基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究
北京航空航天大学科技成果——一种测量微小差分电容的检测电路
北京航空航天大学科技成果——一种测量微小差分电容的检测电路成果简介随着微机电系统（MEMS）技术的发展，微纳米尺寸的传感器在医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量等领域中得到了广泛的应用。
由于MEMS传感器尺寸的缘故，这类传感器输出的信号极为微弱。
典型的电容式MEMS传感器输出信号为10-15fF量级。
当前限制微传感器发展和应用的技术瓶颈是信号检测精度和稳定度。
基于电容敏感机理的传感器以其高灵敏度、良好的温度特性和低功耗等优点，在高性能MEMS传感器中应用将非常广泛。
为提高MEMS传感器的输出线性度，抑制共模噪声，敏感电容大多采用差分电容的形式。
现有的微小差分电容检测方法主要有两种：电容-模拟电压转换和电容充放电频率检测。
第一种方法抗干扰能力差；同时该方法的检测电路复杂，检测灵敏度受元器件精度影响大，批量生产时性能的一致性很难控制。
第二种方法充放电过程引入的干扰很难克服，并且充放电的转换过程由晶体管控制，状态切换的瞬间会存在电荷注入和电荷馈通效应，严重影响检测精度；同时，由于电容充放电过程的非线性特性，使得输出信号的频率与待测电容的大小呈现严重的非线性，需要进行非线性校正。
上述两种检测方法均不适合高精度电容检测领域。
为满足高精度检测的需要，需要设计一种高分辨率，高线性度，抗干扰能力强的检测方法。
本项目研发出一种测量微小差分电容的检测电路，包括选频电路、锁相环跟踪电路、逻辑门电路和低通滤波电路；其中，选频电路和锁相环跟踪电路组成谐振单元，该谐振单元的谐振频率由待测差分电容的大小决定。
由差分电容构成的两组谐振单元在后端逻辑门电路和低通滤波电路的作用下可以实现正比于差分电容大小的频率输出。
本发明检测精度和输出线性度高，温漂小，抗干扰能力强；电路结构简单，便于工程化和集成电路制作。
该技术广泛适用于医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量领域中基于微小差分电容敏感机理的测量。
基于TDC的一种微小电容高精度测量系统设计
基于TDC的一种微小电容高精度测量系统设计夏凌云【摘要】针对电容原理传感器中对微小电容的测量要求，利用Pcap Φ2芯片具有的高精度计时能力，设计了一个基于时间－数字转换的微小电容高精度测量系统。
详细阐述了整个测量系统的实现原理和软硬件设计方法，给出了内部和外部寄生电容的补偿方法，并提出了一个适用于大多电容传感器设计的一个外围电路较为简单的高集成度单芯片解决方案。
%For weak signal capacitance measurement of the capacitance sensors , a new small capacitance and high precision measurement system based on Time-Digital Conversion principle using the high precision time measurement ability of Pcap Φ2 was designed .And the principle and design method of the software and hardware to achieve the purpose of the measurement system was described in detail ,and the compensation method of the internal and external parasitic capacitance was presented .And a simple chip solution with high integration level was put forward which is suitable for most of the capacitance sensor research and develop -ment .【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】4页(P101-104)【关键词】电容传感器;时间-数字转换;Pcap Φ2;寄生电容补偿【作者】夏凌云【作者单位】中国石油大学华东网络及教育技术中心，山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】TP216在工业传感器设计中，有许多对微小电容的测量需求，比如电容式物位传感器、液位传感器、压力传感器、湿度传感器和MEMS传感器等。
微小电容测试电路
