基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究
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本文基于德国 GEMAC 公司的一款微小电容测 量 ASIC HT133 ,通过印刷电路板 ( PCB) 搭建了一种
2. 1 HT133 内部工作原理[3] 传感器输出端的差动电容 CS1 和 CS2 串联接在
ASIC 的输入管脚 C1 、CM和 C2 上 。ASIC 内部产生一 对幅值为 VR 的等频反相载波加在 CS1 和 CS2 两端 。 通过内部采样保持电路 ,将 CS1 与 CS2 的电容差ΔC 转换为模拟电压 Vout 由 Aout 管脚输出 。测得 Vout 由式
图 6 ASIC 控制模块
3. 5 输出接口模块和数据处理与显示模块 电路输出接口模块中的模拟信号接口采用内阻
为 50Ω 的 BNC 接头 ,通过高屏蔽性能的 BNC 线直接 接至示波器的输入通道 ; 数字信号接口采用 14 位 IDE 接口 。
数据 处 理 与 显 示 模 块 为 8051 单 片 机 系 统 。 8051 单片机通过 IDE 数据线采集电路输出的并行 数字信号 ,按式 (3) 转换成对应的输出电压值并驱动 数码管显示出来 。 3. 6 电路抗干扰措施
说 明
高 偏置调节 调整外部电阻可控制电路偏置 SREF 低 非偏置调节 默认
高 数字输出使能 使能 D0～D11管脚输出数字信号 OE 低 数字输出禁止 仅有模拟输出 ,数字信号输出禁止
高 PDM 低
电池 常规电源
电路进入低功耗的电池模式 默认
高 平均处理 输出的数字信号作 1Π16 平均处理 AV 低 非平均处理 默认
3. 1 测量电路基本原理 基于 HT133 的微小电容测量电路由信号输入
模块 、电源模块 、ASIC、控制模块 、输出接口模块和数 据处理与显示模块六部分组成 ,电路原理如图 2 。
图 2 微小电容测量电路框图
整个电路以 ASIC 为核心 。电源模块和控制模 块为 ASIC 提供电源和工作模式控制 。微小电容由 信号输入模块输入到 ASIC 的 C1 、CM和 C2 三个测量 管脚 。经 ASIC 采样转换成电压值后传送到输出接 口模块 。输出接口模块具有模拟电压输出和数字信
范围除两个内置选项外 ,还可在 CEXTA 和 CEXTB
两管脚间串联外部电容来扩展 ,外部电容最大
40 pF。通过控制 MB0 和 MB1 管脚的电平即可选择测
量范围 ,具体如表 2 。
表 2 ASIC 测量范围
pF
MB0 MB1
测量范围
低低
±0. 32
(内置)
低高
±4. 0
(内置)
高低
±0. 4 ×CEXT (扩展)
Abstract : A circuit based on a piece of Applications Specific Integrated Circuit (ASIC) HT133 for sensing ultra2small capac2
itance is presented. It has some prominent features such as high resolution , high anti2interference ability , offset adjustment ability
屏蔽方面 ,电路板模拟输出口和示波器之间的 连接线采用带屏蔽层的同轴电缆线 (BNC) ,屏蔽层 两端接地 。测量时将整个电路板置于金属盒中 ,金 属盒外壳接地 ,屏蔽效果非常明显 。屏蔽前后电路 输出性能对比如 4. 2 所述 。
化量非常微小 ,通常小于 10 - 15 F ,如此微小信号的测 量一 直 是 业 界 的 一 个 难 点 和 瓶 颈 。目 前 电 容 式
2 ASIC 工作原理
MEMS 传感器的测量电路主要有两种形式 ,一种是 采用电阻 、电容等传统分离元件搭建的测量电路[1] ; 另一 种 是 采 用 微 电 子 工 艺 制 作 的 专 用 集 成 电 路 (ASIC) [2] 。ASIC 具有体积小 、高度集成化 、高精度 和应用简便等特点 ,正逐渐取代分离元件测量电路 。
号输出两种接口。模拟电压由示波器测量显示 ;数字 信号直接送至数据处理与显示模块 ,通过单片机系统 采集并驱动数码管显示。测量电路实物见图 3。 3. 2 信号输入模块
信号输入模块连接传感器表头的输出端 。本文
采用大电容串联产生微小电容的方法来模拟传感器
输出的差动微小电容信号 ,如图 4 。 C1 、C2 和 CX三个电容串联连接 ,形成一对等效
HU Min , LI Xiao2ying , CHANG Hong2long , J IANG Qing2hua
(Micro and Nano Electromechanical Systems Laboratory , Northwestern Polytechnical University ,Xiπan , Shaanxi 710072 ,China)
胡 敏等 :基于 ASIC 芯片的微小电容测量电路研究
381
