基于ASIC芯片的微小電容測量電路研究

1、第28卷第4期2007年10月計量學(xué)報ACTAMETROLOGICASINICAVol.28,4October,2007基于ASIC芯片的微小電容測量電路研究胡敏,李曉瑩,常洪龍,蔣慶華(西北工業(yè)大學(xué)微納米系統(tǒng)實(shí)驗室,陜西西安710072)摘要:基于一款專用集成電路芯片(ASIC)HT133、高抗干擾性、偏置調(diào)節(jié)能力和模擬、數(shù)字信號兩種輸出模式等特點(diǎn)擾措施,0.5,8.67%。該電路(MS)關(guān)鍵詞:;:A文章編號:100021158(2007)0420379204UltrasmallCapacitanceSensingCircuitBasedonaPieceofASICHUMin,LIXiao

2、2ying,CHANGHong2long,JIANGQing2hua(MicroandNanoElectromechanicalSystemsLaboratory,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian,Shaanxi710072,China)Abstract:AcircuitbasedonapieceofApplicationsSpecificIntegratedCircuit(ASIC)HT133forsensingultra2smallcapac2itanceispresented.Ithassomeprominentfeaturessuchas

3、highresolution,highanti2interferenceability,offsetadjustmentabilityandbothanaloganddigitalsignaloutputmodes.Implementationofeverymoduleandmeansofnoiselimitationaredescribedde2tailedly.Anexperimentmeasurementofaseriesofsmallcapacitancesisperformed.Resultsshowthatthecircuithasveryhigh-15performancewit

4、hresolutionof0.5femtofarad(0.5×10farad)andnonlinearityof8.67%.AbasisforthisASICtobeappliedincapacitivesensorsespeciallymicro2electro2mechanicalsystem(MEMS)sensorsisprovided.Keywords:Metrology;Smallcapacitance;Capacitivesensor1引言電容式傳感器通過電容變化來表征輸入信號的大小。電容式微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的電容變化量非常微小,通常小于10-15微小電容測量電

5、路。并且采用固定電容串聯(lián)產(chǎn)生微小電容的方法來模擬電容式MEMS傳感器。實(shí)驗表明,電路分辨率達(dá)到0.5fF,非線性度8.67%,靈敏度誤差1.10%。該電路在各種電容式傳感器特別是MEMS傳感器中有廣泛的應(yīng)用前景。F,如此微小信號的測量一直是業(yè)界的一個難點(diǎn)和瓶頸。目前電容式MEMS傳感器的測量電路主要有兩種形式,一種是2ASIC工作原理2.1HT133內(nèi)部工作原理3采用電阻、電容等傳統(tǒng)分離元件搭建的測量電路1;另一種是采用微電子工藝制作的專用集成電路(ASIC)2。ASIC具有體積小、高度集成化、高精度和應(yīng)用簡便等特點(diǎn),正逐漸取代分離元件測量電路。本文基于德國GEMAC公司的一款微小電容測量AS

6、ICHT133,通過印刷電路板(PCB)搭建了一種收稿日期:2005209228;修回日期:2006201206傳感器輸出端的差動電容CS1和CS2串聯(lián)接在ASIC的輸入管腳C1、CM和C2上。ASIC內(nèi)部產(chǎn)生一對幅值為VR的等頻反相載波加在CS1和CS2兩端。通過內(nèi)部采樣保持電路,將CS1與CS2的電容差C轉(zhuǎn)換為模擬電壓Vout由Aout管腳輸出。測得Vout由式基金項目:國家自然科學(xué)基金(50505038);西北工業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金(M450202)作者簡介:胡敏(1982-),男,湖南衡陽人,西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向為MEMS慣性傳感器設(shè)計與檢測。hellohuminmail.n

7、wpu.380計量學(xué)報2007年10月(1)或式(2)即可算出相應(yīng)的電容差C。若使能數(shù)字輸出,ASIC啟動內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),將Vout轉(zhuǎn)換成12位并行數(shù)字輸出值Dout由D0D11管腳輸出。通過上位機(jī)讀取該數(shù)字值,由式(3)和式(4)可計算出對應(yīng)的模擬輸出電壓值Vout和電容差值C。范圍除兩個內(nèi)置選項外,還可在CEXTA和CEXTB兩管腳間串聯(lián)外部電容來擴(kuò)展,外部電容最大40pF。通過控制MB0和MB1管腳的電平即可選擇測量范圍,具體如表2。表2ASIC測量范圍MB0MB1pFCEXT(內(nèi)置)()(0.324.0測量范圍±0.32±4.0±0.4