目录第一章绪论 (2)1.1. 研究现状及意义 (2)课题背景2本论文研究的内容 (3)第二章微小电容检测电路设计方式 (3). 微电容检测原理 (3)微电容检测的经常使用方式 (3)第三章微小电容检测电路系统的设计 (9)3．1时序电路的设计设计 (12)两相不交叠时钟的产生 (13)二分频电路的设计 (14)脉宽不对称分频器的设计 (15)所有时序电路的实现 (15)C-V 转换电路的设计 (19)双端转单端电路设计 20第四章总结与展望 (22)参考文献 (23)致谢 (25)第一章绪论1．1研究现状及意义加速度计作为一种测量加速度的仪器，在民用、军用领域都有普遍的应用在民用方面，普遍应用于汽车平安气囊等平安爱惜装置中；军用方面，加速度计是飞机、火箭、导弹中不可缺少的一部份。
随着微电子技术的飞速进展，芯片的集成度不断加大，如何设计出体积小、精度高、抗干扰能力强、对工作环境的适应能力强的加速度计，已经成为一个重要的课题[1，23]。
MEMS(微机电系统)电容式加速度计检测ASIC是一个数模混合集成电路，要紧部份是模拟集成电路。
随着MEMS工艺的提高，MEMS电容传感器的信号检测加倍具有挑战性，设计出对寄生电容阻碍小、低噪声、低失调的电容检测ASIC 对提高加速度计的性能有着超级重要的作用。
MEMS(Micro Electromechanical System 1最近几年来进展最快的技术之一，随着.MEMS技术的快速进展，电容式加速度计的电容转变转变量愈来愈小，对检测技术提出了新的要求。
在电容式传感器中，经常使用电容检测电路是将其转换为电压、电流或频率信号。
目前的微型电容传感器的极板面积变得愈来愈小，电容总量只有几个pF，转变量就更小。
针对这种微小电容的检测，目前的方式要紧有震荡电路、持续时刻电流读出方式、持续时刻电压读出方式、差动脉冲调宽电路、开关电容电荷积分方式，这几种都是利用模拟器件实现，输出均为模拟量。
基于微电容测量IC的加速度计电路设计与实现的开题报告
基于微电容测量IC的加速度计电路设计与实现的开题报告一、选题背景加速度计是一种测量物体加速度的传感器，常用于惯性导航系统、智能手机、运动监测等领域，是 MEMS (微电子机械系统) 中重要的一项技术。
其中，基于微电容测量的加速度计具有结构简单、制造成本低廉、能够测量静态加速度和动态加速度等优点，因而被广泛应用。
本项目旨在设计和实现基于微电容测量IC的加速度计电路，从而能够获得加速度的测量值。
二、研究内容1.基于微电容测量原理，设计加速度计电路的前端信号采集模块。
2.利用运算放大器等元器件，设计信号放大模块，将采集到的信号放大到合适的电平。
3.实现微电容的驱动和微电容信号的增幅、滤波等处理。
4.利用单片机等元器件对处理后的信号进行采集、处理，得到加速度值。
三、预期成果设计和实现基于微电容测量IC的加速度计电路，实现对静态和动态加速度的测量，并能够输出数字信号。
预计结果为原理验证电路的电路图和 PCB 设计文件，以及软件程序。
四、研究方法和技术路线1.通过文献调研，掌握微电容测量原理、加速度计的基本结构与工作原理。
2.根据设计要求，选定合适的元器件，进行电路的原理设计。
3.进行仿真验证，通过仿真软件来测试电路性能，并作出必要的调整。
4.将电路实现到 PCB 设计中，针对 PCB 层面进行性能测试与验证。
5.编写下位机程序，将读取的数据进行处理，得到最终的加速度值。
五、预期创新点1.实现了基于微电容测量原理的加速度计电路设计。
2.优化了微电容的驱动和微电容信号的处理，提高了信噪比。
3.采用单片机对数据进行采集和处理，方便了数据的处理和控制。
六、研究进度计划本项目的研究进度计划如下：1.文献调研和基础知识学习，预计完成时间为两周。
2.电路原理设计，预计完成时间为三周。
3.仿真验证和 PCB 设计，预计完成时间为三周。
4.下位机程序编写，预计完成时间为两周。
5.电路性能测试和试验结果分析，预计完成时间为两周。
一种微小电容的测量电路
一种微小电容的测量电路刘宝华(河北理工学院自动化系 063009) 摘 要 介绍了一种数字电路与模拟电路相结合的测量电路,可用于微小电容的测量。
关键词 电容测量 检测器 放大器 相敏解调器1 引言传统的测量技术已经难以满足当代对微小电容测量及检测技术的要求,而利用线性闭环运算放大器的高频测量电路,能较好地解决这个问题。
图1为利用闭环运算放大器测量微小电容的基本原理电路。
图1 用运放测量电容的基本原理电路图中C x 、G x 分别为被测电容的电容量和等效并联漏电导,R f 为反相端反馈电阻。
由于采用了高速、高精度、高增益、宽频带、低漂移的运算放大器,因此,同相端可直接接地,而不必串平衡电阻。
该电路输出、输入电压之间的复数关系为U o =-(j ωC x R f +G x R f )U i 式中 ω———激励信号的角频率由公式可知测量电路对被测电容C x 的灵敏度与信号源角频率成正比;测量电路对等效并联漏电导的灵敏度为常数,与ω无关。
可见,高频条件可大大提高对被测电容的灵敏度,并有效降低漏电导的影响。
实施测量时只要测量两次,分别测出U o 和U i ,便可求得C x 和G x 。
然而没有性能优良的高频信号发生器、高频放大器和解调器,要想高精度、高灵敏度、高线性度、高稳定度、高速度、高分辨率地测量出微小电容量,仍然只是纸上谈兵。