若 CX = 1 000 pF ,则 ΔC≈1 fF ,达到了产生小 电容的目的 。同理 , CX 亦可与 C2 组合形成反向差 动输出 。
图 3 测量电路实物图
图 4 微小电容信号模拟电路
3. 3 电源模块 合理的电源设计能极大的降低电路自身的噪声
and both analog and digital signal output modes. Implementation of every module and means of noise limitation are described de2
tailedly. An experiment measurement of a series of small capacitances is performed. Results show that the circuit has very high performance with resolution of 0. 5 femtofarad (0. 5 ×10 - 15farad) and nonlinearity of 8. 67 %. A basis for this ASIC to be applied
的差动电容 CS1 和 CS2 。其中 C1 和 C2 为固定电容 , 可取 1 pF ; CX电容可更换 ,标称值 10 pF～1 000 pF。 理论电容差值ΔC 可由式 (6) 计算得出 :
ΔC = CS1 -
CS2
=
CX C1 CX + C1
-
C2 = -
1 CX + 1
(6)
第 28 卷 第 4 期
edu. cn
380
计量学报
2007 年 10 月
(1) 或式 (2) 即可算出相应的电容差ΔC。若使能数 字输出 ,ASIC 启动内部的模数转换器 (ADC) ,将 Vout 转换成 12 位并行数字输出值 Dout 由 D0 ～D11 管脚输 出 。通过上位机读取该数字值 ,由式 (3) 和式 (4) 可 计算出对应的模拟输出电压值 Vout 和电容差值ΔC 。
关键词 : 计量学 ;微小电容 ;电容式传感器 中图分类号 : TB971 文献标识码 : A 文章编号 : 100021158 (2007) 0420379204
Ultra2small Cap acitance Sensing Circuit Ba sed o n a Piece of ASIC
微小电容测量电路 。并且采用固定电容串联产生微
1 引 言
电容式传感器通过电容变化来表征输入信号的
小电容的方法来模拟电容式 MEMS 传感器 。实验表 明 ,电路分辨率达到 0. 5 fF ,非线性度 8. 67 % ,灵敏 度误差 1. 10 %。该电路在各种电容式传感器特别
大小 。电容式微机电系统 (MEMS) 传感器的电容变 是 MEMS 传感器中有广泛的应用前景 。
收稿日期 : 2005209228 ; 修回日期 : 2006201206 基金项目 :国家自然科学基金 (50505038) ;西北工业大学科技创新基金 (M450202) 作者简介 : 胡敏 (1982 - ) ,男 ,湖南衡阳人 ,西北工业大学硕士研究生 ,研究方向为 MEMS 惯性传感器设计与检测 。hellohumin @mail . nwpu.
in capacitive sensors especially micro2electro2mechanical system(MEMS) sensors is provided.
Key words : Metrology ; Small capacitance ; Capacitive sensor
高 高 ±0. 4 ×CEXT + 4. 0 (扩展)
CEXT
0. 32 4. 0 外部电容值 外部电容值
图 1 HT133 内部原理框图
ASIC 有模拟、数字两种输出接口 ,且有多种工作 模式。各工作模式与控制管脚之间的关系如表 1。
表 1 ASIC 工作模式与控制管脚的关系
管脚 电平 工作模式
摘要 : 基于一款专用集成电路芯片 (ASIC) HT133 实现了一种微小电容测量电路 。该电路具有高分辨率 、高抗 干扰性 、偏置调节能力和模拟 、数字信号两种输出模式等特点 。文中详细论述了测量电路的实现以及电路的抗干 扰措施 ,并通过测定一组微小电容验证了电路的性能 。实验表明 ,电路分辨率达 0. 5 fF ,非线性度 8. 67 %。该电路 在各种电容式传感器特别是微机电系统 (MEMS) 传感器中有广泛的应用前景 。
抗干扰措施是诸如微小电容之类的微弱信号测 量中最重要的一环 。提高电路抗干扰能力一方面可 通过精简电路 、选择合适的元件和合理的布局布线 来提高电路自身的可靠性 ;另一方面须对电路实行 良好的屏蔽以降低外界的干扰 。
本电路为减少寄生成分 ,选用贴片电容代替直 插电容 。为提高抗噪性 ,将被测差动电容 CS1 、CS2 尽 量靠近 ASIC 的输入管脚 C1 、CM 和 C2 ;将供电芯片 的输出管脚尽量靠近 ASIC 的供电管脚 。绘制 PCB 时充分考虑了器件分布的整体性 、均匀性和易安装 性 ;注意了数 、模信号模块独立 ,强 、弱信号模块独立 等原则 ;尽量减少过孔数量 。在关键器件的电源入 口处增加高滤波性能的钽电容作为滤波电容 。PCB 接地采用抗噪性好的多点接地方式[4] 。
