PCB 噪声干扰会严重影响微弱电容检测系 统的精度，因此需要对 PCB 布板进行降噪处理。
由于 AD7746 芯片中采用 Sigma-Delta 技术，过采 样 频 率 极 高，同 时 AD7746 芯 片 内 部 时 钟 频 率 ≥ 5 MHz，所以不能用简单的电容数字输出频率来判断芯 片速率。这类高精度的数字模拟混合 IC 尤其对干扰 敏感，因而必须采用相应的高速电路设计手段来处理 PCB 布板，包括电源和地处理、布局布线、解耦等，尽可 能抑制噪声相互干扰。
repeatability，and the worst error of the capacitance output is less than ± 1 fF under the condition of the self-fabricate capacitance sensor．
Key words： weak capacitance； capacitance-to-digital converter； measurement circuit
图 1 微弱电容检测系统设计框图
当电容传感器的介质或者间距发生微小变化时，
电容传感器电容值将会发生微弱的变化。系统通过
AD7746 芯片内部的激励源对被测电容传感器施加激
励信号，经过不断采样、滤波，得到所需要的二进制数 值。然后通过 I2 C 接口把数据传送到 MSP430 单片，
MSP430 单片机通过通信接口 USART 送到计算机进行
Abstract： A novel AD7746-based weak capacitance measurement system with high precision is presented to solve the problem of weak capacitance measurement． The AD7746 chip is 24-bit high resolution capacitance-to-digital convert-
测量结果显示，同时也可以采用 6 位数码管将电容值
进行显示。
在测量过程中，AD7746 芯片测得电容值 C总 包含 了待测电容和本底电容（ 寄生附加电容） ，即
C待测 = C总 － C本底
（ 1）
其中，本底电容值包括 PCB 板和连接线的寄生电
容，可以通过在无待测电容情况下直接测得。为了增
加系统抗干扰性和可靠运行，应当尽可能减小寄生电
netic interference to implement the wide range and high resolution measurement by adopting the double-shielded capaci-
tance and the shielded electric cables． The test results show that the measurement has high measurement accuracy and
电容测量输入通道均可接成单端浮地模式或差分浮地 模式，可同时接 2 个待测电容。具体的 AD7746 的硬 件电路模块如图 2 所示，SCL 和 SDA 通过 2 个 1 kΩ 的 电阻上拉，用来保证信号的确定性。由于 AD7746 有 着较高的分辨率，所以对外围环境的干扰信号源十分 敏感，为了进一步避免不必要的误差，将其 2 个通路分 别接上 SMB 座，用屏蔽线和外部传感器相接，使测量 结果更加精确。在实际电容测量过程中，激励源发出 方波激励信号，调制器不断对通过被测电容的电荷采 样，并输出包含占空比信息的 0、1 数字流，然后由数字 滤波器对调制器的输出进行校正处理，最终结果通过 IIC 串行总线口输出。
程序控制流程如图 4 所示。硬件系统上电后，程 序控制首先完成对外设引脚的配置，以及对定时器的 配置（ 包括配置定时时间，并使能定时器中断） 。假如 在电路板上所得到的现象与程序所设计的不相符合， 则需要对 MSP430F149 进行重新复位，保证其他的外 设没有任何问题后对 AD7746 进行初始化； 然后程序 控制开启总中断，系统进入中断模式，在中断服务程序 中读取电容值，并通过 RS-232 /485 总线将电容值发送 到 PC，如果定时时间到则跳出中断服务程序，进入主 循环，在主循环中将采集到的电容值显示在 2 个 3 位 共阴数码管上。
通常情况下微弱电容传感器在 pF 数量级，变化量 在 fF 数量级，有效输出信号非常小，而且一般背景干