2 一种实用测量电路本文提出一种性能优良、成本低廉的微小电容测量电路。
其原理框图如图2所示。
由图2可见,高频正弦信号发生器输出的激励信号施加在被测电容C x 上;高频电容电流被检测器变换为交流电压,再通过交流放大器放大后,通过隔离变压器送到相敏解调器进行解调;解调器的对边臂被两个互补方波轮流触发,解调后的信号通过低通滤波器滤除高次谐波,得到的直流电压与被测电容C x 成正比。
图2 小电容测量电路原理框图211 高频信号发生器用数字电路和数模转换器产生的正弦波信号,虽然在波幅稳定性和频率稳定性方面都优于模拟电路产生的正弦波信号,但由于现有的EPROM 及DAC 速度不太高,故难以产生高于100kHz 以上的正弦波信号,除非是特殊设计的集成电路。
基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究
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 。
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
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
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
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)
试述微小电容的测量方法及测量电路系统设计
的精确测量 。这种方法 是把被测电容 （ 可有漏导） 放在一个桥臂 ，可 调的参考 阻抗放 在相邻 的另一个桥臂 ，二桥臂分别 接到频率相同 、电 压相同的两个信 号源 上。调节参考阻抗使桥路平衡 ，则被测桥臂中的 阻抗 与参 考阻抗共轭 相等。该方法 的主要优点 为 ：选用 器件少 ，电路 简单 ，易于小型化。其缺点主要为 ：由于远离平衡位置时非线性较大 ， 输 出阻 抗 很 高 ，输 出 电压 很 小 。 ２ 测 量 电路 系统 设 计 ２１ 微 电容测量电路设计要求 ． 在 Ｅ Ｔ电容测量 中，电容传感器内充以两相 介质时 ，两电极间互 Ｃ 电容的变化量是 流体相 含率及其空间分布 的函数 ，而相 含率变化所引 起 的互 电容变化量一般为 ０１ １ 皮法 （ｆ ． ． ～０ ｐ）左右 ，且不 同的电极对之 间的电容量相差很大 ，相邻 电极对问 的电容 比相对 电极对 问的电容要 大数百倍 ，同时杂散 电容远远大于待测电容 ，因此应用于 Ｅ Ｔ的电容 Ｃ 检测 电路应当具有 以下特点 ：１ ）低漂移 、能抑制杂散 电容 、消除损耗 电导 的影 响；２ ）高分辨率 ，最小可分辨信号 ０ ｆ ；３ ＂ Ｆ ）线性度好 ，非 ． １ 线性误差 ≤ｌ ）高信噪比 ，信噪 比≥ｌ０ Ｂ ）测量范围足够宽， Ｏ ；４ ０ ｄ ；５
能 测 量微 小 电容 的 变 化 。 关键 词 ： 电容 层 析 成像 ； 小 电容 ； 量 电路 微 测
电容式传感器是将 被测量 的变 化转换成 电容量变 化的一种装 置。 电容式传感器具有结构简单 、分辨力 高、工作 可靠 、动态响应快 、可 非接触测量 ，并 能在 高温 、辐射和强烈振动等恶劣 条件 下工作等优点 已在工农业生产 的各个 领域得到广泛应用 。其 中微小 电容测量是关键 技 术 之 一 。这 里 介 绍 了 最 常 用 的 四 种 微 小 电容 检 测 方 法 ，设计 了 基 于 交 流激励的电容测量 电路 ，分析了电路 的工作原理 ，给出 了实验结果 ； 该 电路 的特点是 动态测 量范围宽 ，灵敏度高 ，可灵 活应用 于不同的应 用场合 。
基于高精度的微弱电容检测电路的设计
基于高精度的微弱电容检测电路的设计陈莉【摘要】针对球型电容位移传感器电容量变化微小,极板结构材质特殊,尺寸极其微小,通过电容传感器测量的变化量易受周围环境中寄生电容的干扰问题,提出了基于高精度的微弱电容检测电路系统的方法.该方法首先通过理论静电场出发,建立球型电容传感器在导体球内外表面的电容模型.然后在该模型基础上,对不同的待测目标进行电容信号的测量,并通过对测量结果的信号进行仿真分析.从仿真结果分析了微弱电容的大小,最后设计的微弱电容检测系统的检测范围可达0～1.5 pF,分辨率优于0.36 fF.从而使得电容传感器实现5 nm的位移分辨率,且通用性与稳定性均较好,实验也验证了该检测电路方案的有效性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)015【总页数】5页(P131-135)【关键词】电容传感器;微弱电容检测;高精度【作者】陈莉【作者单位】陕西国防工业职业技术学院陕西西安710302【正文语种】中文【中图分类】TN721.5随着加工工艺以及新型材料不断地被开发，传统的电容位移传感器的缺点正在被逐步克服，新型的电容位移传感器的精度与稳定性也在逐步提高。