高 MR 低
复位 正常工作
维持高电平指定时间 ,ASIC 复位 默认
2. 2 ASIC 的输出 (1) 模拟信号输出模式 : 偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
+
V R1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1
- V R2 C0
C2
(1)
非偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
1 2
+
C1 - C2 C0
(2)
(2) 数字信号输出模式 :
DOUT
=
4
095 8
10 VOUT - 1 VR
(3)
非偏置调节模式时 ,结合式 (2) 和式 (3) 有
DOUT
=
4
095 2
+
20
475 4
C1
C0
C2
(4)
C0 = 5Π2 ×CEXT
(5)
载波电压和电源电压一般取 5 V ,载波频率可
通过 REXT 管脚上连接的电阻来控制 。ASIC 的测量
3 测量电路设计
第 28卷 第4期 2007 年 10 月
计 量 学 报 ACTA METROLOGICA SINICA
Vol. 28 , №4 October , 2007
基于 ASIC 芯片的微小电容测量电路研究
胡 敏 , 李晓莹 , 常洪龙 , 蒋庆华
(西北工业大学 微Π纳米系统实验室 , 陕西 西安 710072)
干扰 。本文对测量电路实行数 、模分开供电 。选用 低压差芯片 AS1117 和 AD 公司的高精度基准电压 芯片 REF195 分别给 ASIC 提供数 、模电源 ,见图 5 。
图 5 电源模块原理图
3. 4 ASIC 控制模块 ASIC 控制模块 (见图 6) 用于调节 ASIC 的载波
频率和工作模式 。为保证载波频率稳定 ,选用温漂 为 5 ×10 - 6 的精密电阻作为载波频率的调节电阻 。 为方便集中控制 ASIC 的工作模式 ,采用 8 位拨码开 关 ,任何一位均可单独使用或同其它位组合使用 。
2. 1 HT133 内部工作原理[3] 传感器输出端的差动电容 CS1 和 CS2 串联接在
ASIC 的输入管脚 C1 、CM和 C2 上 。ASIC 内部产生一 对幅值为 VR 的等频反相载波加在 CS1 和 CS2 两端 。 通过内部采样保持电路 ,将 CS1 与 CS2 的电容差ΔC 转换为模拟电压 Vout 由 Aout 管脚输出 。测得 Vout 由式
图 6 ASIC 控制模块
3. 5 输出接口模块和数据处理与显示模块 电路输出接口模块中的模拟信号接口采用内阻
为 50Ω 的 BNC 接头 ,通过高屏蔽性能的 BNC 线直接 接至示波器的输入通道 ; 数字信号接口采用 14 位 IDE 接口 。
数据 处 理 与 显 示 模 块 为 8051 单 片 机 系 统 。 8051 单片机通过 IDE 数据线采集电路输出的并行 数字信号 ,按式 (3) 转换成对应的输出电压值并驱动 数码管显示出来 。 3. 6 电路抗干扰措施
说 明
高 偏置调节 调整外部电阻可控制电路偏置 SREF 低 非偏置调节 默认
高 数字输出使能 使能 D0～D11管脚输出数字信号 OE 低 数字输出禁止 仅有模拟输出 ,数字信号输出禁止
高 PDM 低
电池 常规电源
电路进入低功耗的电池模式 默认
高 平均处理 输出的数字信号作 1Π16 平均处理 AV 低 非平均处理 默认
3. 1 测量电路基本原理 基于 HT133 的微小电容测量电路由信号输入
模块 、电源模块 、ASIC、控制模块 、输出接口模块和数 据处理与显示模块六部分组成 ,电路原理如图 2 。
图 2 微小电容测量电路框图
整个电路以 ASIC 为核心 。电源模块和控制模 块为 ASIC 提供电源和工作模式控制 。微小电容由 信号输入模块输入到 ASIC 的 C1 、CM和 C2 三个测量 管脚 。经 ASIC 采样转换成电压值后传送到输出接 口模块 。输出接口模块具有模拟电压输出和数字信
范围除两个内置选项外 ,还可在 CEXTA 和 CEXTB
两管脚间串联外部电容来扩展 ,外部电容最大
40 pF。通过控制 MB0 和 MB1 管脚的电平即可选择测
量范围 ,具体如表 2 。
表 2 ASIC 测量范围
pF
MB0 MB1
测量范围
低低
±0. 32
(内置)
低高
±4. 0
(内置)
高低
±0. 4 ×CEXT (扩展)
Abstract : A circuit based on a piece of Applications Specific Integrated Circuit (ASIC) HT133 for sensing ultra2small capac2
itance is presented. It has some prominent features such as high resolution , high anti2interference ability , offset adjustment ability