扰信号大，因此如何在大的背景噪声干扰中提高微弱 电容测量灵敏度和信噪比，成为实现微弱电容高精度 检测的关键。目前常用的微弱电容测量方法主要有调 频式、运算放大式、开关充放电式、交流激励式和 Sigma-Delta 电容-数字转换式检测方法。在实际实现过 程中，在分立元件较多的情况下，寄生电容较多，很难 设计出比较实用的高精度电容测量电路。因此，一般 测量电路主体大多采用芯片实现，集成度高，有利于减 小 PCB 板噪声、干扰以及提高采集有效信号的精度。
0 引言
电容传感器作为常规传感器之一，应用领域广阔， 测量精度高，响应速度快。随着航空航天、精密机械加 工及精密仪器等生产领域的发展，微小尺度部件的应 用也越来越广泛。利用部件的微小尺寸位移变化或介 质材料变化可以形成各种各样的电容传感器，从而可 以检测微小部件尺寸位移或介质材料的微小变化，但 是这些电容传感器变化幅度小，难以实现高精度和高 效率的测量，其高精度测量问题已成为困扰其进一步 运用的技术难题之一。
关键词： 微弱电容; 电容数字转换器; 检测电路
中图分类号： TM934． 2
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2013） 08 － 0044 － 04
Design and Implementation of Weak Capacitance Measurement System
·46·
仪表技术
件单独供电，同时 AD7746 芯片供电采用电感电容网 络滤波； 在数字地平面和模拟地平面由一个 0 Ω 电阻 相连实现 接 地。在 布 局 布 线 方 面，按 照 器 件 的 分 类 （ 数字器件类和模拟器件类） ，模拟器件放在最右边； MSP430 单片机的晶振频率较高，与 JTAG 接插件靠在 一起，远离其他电路模块； 串口放在左下角，具体如图 3 所示。为了最小化共阻抗耦合，模拟信号之间也需 要隔开，并远离数字信号。布板时还要考虑信号走线， 尤其是模拟器件 AD7746 的信号输入、输出走线，这些 引脚的走线必须远离不断变化的其他信号走线。
with High Precision
PAN Hu-di1 ，CHEN Da-guo1 ，LI Meng2 ，SHAO Ming-xian2
（ 1． Electrical Safety Testing Center of Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo 315300，China； 2． Institute of Microelectronic CAD，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）
er which is developed by ADI． Its capacitance input range is ± 4 pF，while its common-mode capacitance can accept up
to 17 pF with two capacitance input channels． The system reduces the parasitic capacitance，suppresses the electromag-
本文讨论了一种基于 Sigma-Delta 式原理电容-数 字转换器芯片 AD7746 的高精度微弱电容检测系统， 并利用 MSP430 单片机对其进行控制和修正。该检测 系统具有精度高、抗干扰性强等特点，同时通过高集成
收稿日期： 2013 － 06 作者简介： 潘湖迪（ 1979—Fra Baidu bibliotek ，男，硕士，工程师，主要从事机电产品的检测工作。
·44·
仪表技术
2013 年第 8 期
高精度微弱电容检测系统的设计与实现
潘湖迪1 ，陈大果1 ，李 梦2 ，邵明宪2 ( 1． 宁波出入境检验检疫局 电气安全检测中心，浙江 宁波 315300;
2． 杭州电子科技大学 微电子 CAD 所，浙江 杭州 310018)
摘要： 针对微弱电容信号的测量问题，提出了一种基于 AD7746 芯片的高精度微弱电容检测系统。AD7746 芯片是 ADI 公司推
出的 24 位高精度电容数字转换器，测量可变电容范围为 ± 4 pF，可通过在片可编程补偿设置 0 ～ 17 pF 的共模电容偏置，具有两组电
容输入通道。系统采用屏蔽电缆、电容器两层屏蔽等措施，减小寄生电容，抑制电磁干扰，实现宽范围高精度测量。经过多次试验