但我国电容位移传感器相比国际上的水平仍属于滞后状态，国际上的电容位移传感器具有分辨率高、测量范围广、频率响应快等优势[1]。
分析其原因可发现，电容位移传感器的主要组成部件为微弱电容检测系统和探测头组成。
目前，国内对于电容位移传感器的微弱电容检测系统的设计还处于滞后状态，这是导致位移传感器滞后的主要原因。
因此，目前国内需要更进一步的研究微弱电容检测系统的设计。
目前，电容位移传感器的检测系统设计正在向高精度[2]和小型化趋势发展。
尤其对于微弱电容测量领域，比如纳米级高精度电容位移传感器、电容层析成像等领域中，电容的值在零点几pF左右，属于微弱电容测量。
对于微弱电容测量的电路要求分辨率较高，故传统的电容检测技术根本无法实现该微弱电容的测量[3]。
基于AD7150微小电容测量方法的研究
间，在转换过程 中，激励信 号作用在被测 电容 上 ，调制器 不断对被测 电容 Ｇ进行采样 。 数字滤 波器对调制器 的输 出进 行处理，生成包含 ０ １的数据流。通过 自适应式 阈值算法 和 和输 出比较器对数据进行处理 ， 最后数据通过 串行接 口读 出。
赵军荣
刘双峰
镰娟
一
、
引 言
电容传感器 广泛的应用于多种检 测系统中 ，用 以测量诸 如液位、压力 、位移 、加速 度等物理量 ，但 目前
大 部 分 电容 测 量 方 法 集 成 化 水 平 低 、 精度 低 ， 因而 对 电 容特 别 是 对 微 小 电容 的 精确 测 量 始 终 是 一 个 很 重 要 的 课 题 。在 某 些场 合 ， 传 感 电容 的变 化 量 往 往 仅 有 几 个 或 几 十 个 皮 法 大 小 ，这 就 对 电 容 测 量 电路 提 出 了更 高 的 要求 。 目前 用 于 解 决测 量微 小 电容 的 方 法 主 要 有 电荷 转 移 法 和 交 流 法 ， 这 两 种 电路 的基 本 测 量 原 理 是 通 过 激 励
信 号连续对 电容充放 电，形成与被测 电容成 比例的 电流或 电压信 号，从而测量 出被测 电容值 。它们的共 同缺 点是脉 动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿 ，电路结构相对 复杂，成本也较高 。本文提出的基于 ＡＤ７ ５ １０
电 容 数 字 变 换 器 的 电容 测 量 电 路 ，通 过 持 续 的对 被 测 电容 提 供 激 励 ， 不 断 的 对 被 测 电容 电荷 进 行 采 样 ， 经 过 内部 电荷 调 节 器 和 数 字 滤 波 器 的直 接 转 化 成 数 字 信 号 ，外 部 电路 结构 简 单 ，稳 定 性 好 【。 】 ］
测控技术与仪器毕业论文范文——ASIC(专用集成芯片)功能测试电路设计与测试
ASIC(专用集成芯片)功能测试电路设计与测试摘要本文讨论了ASIC专用集成电路的简单功能测试。
对专用集成电路研制的必要性、功能以及专用集成电路的国内外现状进行了较为详细的介绍。
在测试系统设计部分讨论了如频率模块的设计、内外触发模块的设计及多次重触发模块的设计等，同时运用QuaryusII对各模块采用VHDL语言分析设计并初步仿真。
关键字：ASIC，VHDL语言，仿真，模块设计The ASIC (application-specific integrated circuit chip) functiontest design and testAbstrctThe paper discussed the (ASIC) application-specific integrated circuit is simple function on application-specific integrated circuit of necessity, function and application-specific integrated circuit's situation at domestic and abroad are the test system design is discussed as part of the design, frequency module design ,internal and external trigger module design and repeated trigger module design,etc,meanwhile,QuaryusII adopted by VHDL language for each module design and simulation analysis.KEYWORDS: ASIC, VHDL language, Simulation, Module design1 绪论引言在研究及生产测试领域中，由于被测对象微观的未知性及情况的复杂多样，而宏观上又无法直观的测试其功能，而测试仪器测试成本较高，因此设计功能测试电路在集成芯片电路功能的测试领域中具有广泛的应用前景。
博士学位论文-中国科学技术大学