屏蔽方面 ,电路板模拟输出口和示波器之间的 连接线采用带屏蔽层的同轴电缆线 (BNC) ,屏蔽层 两端接地 。测量时将整个电路板置于金属盒中 ,金 属盒外壳接地 ,屏蔽效果非常明显 。屏蔽前后电路 输出性能对比如 4. 2 所述 。
化量非常微小 ,通常小于 10 - 15 F ,如此微小信号的测 量一 直 是 业 界 的 一 个 难 点 和 瓶 颈 。目 前 电 容 式
2 ASIC 工作原理
MEMS 传感器的测量电路主要有两种形式 ,一种是 采用电阻 、电容等传统分离元件搭建的测量电路[1] ; 另一 种 是 采 用 微 电 子 工 艺 制 作 的 专 用 集 成 电 路 (ASIC) [2] 。ASIC 具有体积小 、高度集成化 、高精度 和应用简便等特点 ,正逐渐取代分离元件测量电路 。
号输出两种接口。模拟电压由示波器测量显示 ;数字 信号直接送至数据处理与显示模块 ,通过单片机系统 采集并驱动数码管显示。测量电路实物见图 3。 3. 2 信号输入模块
信号输入模块连接传感器表头的输出端 。本文
采用大电容串联产生微小电容的方法来模拟传感器
输出的差动微小电容信号 ,如图 4 。 C1 、C2 和 CX三个电容串联连接 ,形成一对等效
HU Min , LI Xiao2ying , CHANG Hong2long , J IANG Qing2hua
(Micro and Nano Electromechanical Systems Laboratory , Northwestern Polytechnical University ,Xiπan , Shaanxi 710072 ,China)
胡 敏等 :基于 ASIC 芯片的微小电容测量电路研究
381
若 CX = 1 000 pF ,则 ΔC≈1 fF ,达到了产生小 电容的目的 。同理 , CX 亦可与 C2 组合形成反向差 动输出 。
图 3 测量电路实物图
图 4 微小电容信号模拟电路
3. 3 电源模块 合理的电源设计能极大的降低电路自身的噪声
and both analog and digital signal output modes. Implementation of every module and means of noise limitation are described de2
tailedly. An experiment measurement of a series of small capacitances is performed. Results show that the circuit has very high performance with resolution of 0. 5 femtofarad (0. 5 ×10 - 15farad) and nonlinearity of 8. 67 %. A basis for this ASIC to be applied
的差动电容 CS1 和 CS2 。其中 C1 和 C2 为固定电容 , 可取 1 pF ; CX电容可更换 ,标称值 10 pF～1 000 pF。 理论电容差值ΔC 可由式 (6) 计算得出 :
ΔC = CS1 -
CS2
=
CX C1 CX + C1
-
C2 = -
1 CX + 1
(6)
第 28 卷 第 4 期
edu. cn
380
计量学报
2007 年 10 月
(1) 或式 (2) 即可算出相应的电容差ΔC。若使能数 字输出 ,ASIC 启动内部的模数转换器 (ADC) ,将 Vout 转换成 12 位并行数字输出值 Dout 由 D0 ～D11 管脚输 出 。通过上位机读取该数字值 ,由式 (3) 和式 (4) 可 计算出对应的模拟输出电压值 Vout 和电容差值ΔC 。
关键词 : 计量学 ;微小电容 ;电容式传感器 中图分类号 : TB971 文献标识码 : A 文章编号 : 100021158 (2007) 0420379204
Ultra2small Cap acitance Sensing Circuit Ba sed o n a Piece of ASIC
微小电容测量电路 。并且采用固定电容串联产生微
1 引 言
电容式传感器通过电容变化来表征输入信号的
小电容的方法来模拟电容式 MEMS 传感器 。实验表 明 ,电路分辨率达到 0. 5 fF ,非线性度 8. 67 % ,灵敏 度误差 1. 10 %。该电路在各种电容式传感器特别
大小 。电容式微机电系统 (MEMS) 传感器的电容变 是 MEMS 传感器中有广泛的应用前景 。
收稿日期 : 2005209228 ; 修回日期 : 2006201206 基金项目 :国家自然科学基金 (50505038) ;西北工业大学科技创新基金 (M450202) 作者简介 : 胡敏 (1982 - ) ,男 ,湖南衡阳人 ,西北工业大学硕士研究生 ,研究方向为 MEMS 惯性传感器设计与检测 。hellohumin @mail . nwpu.
in capacitive sensors especially micro2electro2mechanical system(MEMS) sensors is provided.