8、7;0.4低低高低高低外部電容值外部電容值33.1測量電路基本原理ASIC,且有多種工作模式。各工作模式與控制管腳之間的關(guān)系如表1。表1ASIC工作模式與控制管腳的關(guān)系管腳電平SREFOEPDMAVMR基于HT133的微小電容測量電路由信號輸入模塊、電源模塊、ASIC、控制模塊、輸出接口模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊六部分組成,電路原理如圖2。工作模式偏置調(diào)節(jié)非偏置調(diào)節(jié)說明高低調(diào)整外部電阻可控制電路偏置默認(rèn)高數(shù)字輸出使能使能D0D11管腳輸出數(shù)字信號低數(shù)字輸出禁止僅有模擬輸出,數(shù)字信號輸出禁止高低高低高低電池常規(guī)電源平均處理非平均處理復(fù)位正常工作電路進(jìn)入低功耗的電池模式默認(rèn)輸出的數(shù)字信號作116平均

9、處理默認(rèn)維持高電平指定時間,ASIC復(fù)位默認(rèn)圖2微小電容測量電路框圖整個電路以ASIC為核心。電源模塊和控制模塊為ASIC提供電源和工作模式控制。微小電容由信號輸入模塊輸入到ASIC的C1、CM和C2三個測量管腳。經(jīng)ASIC采樣轉(zhuǎn)換成電壓值后傳送到輸出接口模塊。輸出接口模塊具有模擬電壓輸出和數(shù)字信號輸出兩種接口。模擬電壓由示波器測量顯示;數(shù)字信號直接送至數(shù)據(jù)處理與顯示模塊,通過單片機(jī)系統(tǒng)采集并驅(qū)動數(shù)碼管顯示。測量電路實(shí)物見圖3。3.2信號輸入模塊信號輸入模塊連接傳感器表頭的輸出端。本文采用大電容串聯(lián)產(chǎn)生微小電容的方法來模擬傳感器輸出的差動微小電容信號,如圖4。C1、C2和CX三個電容串聯(lián)連接,

10、形成一對等效的差動電容CS1和CS2。其中C1和C2為固定電容,可取1pF;CX電容可更換,標(biāo)稱值10pF1000pF。理論電容差值C可由式(6)計算得出:C=CS1-CS2=-C2=-CX+C1CX+12.2ASIC的輸出(1)模擬信號輸出模式:偏置調(diào)節(jié)模式VOUT=V2V+VCVCC0C-C+2C0(1)非偏置調(diào)節(jié)模式VOUT=(2)(2):DOUT=VOUT10-18VR(3)非偏置調(diào)節(jié)模式時,結(jié)合式(2)和式(3)有DOUT=+24C0C0=52×CEXT(4)(5)載波電壓和電源電壓一般取5V,載波頻率可通過REXT管腳上連接的電阻來控制。ASIC的測量(6)第28卷第4期

11、胡敏等:基于ASIC芯片的微小電容測量電路研究381若CX=1000pF,則C1fF,達(dá)到了產(chǎn)生小電容的目的。同理,CX亦可與C2組合形成反向差動輸出。圖6ASIC3.5,BNC線直接50;數(shù)字信號接口采用14位IDE接口。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊為8051單片機(jī)系統(tǒng)。8051單片機(jī)通過IDE數(shù)據(jù)線采集電路輸出的并行數(shù)字信號,按式(3)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的輸出電壓值并驅(qū)動數(shù)碼管顯示出來。3.6電路抗干擾措施抗干擾措施是諸如微小電容之類的微弱信號測圖4微小電容信號模擬電路量中最重要的一環(huán)。提高電路抗干擾能力一方面可通過精簡電路、選擇合適的元件和合理的布局布線來提高電路自身的可靠性;另一方面須對電路實(shí)行良好的屏

12、蔽以降低外界的干擾。本電路為減少寄生成分,選用貼片電容代替直插電容。為提高抗噪性,將被測差動電容CS1、CS2盡量靠近ASIC的輸入管腳C1、CM和C2;將供電芯片的輸出管腳盡量靠近ASIC的供電管腳。繪制PCB時充分考慮了器件分布的整體性、均勻性和易安裝性;注意了數(shù)、模信號模塊獨(dú)立,強(qiáng)、弱信號模塊獨(dú)立等原則;盡量減少過孔數(shù)量。在關(guān)鍵器件的電源入口處增加高濾波性能的鉭電容作為濾波電容。PCB接地采用抗噪性好的多點(diǎn)接地方式43.3電源模塊合理的電源設(shè)計能極大的降低電路自身的噪聲干擾。本文對測量電路實(shí)行數(shù)、模分開供電。選用低壓差芯片AS1117和AD公司的高精度基準(zhǔn)電壓芯片REF195分別給ASI