表明，该检测系统具有很好的测量精度和重复性，最差电容测量( 采用自制电容传感器的情况下) 输出误差≤ ± 1 fF。
21 位，整体线性度优于 0． 01% ，精确度可达 4 fF。被
测电容连接在激励源和 Sigma-Delta 调制器的输入端，
图 2 AD7746 硬件电路模块
1． 2 RS-232 和 RS-485 硬件接口电路 由于单片机输出的是 TTL 电平，而 PC 机只能接
收 RS-232 电平，所以需要将输出数据进行接口转换； 同时 RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的 组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，并且 有着很长的传输距离，所以为了满足工业需求，本系统 同时采用了 RS-485 和 RS-232 通信接口，应用接口范 围更广。其中 RS-232 串口头为 9 针结构，数据控制为 2、3 管脚，5 管脚接地，MAX232 的 11、12 管脚通过 2 个 1 kΩ 的上拉电阻与单片机的 I / O 口相连。 1． 3 PCB 布板及降噪
2013 年第 8 期
仪表技术
·45·
度芯片的使用，降低了检测系统成本，具有成本低的优 势。
1 系统结构及硬件设计
整个检测系统设计原理框图如图 1 所示，主要由 电容 传 感 器、AD7746 电 容 数 字 转 换 器、电 源 管 理 电 路、单片机控制单元、存储电路、接口电路等几部分构 成。该检测系统以单片机为核心控制器件，以 LED 数 码显示或者计算机显示的形式给出待检电容的数值， 同时系统与计算机可以进行数据通信，在计算机上重 复多次显示测量结果以及保存测试数据。
由于 AD7746 的采样转换时间从 11． 0 ms 到 109． 6 ms 之间变化，因而程序执行周期可由 AD7746 采样
图 4 程序控制流程
频率决定。整个硬件存在外部寄生电容 （ 即本底电 容） ，而且本底电容会随着环境的变化而变，所以在进 行软件初始化过程中要增加自动调零功能，通过归一 化，使得输出数值直接为待测电容数值。
2013 年第 8 期
图 3 检测系统的布局布线
2 软件设计
为了实现系统电路的整体功能，需要对微控制器 MSP430F149 进行软件设计，控制芯片 AD7746、串口 RS-232 /485、显示驱动 74HC573 和 EEPROM 等，使它 们能协调正常工作。其中，AD7746 支持两线 I2 C 串行 通信，即时钟线（ SCL） 和数据线（ SDA） ，它们将所有的 地址信息、控制命令和数据信息一位接一位地传送给 连接在该总线上的外围设备。总线设备被分类为主设 备方和从设备方，主设备方发起一次数据传输要求，从 设备方回应该要求。
容，实际过程中将采用屏蔽连接线和连接头来减小寄
生电容干扰。
1． 1 AD7746 硬件模块
AD7746 是一个双通道的数字电容转换器芯片，
内部集成了 24 位 Sigma-Delta 调制器、时钟发生器、控
制逻辑校正、多路复用器、IIC 总线接口、数字滤波和激
励源等。AD7746 芯片具有 24 位分辨率，有效位达到
由于 PCB 噪声干扰会严重影响微弱电容检测系 统的精度，因此需要对 PCB 布板进行降噪处理。
由于 AD7746 芯片中采用 Sigma-Delta 技术，过采 样 频 率 极 高，同 时 AD7746 芯 片 内 部 时 钟 频 率 ≥ 5 MHz，所以不能用简单的电容数字输出频率来判断芯 片速率。这类高精度的数字模拟混合 IC 尤其对干扰 敏感，因而必须采用相应的高速电路设计手段来处理 PCB 布板，包括电源和地处理、布局布线、解耦等，尽可 能抑制噪声相互干扰。
repeatability，and the worst error of the capacitance output is less than ± 1 fF under the condition of the self-fabricate capacitance sensor．
Key words： weak capacitance； capacitance-to-digital converter； measurement circuit
图 1 微弱电容检测系统设计框图
当电容传感器的介质或者间距发生微小变化时，
电容传感器电容值将会发生微弱的变化。系统通过
AD7746 芯片内部的激励源对被测电容传感器施加激
励信号，经过不断采样、滤波，得到所需要的二进制数 值。然后通过 I2 C 接口把数据传送到 MSP430 单片，