Key words : Metrology ; Small capacitance ; Capacitive sensor
高 高 ±0. 4 ×CEXT + 4. 0 (扩展)
CEXT
0. 32 4. 0 外部电容值 外部电容值
图 1 HT133 内部原理框图
ASIC 有模拟、数字两种输出接口 ,且有多种工作 模式。各工作模式与控制管脚之间的关系如表 1。
表 1 ASIC 工作模式与控制管脚的关系
管脚 电平 工作模式
摘要 : 基于一款专用集成电路芯片 (ASIC) HT133 实现了一种微小电容测量电路 。该电路具有高分辨率 、高抗 干扰性 、偏置调节能力和模拟 、数字信号两种输出模式等特点 。文中详细论述了测量电路的实现以及电路的抗干 扰措施 ,并通过测定一组微小电容验证了电路的性能 。实验表明 ,电路分辨率达 0. 5 fF ,非线性度 8. 67 %。该电路 在各种电容式传感器特别是微机电系统 (MEMS) 传感器中有广泛的应用前景 。
抗干扰措施是诸如微小电容之类的微弱信号测 量中最重要的一环 。提高电路抗干扰能力一方面可 通过精简电路 、选择合适的元件和合理的布局布线 来提高电路自身的可靠性 ;另一方面须对电路实行 良好的屏蔽以降低外界的干扰 。
本电路为减少寄生成分 ,选用贴片电容代替直 插电容 。为提高抗噪性 ,将被测差动电容 CS1 、CS2 尽 量靠近 ASIC 的输入管脚 C1 、CM 和 C2 ;将供电芯片 的输出管脚尽量靠近 ASIC 的供电管脚 。绘制 PCB 时充分考虑了器件分布的整体性 、均匀性和易安装 性 ;注意了数 、模信号模块独立 ,强 、弱信号模块独立 等原则 ;尽量减少过孔数量 。在关键器件的电源入 口处增加高滤波性能的钽电容作为滤波电容 。PCB 接地采用抗噪性好的多点接地方式[4] 。
高 MR 低
复位 正常工作
维持高电平指定时间 ,ASIC 复位 默认
2. 2 ASIC 的输出 (1) 模拟信号输出模式 : 偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
+
V R1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C1
- V R2 C0
C2
(1)
非偏置调节模式
VOUT
=
VR 2
1 2
+
C1 - C2 C0
(2)
(2) 数字信号输出模式 :
DOUT
=
4
095 8
10 VOUT - 1 VR
(3)
非偏置调节模式时 ,结合式 (2) 和式 (3) 有
DOUT
=
4
095 2
+
20
475 4
C1
C0
C2
(4)
C0 = 5Π2 ×CEXT
(5)
载波电压和电源电压一般取 5 V ,载波频率可
通过 REXT 管脚上连接的电阻来控制 。ASIC 的测量
3 测量电路设计
第 28卷 第4期 2007 年 10 月
计 量 学 报 ACTA METROLOGICA SINICA
Vol. 28 , №4 October , 2007
基于 ASIC 芯片的微小电容测量电路研究
胡 敏 , 李晓莹 , 常洪龙 , 蒋庆华
(西北工业大学 微Π纳米系统实验室 , 陕西 西安 710072)
干扰 。本文对测量电路实行数 、模分开供电 。选用 低压差芯片 AS1117 和 AD 公司的高精度基准电压 芯片 REF195 分别给 ASIC 提供数 、模电源 ,见图 5 。
图 5 电源模块原理图
3. 4 ASIC 控制模块 ASIC 控制模块 (见图 6) 用于调节 ASIC 的载波
频率和工作模式 。为保证载波频率稳定 ,选用温漂 为 5 ×10 - 6 的精密电阻作为载波频率的调节电阻 。 为方便集中控制 ASIC 的工作模式 ,采用 8 位拨码开 关 ,任何一位均可单独使用或同其它位组合使用 。