高精度微弱电容检测系统的设计_张印强
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自动化测试技术
计 算机测量与控制． ２ ０ １ ２． ２ ０（ １ ２） Ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ＆ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ
文献标识码 ： Ａ
· ３ ２ ０ ７·
· ３ ２ ０ ８·
计算机测量与控制
第２ ０卷
图 ２ 检测系统的组成框图 图 ５ 信号调理电路
输出 。
３ 系统硬件设计
３ ． １ 电源电路 选用输出可调的开关型稳压电源芯片 ＬＭ ２ ５ ７ ６提供 Ｆ Ｐ ＧＡ 所需的 ３ ． ３ Ｖ 和１ ． ２ Ｖ 电源 。 电源电路如图 ３ 所示 ，Ｒ ４ ４和 Ｒ ４ ５ 为分压电阻 ， 选择不同 的阻值可实现不同的输出电压 。
； 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ ９ ２ １ － － 修回日期 ： － － ； 基金项目 ： 国家自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 江苏省高校自 ５ １ １ ０ ６ ０ ７ ０） ） 。 然科学研究项目 （ １ ２ Ｋ Ｊ Ｄ ４ ６ ０ ０ ０ ３ ， 作者简介 ： 张印强（ 河北邢台人， 讲师， 主要从事智能测量仪 １ ９ ７ ８ －） 表与自动控制技术方向的研究 。
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ４ ５ ９ ８ ２ ０ １ ２ １ ２ ３ ２ ０ ７ ０ ３ Ｔ Ｐ ２ ７ ３ － － － 中图分类号 ：
高精度微弱电容检测系统的设计
张印强 ， 杨道业
（ ） 南京工业大学 自动化与电气工程学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ０ ９
摘要 ： 针对微弱电容信号的检测问题 ， 提出了一种基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 和数 字 解 调 的 高 精 度 微 弱 电 容 检 测 系 统 ； 通 过 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 ， ／ ／ 实现了由电源电路 、Ｃ Ｖ 转换电路 、Ｆ Ｐ ＧＡ 电路 、Ａ Ｄ 转换电路等组成的高精度电容检测系统 ； 阐述了利用载 波 调 制 进 行 微 弱 电 容 检 测 的原理和系统硬件电路的实现方案 ， 并给出了基于 ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｃ算法的载波生成 、 数字解 调 和 Ａ Ｄ 采样控制在 Ｆ Ｐ ＧＡ 中 的 具 体 实 现 ； 实 际 运 行 表明 ， 该检测系统的电容检测分辨率可达到 ５ ｆ Ｆ， 具有精度高及抗干扰能力强等优点 。 关键词 ： 微弱电容检测 ； 数字解调 ；Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７；Ｆ Ｐ ＧＡ；Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算法
Ｃ ＝Ｃ Δ ０
烄 １
ｄ Δ １－ ｄ ０ 烆
－
１ 烌 ｄ Δ ｄ ≈２ Ｃ Δ ０ １＋ ｄ０ ｄ０ 烎
（ ） ２
２ 电容检测系统的整体结构
／ 系统的整 体 结 构 如 图 ２ 所 示 ， 包 括 载 波 信 号 生 产 ，Ｃ Ｖ ［ ４］ 转换及信号调理和相敏解调等部分 。 Ｆ Ｐ ＧＡ 利用 Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算法产生正弦载波对应的二进制数 ／ 值 ， 并控制 Ｄ Ａ 转换器 将 其 转 换 为 模 拟 电 压 信 号 后 加 到 差 动 ／ 电容 Ｃ Ｖ 转换及信号调理电路进行 １ 和Ｃ ２ 的电极 上 ， 利 用 Ｃ ／ 载波调制 ， 并通过 Ａ Ｄ转换器转换为数字信号后在 Ｆ Ｐ ＧＡ 内 进 行 数 字 解 调 ，解 调 结 果 通 过 Ｒ Ｓ ２ ３ ２串行通信接口进行数据
： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｗ ｅ ａ ｋ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ，ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ Ｐ ＧＡ ｇ ｐ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ｄ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ，ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｈ ｉ ｈ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｍ－ ａ ｎ ｄ ｇ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ ｐ ｐ ｇ ｙ ， ／ ， ／ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｗ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｆ Ｐ ＧＡ ａ ｎ ｄ Ａ Ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｏ ｆ ｗ ｅ ａ ｋ ｃ ａ ａ ｃ ｉ － ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｓ ｉ ｎ ｕ ｓ ｏ ｉ ｄ ａ ｌ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｇ ｙ ｐ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｄ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ａ Ｄ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ａ ｃ － ｇ ｇ ｐ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ５ ｆ Ｆ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ． ｐ ｙ ｇ ｙ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｆ Ｐ ＧＡ；Ａ Ｄ Ｓ １ ２ ７ ８； ｄ ａ ｔ ａ ａ ｃ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｐ ｑ ｇ ｙ
［ ３］
图 １ 变间距式梳齿电容结构图
。 本系统利用载波调制和相敏 解
为 ｈ， 重叠部分长度 为ｌ ｌ ０ ， 重 叠 面 积 Ａ 为ｈ× ０， 初 始 距 离 为 ， 则电容计算表达式为 ： ｄ ０ ， 介质常数ε
Ｃ ０ ＝
ｈ ｌ ｚ Ａ ｚ ０ ＝ ｄ０ ｄ ０
（ ） １
ｄ 时 ，Ｃ ｄ的 当质量块沿垂直方向移 动 位 移 Δ １ 的电容随Δ ， 。 ／ 减小而增大 Ｃ ｄ 的增大而减小 当Δ ｄｄ ２ 的电容随Δ ０ 远小
பைடு நூலகம்
０ 引言
电容传感器 广 泛 用 于 多 种 检 测 系 统 ，可 测 量 浓 度 、 压 力 、
１］ 。在 角速度 、 加速度等物理量 ， 其测量精度高 ， 响应速度 快 ［
硅微惯性器件中 ， 常采 用 电 容 传 感 器 来 检 测 加 速 度 和 角 速 度 。
２ ， 通常情 况 下 其 检 测 电 容 在 １ ０－１ Ｆ 检测电容的变化范围为 ５ １ ０－１ Ｆ 级 ， 有用输 出 信 号 非 常 微 弱 ， 如 何 提 高 测 量 灵 敏 度 和 ２］ 。 目前常用的微弱信号检 测 信噪比成为微弱电容检测的关键 ［
方法主要有直流 充／放 电 法 、 交 流 法 、 有 源 差 分 法 、 高 压 交 流 双边激励法及相干检测法等 调实现微弱电容的检测 。 本文讨论了一 种 采 用 Ｆ Ｐ ＧＡ 实 现 的 数 字 解 调 型 高 精 度 微 弱电容检测系统 ， 它具有载波稳定度高 、 抗干扰性强及精度 高 的特点 。 该系 统 利 用 Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算 法 实 现 载 波 信 号 的 生 成，数 字解调的误差 小 ， 比 传 统 的 模 拟 检 测 系 统 有 更 高 的 稳 定 性 和 精度 。
图 ６ 基准电压电路
Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７ 的外围电路如图 ７ 所示 。
图 ３ 电源电路
３ ． ２ 载波调制电路 载波调制电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度 ／ 的变化 ， 降低了噪声 干 扰 。 载 波 调 制 电 路 由 Ｃ Ｖ 转换电路和 信号调理电路两部分组成 。 采用双载波调制型电容检测电路 完 ／ 成Ｃ Ｖ 转换 ， 其电路如图 ４ 所示 。