MSP430 单片机通过通信接口 USART 送到计算机进行
Abstract： A novel AD7746-based weak capacitance measurement system with high precision is presented to solve the problem of weak capacitance measurement． The AD7746 chip is 24-bit high resolution capacitance-to-digital convert-
测量结果显示，同时也可以采用 6 位数码管将电容值
进行显示。
在测量过程中，AD7746 芯片测得电容值 C总 包含 了待测电容和本底电容（ 寄生附加电容） ，即
C待测 = C总 － C本底
（ 1）
其中，本底电容值包括 PCB 板和连接线的寄生电
容，可以通过在无待测电容情况下直接测得。为了增
加系统抗干扰性和可靠运行，应当尽可能减小寄生电
netic interference to implement the wide range and high resolution measurement by adopting the double-shielded capaci-
tance and the shielded electric cables． The test results show that the measurement has high measurement accuracy and
电容测量输入通道均可接成单端浮地模式或差分浮地 模式，可同时接 2 个待测电容。具体的 AD7746 的硬 件电路模块如图 2 所示，SCL 和 SDA 通过 2 个 1 kΩ 的 电阻上拉，用来保证信号的确定性。由于 AD7746 有 着较高的分辨率，所以对外围环境的干扰信号源十分 敏感，为了进一步避免不必要的误差，将其 2 个通路分 别接上 SMB 座，用屏蔽线和外部传感器相接，使测量 结果更加精确。在实际电容测量过程中，激励源发出 方波激励信号，调制器不断对通过被测电容的电荷采 样，并输出包含占空比信息的 0、1 数字流，然后由数字 滤波器对调制器的输出进行校正处理，最终结果通过 IIC 串行总线口输出。
程序控制流程如图 4 所示。硬件系统上电后，程 序控制首先完成对外设引脚的配置，以及对定时器的 配置（ 包括配置定时时间，并使能定时器中断） 。假如 在电路板上所得到的现象与程序所设计的不相符合， 则需要对 MSP430F149 进行重新复位，保证其他的外 设没有任何问题后对 AD7746 进行初始化； 然后程序 控制开启总中断，系统进入中断模式，在中断服务程序 中读取电容值，并通过 RS-232 /485 总线将电容值发送 到 PC，如果定时时间到则跳出中断服务程序，进入主 循环，在主循环中将采集到的电容值显示在 2 个 3 位 共阴数码管上。
通常情况下微弱电容传感器在 pF 数量级，变化量 在 fF 数量级，有效输出信号非常小，而且一般背景干
扰信号大，因此如何在大的背景噪声干扰中提高微弱 电容测量灵敏度和信噪比，成为实现微弱电容高精度 检测的关键。目前常用的微弱电容测量方法主要有调 频式、运算放大式、开关充放电式、交流激励式和 Sigma-Delta 电容-数字转换式检测方法。在实际实现过 程中，在分立元件较多的情况下，寄生电容较多，很难 设计出比较实用的高精度电容测量电路。因此，一般 测量电路主体大多采用芯片实现，集成度高，有利于减 小 PCB 板噪声、干扰以及提高采集有效信号的精度。
0 引言
电容传感器作为常规传感器之一，应用领域广阔， 测量精度高，响应速度快。随着航空航天、精密机械加 工及精密仪器等生产领域的发展，微小尺度部件的应 用也越来越广泛。利用部件的微小尺寸位移变化或介 质材料变化可以形成各种各样的电容传感器，从而可 以检测微小部件尺寸位移或介质材料的微小变化，但 是这些电容传感器变化幅度小，难以实现高精度和高 效率的测量，其高精度测量问题已成为困扰其进一步 运用的技术难题之一。
关键词： 微弱电容; 电容数字转换器; 检测电路
中图分类号： TM934． 2
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2013） 08 － 0044 － 04
Design and Implementation of Weak Capacitance Measurement System