密级:博士学位论文基于先进ASIC芯片的多探测单元信号读出方法与电路设计作者姓名：杨海波指导教师: 苏弘、研究员、中科院近代物理研究所学位类别: 工学博士学科专业: 核技术及应用研究所: 中科院近代物理研究所二〇一五年五月Signals Reading Method and Circuit Design for Multiple Detection Unit Based on the Advanced ASIC ChipsByYang HaiboA Dissertation Submitted toUniversity of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of Science in EngineeringInstitute of Modern Physics, Chinese Academy of SciencesMay, 2015致谢时光一逝永不回，五年，想想很长，过起来却是如此短暂。
回顾在近物所五年的学习生活，有太多的人需要感谢。
首先，谨向我的导师苏弘研究员，致以最衷心的敬意和谢意。
几年的学习生活中，苏老师给过我太多的指导和帮助，心里的感激也非一言半语所能表达。
苏老师敏锐的思维，踏实的做事风格都时时刻刻影响着我。
本论文之所以能够顺利完成，苏老师倾注了大量的心血，从论文的选题、方案设计，到论文定稿都直接得益于苏老师的悉心指导。
这五年以来，苏老师给了我很多有益的教诲，将使我受益终生。
谢谢您，苏老师。
感谢实验室的千奕老师，孔洁老师。
感谢她们对我工作和生活中的帮助，无论是讨论解决思路、方案设计，还是电路的调试、数据分析，还是生活中遇到的问题，都给与了我极大的帮助和无微不至的照顾。
谢谢你们。
感谢次级束物理研究组的陈金达老师，气体探测器组的张秀玲老师，实验物理中心的杜成名师兄，和已经毕业的陈泽师兄。
基于RISC-SOC微电容测量模块的研制
基于RISC-SOC微电容测量模块的研制0 引言电容传感器广泛应用于工业、军事等领域。
因而对电容特别是对微小电容的精确测量始终是一个很重要的内容。
目前大部分测量方法大部分集成化水平低，有的精度不高。
电桥法利用电桥平衡原理测量电容，测量结果受桥臂电容性能影响较大。
振荡法电路结构简单，但对于待测电容在100PF 以下时，板间的内电容常会污染测量结果；另外，振荡法测电容的抗干扰能力差。
本文提出的容抗匹配法是将待测电容接入容抗匹配电路，待测电容在高品质的交流激励下，呈现固定的容抗。
通过容抗－电压转换电路，即可得与电容成比例的电压值。
经ADC 采样后，可计算电容值。
实验结果表明，该方法测电容可以保证测量精度，同时抗干扰能力强。
1 微电容测量模块基本原理微电容测量模块原理框该模块包含引线电容抑制电路、容抗电压变换电路、一片集成的RISC-SOC 混合信号处理器以及485 接口、LCD 显示等。
模块的工作原理如下：RISC-SOC 混合信号处理器芯片按CPU 指令，用DDS 直接数字频率合成方式，通过12 位D/AC 产生稳定度优于1/1000，失真度小于1/1000 的稳定正弦波，作为测量的激励源。
待测电容在该交流激励源作用下，呈现固定的容抗Z。
由式（1）可见1/Z 的大小正比于电容值的大小。
通过一个1/Z－电压变换电路即可得与电容值成正比的电压信号，据此可计算出电容值。
正弦波表ROM 内存有64 点的正弦波表，保持DDS 频率不变，将波表峰值提高10 倍，量程可缩小10 倍;改变正弦波表的点数为640 点，即可得到频率为1OOHZ 的正弦波，量程则扩大10 倍。
因此无需硬件开关，可以通过纯软件的方法切换。
基于电容检测接口ASIC的闭环微机械加速度计
基于电容检测接口ASIC的闭环微机械加速度计
刘民杰;刘云峰;董景新
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2012(020)001
【摘要】对于采用微传感器和接口ASIC两芯片方案来实现的电容式微机械加速度计来说,寄生电容是影响其性能的重要因素之一。
采用采样电荷结构,设计实现了电容检测接口ASIC电路,该电路具有对寄生电容不敏感的特点,并在0.35-μm CMOS标准工艺下流片实现。
基于流片得到的电容检测ASIC样片,以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,通过力平衡反馈方案设计实现了一种闭环微机械加速度计。
实验结果表明：该闭环微加速度计的灵敏度为650 mV/g,噪声基底为23.17μg Hz。
【总页数】4页(P90-93)
【作者】刘民杰;刘云峰;董景新
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
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1.时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路 [J], 储宜兴;池保勇;刘云峰;董景新