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ Ｈ ｉ ｈ Ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｗ ｅ ａ ｋ Ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ
， Ｚ ｈ ａ ｎ Ｙ ｉ ｎ ｉ ａ ｎ Ｙ ａ ｎ Ｄ ａ ｏ ｅ ｇ ｑ ｇ ｇ ｙ
／ 图 ４ Ｃ Ｖ 转换电路
两路反相的载波信号加载到差分电容的两端 ， 运算放大 器 从差分电容的公共端提 取 信 号 。 载 波 信 号 可 表 示 为 ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ， ω ｚ 根据电路原理可得到输出 Ｕ ｏ 的表达式为 ，
图 ７ Ａ Ｄ 转换器电路
Ｃ Ｃ １ －Ｃ ２ Δ （ ） ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ ＝ ２ ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ ３ ω ω ｚ ｚ Ｃ Ｃ３ ３ 由式 ３ 可知 ， 输出电压的幅值正比于差分检测电容的变 化 Ｕ０ ＝
器的输入量程相匹配 。 ／ ３ ． ３ Ａ Ｄ 转换电路
［］ ／ 系统选用 ２ ４ 位高 精 度 Ａ Ｄ 转换器 Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７５ 对 载 波 调 制 电路的差分电压信号进行 采 样 ， 选 用 Ｔ Ｉ公 司 的 高 精 度 电 压 参
考源 Ｒ Ｅ Ｆ ５ ０ ５ ０ 提供 ５ Ｖ 基准电压 。 基准电压电路如图 ６ 所示 。
（ ，Ｎ ，Ｎ ） Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ｇ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ｇ ｙ ｊ ｇ
于 １ 时 ， 电容的变化量为 ：
１ 硅微惯性器件的电容结构
硅微惯性器件的电容结构形式一般分为平板式与梳齿电容 式 ， 由于梳齿电容的静 态 电 容 比 平 板 电 容 要 大 几 倍 至 十 几 倍 ， 其应用较多 。 图 １ 为变间距式差动梳齿示意图 ， 可动质量块的活动梳 齿 和 固定梳齿构成可变电容 ， 静止时 Ｃ １ 和Ｃ ２ 相等 。 设极板厚度
计 算机测量与控制． ２ ０ １ ２． ２ ０（ １ ２） Ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ＆ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ
文献标识码 ： Ａ
· ３ ２ ０ ７·
· ３ ２ ０ ８·
计算机测量与控制
第２ ０卷
图 ２ 检测系统的组成框图 图 ５ 信号调理电路
输出 。
３ 系统硬件设计
３ ． １ 电源电路 选用输出可调的开关型稳压电源芯片 ＬＭ ２ ５ ７ ６提供 Ｆ Ｐ ＧＡ 所需的 ３ ． ３ Ｖ 和１ ． ２ Ｖ 电源 。 电源电路如图 ３ 所示 ，Ｒ ４ ４和 Ｒ ４ ５ 为分压电阻 ， 选择不同 的阻值可实现不同的输出电压 。
； 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ ９ ２ １ － － 修回日期 ： － － ； 基金项目 ： 国家自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 江苏省高校自 ５ １ １ ０ ６ ０ ７ ０） ） 。 然科学研究项目 （ １ ２ Ｋ Ｊ Ｄ ４ ６ ０ ０ ０ ３ ， 作者简介 ： 张印强（ 河北邢台人， 讲师， 主要从事智能测量仪 １ ９ ７ ８ －） 表与自动控制技术方向的研究 。
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ４ ５ ９ ８ ２ ０ １ ２ １ ２ ３ ２ ０ ７ ０ ３ Ｔ Ｐ ２ ７ ３ － － － 中图分类号 ：
高精度微弱电容检测系统的设计
张印强 ， 杨道业
（ ） 南京工业大学 自动化与电气工程学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ０ ９
