第14卷第8期2014年3月1671—1815(2014)08-0210-04科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.14No.8Mar．20142014Sci.Tech.Engrg.基于电容数字转换技术的微小电容测量电路的设计研究樊骁桑胜波张文栋李朋伟胡杰李刚(太原理工大学微纳系统研究中心1，新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室2，太原030024)摘要传统的微小电容测量电路难以满足电容式传感器的发展要求;为此，提出以AD7746为电容数字转换器、MSP430F149为微处理器的测量方案，详细论述了电路的应用背景和软硬件设计，为电容式传感器的信号处理提供了全新的思路和解决方案。测试结果表明:在量程为0至4.096pF、电容数字转换时间为109.6ms时，峰峰(P-P)分辨率为16位，0.1fF，测量电路具有分辨率高、精度高、响应快速、外部电路结构简单、易于集成、稳定性好、开发周期短、成本低等特点，具有较好的应用价值。关键词电容式传感器微小电容AD7746中图法分类号TP274.5;文献标志码B2013年10月15日收到，10月30日修改国家自然青年基金资助项目(51105267)、教育部高等学校博士学科点基金资助项目(20111402120007)、太原市国际合作项目(900102—03000711)、山西省回国留学人员科技活动择优项目(2011lx10)资助第一作者简介:樊骁(1990—)，男，硕士研究生。研究方向:微纳机电系统。E-mail:fanxiao0240@tyut．edu．cn。电容式传感器［1］是利用电容器原理，将被测量变化转换成电容量变化的一种装置。与其他类型的传感器相比，电容式传感器不仅具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、测量范围大、精度高、动态响应时间短、易于集成、能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点，在某些特定场合下，高分辨率也是其他类型的传感器难以实现的，而且电容式传感器能够采用已成熟的半导体微加工技术低成本、大批量制作，目前已广泛应用于多种检测系统中，测量诸如液位、压力、位移、加速度、厚度、振幅等物理量，是一种具有良好发展前景的传感器［2］，在精密测量中，电容式传感器更是占据统治地位。电容式传感器的电容变化量往往很小，许多情况下，输出电容仅有几十个或几百个飞法(1fF=10－15F)大小［3］，因而对电容式传感器输出电容特别是输出微小电容的测量始终是一个重要的研究课题。传统上采用的充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V/T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路、基于电荷放大原理的电容测量电路等分立式解决方案共同缺点是脉动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿，难以达到高的精度要求，电路结构相对复杂，不易集成，成本也较高［3，4］。本文提出的基于电容数字转换技术的微小电容测量电路解决了从电容信号到数字信号直接转换的信号处理难题，具有分辨率高、精度高、响应快速、外部电路结构简单、易于集成、稳定性好、成本低等特点，彻底弥补了分立式解决方案的不足，不但缩短了产品开发周期，更进一步为电容式传感器赢得了优势。1硬件设计硬件总体框架如图l所示，主要有电容式传感器(被测电容)、电容数字转换器、微处理器、电源管理电路、接口电路5个主要组成部分。图1硬件总体框架1.1电容数字转换器AD7746AD7746［5］是ADI公司推出的24位、低功耗、双通道电容数字转换器(CDC)，是业界最高精度解决方案［6］。主要特性有:

(1)精度。4fF(芯片测量结果与真实值有一个固定的偏差，这个偏差在±4fF内)。(2)分辨率。4aF(芯片可以将两个相差4aF的电容分辨出来)。(3)线性度。0.01%。(4)电容输入范围。－4.096～+4.096pF。(5)可接受共模电容。最大17pF。(6)更新速率。10～90Hz。(7)供电电压范围。2.7～5.25V。(8)额定温度范围。－40～+125℃。(9)接口。双线式串行接口(兼容I2C)。(10)封装。16引脚TSSOP。被测电容可以直接连接到AD7746的电容输入通道，芯片通过内部的激励源持续对被测电容提供高频激励，二阶∑～△调制器不断对被测电容进行电荷采样，经过三阶数字滤波器直接输出24位测量结果(Data)［7］。单端输入方式下，被测电容C=(Data－0x800000)×4.096223pF，其中十六进制应转化为十进制计算。1.2微处理器MSP430F149MSP430F149［8，9］是TI公司生产的16位、低功耗微处理器，具有丰富的片内资源和方便高效的开发环境，已广泛应用于便携式仪器仪表中［10—12］。它从中断请求到CPU唤醒仅仅需要6μs。在开发时，不需要仿真器和编程器，利用片内的JTAG接口与PC机和JTAG调试器连接即可。供电电压范围为1.8～3.3V。图2AD7746外围电路1.3电源管理电路和接口电路电源采用3V的纽扣锂电池对测量电路进行供电，微处理器MSP430F149的串口通过FT232［13］与计算机的USB接口相连。2软件设计软件流程图如图3所示。电路上电后，MSP430F149进行初始化并启动I2C总线，I2C总线应答(Ack)后初始化AD7746并进行参数设置和寄存器地址配置，然后AD7746开始数据采集。在电容数字转换完成后，输出的24位测量结果存储在CAP_DATA_H、CAP_DATA_M、CAP_DATA_L三个寄存器中(分别存储测量结果的高、中、低字节)并在其ＲDY引脚(2引脚)上产生一个下降沿信号，用于触发MSP430F149的外部中断，MSP430F149在中断允许的情况下，CPU响应中断，并在中断服务子程序中通过I2C总线读取相应的结果并清零寄存器和转换测量通道，最后通过串口(UAＲT)上传数据至PC。3测试结果为验证电路性能，使用2块铜箔制作平行板电容器，分别改变平行板电容器极板间距和极板正对面积，与理论值进行比较。在噪声随机且满足正态分布的条件下，AD7746有效分辨率最高21位(电容数字转换完成后输出的24位测量结果中至少有3位是随机的)，峰峰(P-P)分辨率(输出的24位测量结果中的稳定位数)与有效分辨率满足如下关系:有效分辨率－2.7=峰峰分辨率。随着电容数字转换时间的不同，有效分辨率和峰峰分辨率的理论值也不同。在电容数字转换时间为109.6ms时，峰峰分辨率的理论值为18.2位，实际测试中得到的峰峰分辨率为16位，0.1fF。4.096－(－4.096)216－1pF≈[]0.0001pF=0.1fF。由于18.2位为理想条件(噪声随机且满足正态分布)下的计算结果，可以认为2位的损失在正常范围内。平行板电容器计算公式:C=εSd，式中，ε为介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数(ε0=8.8542×10－12F·m－1)，εr为相对介电常数(空气中εr=1.0005);S为极板正对面积;d为极板间距。当S=0.004225m2时，改变d的大小。由于当S一定时，d与C为反比例函数关系，函数值在自变量的初期有较大的变化，当d［1，2］时，以1mm为步进;当d(2，50］时，以1cm为步进。测量结果如图4所示(d的每个取值点测量十次，求平均值)。1128期樊骁，等:基于电容数字转换技术的微小电容测量电路的设计研究

图3软件流程图当d=0.05m时，改变S的大小。S分别选取0.01m2、0.0121m2、0.0144m2、0.0169m2、0.0196m2、0.0225m2。测量结果如图5所示(S的每个取值点测量十次，求平均值)。测试结果说明:当S一定d改变和d一定S改变时，测量值与理论值有一定的偏差，由于平行板电容器作为输入时本身并不稳定，AD7746也存在4fF的测量误差，且测量值利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)［14，15］进行非线性回归后，与理论值曲线趋势基本保持一致，可以认为误差并不取决于测量电路本身。实际应用中，电容式传感器输出的电容是被测量的反映，因此分辨率的大小得到更多的关注，测量电路0.1fF的分辨率可以满足绝大部分测量的分辨率要求。4结论本文详细论述了基于AD7746的微小电容测量电路的应用背景和软硬件设计，并制作平行板电容器对电路进行了测试。测试结果表明:在量程为0至4.096pF、电容数字转换时间为109.6ms时，峰峰(P-P)分辨率为16位，0.1fF，测量电路具有分辨率高、精度高、响应快速、外部电路结构简单、易于集成、稳定性好、开发周期短、成本低等特点，满足了电容式传感器新的发展要求，进一步为电容式传感器赢得了优势，具有较好的应用价值和广阔的应用前景。图4极板间距d与电容C关系曲线图5极板正对面积S与电容C关系曲线参考文献1赵燕．传感器原理及应用．北京:北京大学出版社，20102尹韬，杨海钢．MEMS高精度电容读出电路的单芯片集成研究．电子器件，2007;30(4):1188—11933邱桂苹，于晓洋，陈德运．微小电容测量电路．黑龙江电力，2006;28(5):362—3664赵军荣，刘双峰．基于AD7150微小电容测量方法的研究．传感器世界，2010;16(6):37—405AnalogDevices．24—BitCapacitance-to-DigitalConverterwithTem-peratureSensorAD7745/AD7746．http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7745_7746.pdf，2005—08—106郭强，谢康，姜海明，等．电容数字转换器AD7745的工作原理和应用．现代电子技术，2008;31(14):170—1727范作宪，董恩生，曹河，等．基于AD7746的同面电极电容检测212科学技术与工程14卷

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