2.电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计 [J], 刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平
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5.三轴电容式微加速度计接口ASIC设计 [J], 许高斌;李新;陈兴;马渊明
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一种测量微小电容的实用电路
一种测量微小电容的实用电路
刘宝华
【期刊名称】《电工技术》
【年(卷),期】2001(000)005
【摘要】提出了一种数字电路与模拟电路相结合的500kHz高频测量电路,它用于微小电容的测量及与小电容检测有关的断层摄影技术.
【总页数】3页(P39-40,42)
【作者】刘宝华
【作者单位】河北理工学院自动化系,063009
【正文语种】中文
【中图分类】TM0
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1.一种测量电容的实用电路研究 [J], 李艳新;李源生
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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
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.
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 。
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
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
第 28卷 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)
HU Min , LI Xiao2ying , CHANG Hong2long , J IANG Qing2hua
(Micro and Nano Electromechanical Systems Laboratory , Northwestern Polytechnical University ,Xiπan , Shaanxi 710072 ,China)
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
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 。
=
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
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 。
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
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
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
in capacitive sensors especially micro2electro2mechanical system(MEMS) sensors is provided.
Key words : Metrology ; Small capacitance ; Capacitive sensor
胡 敏等 :基于 ASIC 芯片的微小电容测量电路研究
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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
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
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 。
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
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
edu. cn
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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 。
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] 。