摘要 ： 针对微弱电容信号的检测问题 ， 提出了一种基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 和数 字 解 调 的 高 精 度 微 弱 电 容 检 测 系 统 ； 通 过 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 ， ／ ／ 实现了由电源电路 、Ｃ Ｖ 转换电路 、Ｆ Ｐ ＧＡ 电路 、Ａ Ｄ 转换电路等组成的高精度电容检测系统 ； 阐述了利用载 波 调 制 进 行 微 弱 电 容 检 测 的原理和系统硬件电路的实现方案 ， 并给出了基于 ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｃ算法的载波生成 、 数字解 调 和 Ａ Ｄ 采样控制在 Ｆ Ｐ ＧＡ 中 的 具 体 实 现 ； 实 际 运 行 表明 ， 该检测系统的电容检测分辨率可达到 ５ ｆ Ｆ， 具有精度高及抗干扰能力强等优点 。 关键词 ： 微弱电容检测 ； 数字解调 ；Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７；Ｆ Ｐ ＧＡ；Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算法
Ｃ ＝Ｃ Δ ０
烄 １
ｄ Δ １－ ｄ ０ 烆
－
１ 烌 ｄ Δ ｄ ≈２ Ｃ Δ ０ １＋ ｄ０ ｄ０ 烎
（ ） ２
２ 电容检测系统的整体结构
／ 系统的整 体 结 构 如 图 ２ 所 示 ， 包 括 载 波 信 号 生 产 ，Ｃ Ｖ ［ ４］ 转换及信号调理和相敏解调等部分 。 Ｆ Ｐ ＧＡ 利用 Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算法产生正弦载波对应的二进制数 ／ 值 ， 并控制 Ｄ Ａ 转换器 将 其 转 换 为 模 拟 电 压 信 号 后 加 到 差 动 ／ 电容 Ｃ Ｖ 转换及信号调理电路进行 １ 和Ｃ ２ 的电极 上 ， 利 用 Ｃ ／ 载波调制 ， 并通过 Ａ Ｄ转换器转换为数字信号后在 Ｆ Ｐ ＧＡ 内 进 行 数 字 解 调 ，解 调 结 果 通 过 Ｒ Ｓ ２ ３ ２串行通信接口进行数据
： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｗ ｅ ａ ｋ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ，ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ Ｐ ＧＡ ｇ ｐ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ｄ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ，ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｈ ｉ ｈ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｍ－ ａ ｎ ｄ ｇ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ ｐ ｐ ｇ ｙ ， ／ ， ／ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｗ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｆ Ｐ ＧＡ ａ ｎ ｄ Ａ Ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｏ ｆ ｗ ｅ ａ ｋ ｃ ａ ａ ｃ ｉ － ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｓ ｉ ｎ ｕ ｓ ｏ ｉ ｄ ａ ｌ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｇ ｙ ｐ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｄ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ａ Ｄ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ａ ｃ － ｇ ｇ ｐ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ５ ｆ Ｆ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ． ｐ ｙ ｇ ｙ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｆ Ｐ ＧＡ；Ａ Ｄ Ｓ １ ２ ７ ８； ｄ ａ ｔ ａ ａ ｃ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｐ ｑ ｇ ｙ