13、C提供數(shù)、模電源,見圖5。屏蔽方面,電路板模擬輸出口和示波器之間的連接線采用帶屏蔽層的同軸電纜線(BNC),屏蔽層兩端接地。測量時將整個電路板置于金屬盒中,金屬盒外殼接地,屏蔽效果非常明顯。屏蔽前后電路圖5電源模塊原理圖3.4ASIC控制模塊ASIC控制模塊(見圖6)用于調(diào)節(jié)ASIC的載波輸出性能對比如4.2所述。頻率和工作模式。為保證載波頻率穩(wěn)定,選用溫漂-6為5×10的精密電阻作為載波頻率的調(diào)節(jié)電阻。為方便集中控制ASIC的工作模式,采用8位撥碼開關(guān),任何一位均可單獨(dú)使用或同其它位組合使用。4實(shí)驗與結(jié)果分析4.1實(shí)驗?zāi)康呐c步驟通過測試一組微小電容驗證電路的性能。實(shí)驗選擇ASIC的

14、非偏置調(diào)節(jié)工作模式和數(shù)字382計量學(xué)報表4電路性能參數(shù)電路參數(shù)電容分辨率非線性度實(shí)測靈敏度理論靈敏度靈敏度誤差性能(屏蔽后)0.5fF8.67%6.181VpF6.250VpF1.10%2007年10月輸出方式。載波電壓幅值VR為5V,頻率調(diào)整在20kHz,ASIC的測量范圍選擇±0.32pF。性能(屏蔽前)2.0fF33.99%4.757VpF6.250VpF23.89%被測電容C1、C2和CX選擇二端陶瓷貼片電容。C1、C2的標(biāo)稱值為1pF,CX的標(biāo)稱值序列取101000pF。為準(zhǔn)確起見,測試前使用安捷倫公司的LCR測量儀4284A對電容值進(jìn)行再次標(biāo)定。將C1、C2和CX的標(biāo)定值

15、代入式(6)可得到電容差C的標(biāo)定值,將該值代入式(2)可算出理論輸出電壓值。實(shí)驗時依次將CX焊接到電路板上,將電路板置于金屬屏蔽盒中和不置于屏蔽盒中各測試一次。由電路的數(shù)據(jù)顯示數(shù)碼管讀取實(shí)測輸出電壓,論輸出電壓作比較。、,寄生電容不超過幾個C1、C2在整個測試過程中固定不變,因而其上的寄生電容對整個測試過程的影響是相同的。它們會使輸出值沿坐標(biāo)軸偏移,但不會影響輸出的整體性能。CX的標(biāo)稱值非常大(101000pF),因而隨著CX的增大,寄生電容對CX的影響也可以忽略。4.2實(shí)驗結(jié)果與分析圖7屏蔽前后電路輸出與電容差C標(biāo)定值的關(guān)系5結(jié)論本文構(gòu)建的基于專用集成電路芯片(ASIC)HT133的微小電容

16、測量電路能廣泛應(yīng)用于各種電容式傳感器特別是MEMS傳感器中。模塊化結(jié)構(gòu),數(shù)字輸出接口和高分辨率等特點(diǎn)可使傳感器測試電路的搭建變得非常方便快捷。另外,若將MEMS傳感器表頭同ASIC混合封裝可進(jìn)一步減少電路連線、減小電路體積、提高電路的抗干擾能力,從而組合成高性能的集成化傳感器2測試數(shù)據(jù)如表3。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,擬合直線的斜率即為測量電路的刻度因子,殘差序列均方根(RMS)值即為電路的分辨率,分辨率與滿量程的百分比即為電路的非線性度1,4,5。電路性能參數(shù)如表4。采取屏蔽措施后電路的分辨率達(dá)0.5fF,接近該款A(yù)SIC的理論最小分辨率0.16fF;靈敏度誤差1.10%;非線性度8.6

17、7%,電路性能非常優(yōu)異(見圖7)。由此亦驗證,電路中的雜散電容雖然會影響單個測量值的準(zhǔn)確性,但對電路整體性能并無太大影響。表3測試數(shù)據(jù)Cx標(biāo)稱值C標(biāo)定值屏蔽前輸出屏蔽后輸出理論輸出。文獻(xiàn)參考1蔣慶華,苑偉政,常洪龍,等.電容式微機(jī)械慣性傳感器信號檢測技術(shù)研究J.中國機(jī)械工程,2005,7(增刊):384386.2GilbertJR,BartSF,RomanowiczBF.DesignofintegratedsystemsincludingMEMSandASICSA.EleventhAnnualIEEEInternationalASICConferenceProceedingsC,IEEE,1998,383386.3GEMACInc.HT133evaluationcircuitforcapacitivesensorsZ.2004,http:www.gemac2chemnitz.de.4李萬玉,阮愛武,羅晉生.硅微機(jī)械陀螺的接口檢測技pF10132027pF-0.0498-0.0354-0.0153-0.0049V1.93192.05362.20252.27692.47692.48132.48882.4937V2.21822.30332.41802.5480V2.1