［ ３］
图 １ 变间距式梳齿电容结构图
。 本系统利用载波调制和相敏 解
为 ｈ， 重叠部分长度 为ｌ ｌ ０ ， 重 叠 面 积 Ａ 为ｈ× ０， 初 始 距 离 为 ， 则电容计算表达式为 ： ｄ ０ ， 介质常数ε
Ｃ ０ ＝
ｈ ｌ ｚ Ａ ｚ ０ ＝ ｄ０ ｄ ０
（ ） １
ｄ 时 ，Ｃ ｄ的 当质量块沿垂直方向移 动 位 移 Δ １ 的电容随Δ ， 。 ／ 减小而增大 Ｃ ｄ 的增大而减小 当Δ ｄｄ ２ 的电容随Δ ０ 远小
பைடு நூலகம்
０ 引言
电容传感器 广 泛 用 于 多 种 检 测 系 统 ，可 测 量 浓 度 、 压 力 、
１］ 。在 角速度 、 加速度等物理量 ， 其测量精度高 ， 响应速度 快 ［
硅微惯性器件中 ， 常采 用 电 容 传 感 器 来 检 测 加 速 度 和 角 速 度 。
２ ， 通常情 况 下 其 检 测 电 容 在 １ ０－１ Ｆ 检测电容的变化范围为 ５ １ ０－１ Ｆ 级 ， 有用输 出 信 号 非 常 微 弱 ， 如 何 提 高 测 量 灵 敏 度 和 ２］ 。 目前常用的微弱信号检 测 信噪比成为微弱电容检测的关键 ［
方法主要有直流 充／放 电 法 、 交 流 法 、 有 源 差 分 法 、 高 压 交 流 双边激励法及相干检测法等 调实现微弱电容的检测 。 本文讨论了一 种 采 用 Ｆ Ｐ ＧＡ 实 现 的 数 字 解 调 型 高 精 度 微 弱电容检测系统 ， 它具有载波稳定度高 、 抗干扰性强及精度 高 的特点 。 该系 统 利 用 Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ 算 法 实 现 载 波 信 号 的 生 成，数 字解调的误差 小 ， 比 传 统 的 模 拟 检 测 系 统 有 更 高 的 稳 定 性 和 精度 。
图 ６ 基准电压电路
Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７ 的外围电路如图 ７ 所示 。
图 ３ 电源电路
３ ． ２ 载波调制电路 载波调制电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度 ／ 的变化 ， 降低了噪声 干 扰 。 载 波 调 制 电 路 由 Ｃ Ｖ 转换电路和 信号调理电路两部分组成 。 采用双载波调制型电容检测电路 完 ／ 成Ｃ Ｖ 转换 ， 其电路如图 ４ 所示 。
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ Ｈ ｉ ｈ Ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｗ ｅ ａ ｋ Ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ
， Ｚ ｈ ａ ｎ Ｙ ｉ ｎ ｉ ａ ｎ Ｙ ａ ｎ Ｄ ａ ｏ ｅ ｇ ｑ ｇ ｇ ｙ
／ 图 ４ Ｃ Ｖ 转换电路
两路反相的载波信号加载到差分电容的两端 ， 运算放大 器 从差分电容的公共端提 取 信 号 。 载 波 信 号 可 表 示 为 ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ， ω ｚ 根据电路原理可得到输出 Ｕ ｏ 的表达式为 ，
图 ７ Ａ Ｄ 转换器电路
Ｃ Ｃ １ －Ｃ ２ Δ （ ） ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ ＝ ２ ＶＣｓ ｉ ｎ ｔ ３ ω ω ｚ ｚ Ｃ Ｃ３ ３ 由式 ３ 可知 ， 输出电压的幅值正比于差分检测电容的变 化 Ｕ０ ＝
器的输入量程相匹配 。 ／ ３ ． ３ Ａ Ｄ 转换电路
［］ ／ 系统选用 ２ ４ 位高 精 度 Ａ Ｄ 转换器 Ａ Ｄ ７ ７ ６ ７５ 对 载 波 调 制 电路的差分电压信号进行 采 样 ， 选 用 Ｔ Ｉ公 司 的 高 精 度 电 压 参
考源 Ｒ Ｅ Ｆ ５ ０ ５ ０ 提供 ５ Ｖ 基准电压 。 基准电压电路如图 ６ 所示 。
（ ，Ｎ ，Ｎ ） Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ｇ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ｇ ｙ ｊ ｇ
于 １ 时 ， 电容的变化量为 ：
１ 硅微惯性器件的电容结构
硅微惯性器件的电容结构形式一般分为平板式与梳齿电容 式 ， 由于梳齿电容的静 态 电 容 比 平 板 电 容 要 大 几 倍 至 十 几 倍 ， 其应用较多 。 图 １ 为变间距式差动梳齿示意图 ， 可动质量块的活动梳 齿 和 固定梳齿构成可变电容 ， 静止时 Ｃ １ 和Ｃ ２ 相等 。 设极板厚度