基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究

1、第28卷第4期2007年10月计量学报ACTAMETROLOGICASINICAVol.28,4October,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(西北工业大学微纳米系统实验室,陕西西安710072)摘要:基于一款专用集成电路芯片(ASIC)HT133、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扰措施,0.5,8.67%。该电路(MS)关键词:;:A文章编号: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引言电容式传感器通过电容变化来表征输入信号的大小。电容式微机电系统(MEMS)传感器的电容变化量非常微小,通常小于10-15微小电容测量电

5、路。并且采用固定电容串联产生微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0.5fF,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是MEMS传感器中有广泛的应用前景。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MEMS传感器的测量电路主要有两种形式,一种是2ASIC工作原理2.1HT133内部工作原理3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。本文基于德国GEMAC公司的一款微小电容测量AS

6、ICHT133,通过印刷电路板(PCB)搭建了一种收稿日期:2005209228;修回日期:2006201206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C转换为模拟电压Vout由Aout管脚输出。测得Vout由式基金项目: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。hellohuminmail.n

7、wpu.380计量学报2007年10月(1)或式(2)即可算出相应的电容差C。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D0D11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C。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40pF。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2ASIC测量范围MB0MB1pFCEXT(内置)()(0.324.0测量范围±0.32±4.0±0.4

8、7;0.4低低高低高低外部电容值外部电容值33.1测量电路基本原理ASIC,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1ASIC工作模式与控制管脚的关系管脚电平SREFOEPDMAVMR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。工作模式偏置调节非偏置调节说明高低调整外部电阻可控制电路偏置默认高数字输出使能使能D0D11管脚输出数字信号低数字输出禁止仅有模拟输出,数字信号输出禁止高低高低高低电池常规电源平均处理非平均处理复位正常工作电路进入低功耗的电池模式默认输出的数字信号作116平均

9、处理默认维持高电平指定时间,ASIC复位默认图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,

10、形成一对等效的差动电容CS1和CS2。其中C1和C2为固定电容,可取1pF;CX电容可更换,标称值10pF1000pF。理论电容差值C可由式(6)计算得出:C=CS1-CS2=-C2=-CX+C1CX+12.2ASIC的输出(1)模拟信号输出模式:偏置调节模式VOUT=V2V+VCVCC0C-C+2C0(1)非偏置调节模式VOUT=(2)(2):DOUT=VOUT10-18VR(3)非偏置调节模式时,结合式(2)和式(3)有DOUT=+24C0C0=52×CEXT(4)(5)载波电压和电源电压一般取5V,载波频率可通过REXT管脚上连接的电阻来控制。ASIC的测量(6)第28卷第4期

11、胡敏等:基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究381若CX=1000pF,则C1fF,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6ASIC3.5,BNC线直接50;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电路抗干扰措施抗干扰措施是诸如微小电容之类的微弱信号测图4微小电容信号模拟电路量中最重要的一环。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

12、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43.3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ASI

13、C提供数、模电源,见图5。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。屏蔽前后电路图5电源模块原理图3.4ASIC控制模块ASIC控制模块(见图6)用于调节ASIC的载波输出性能对比如4.2所述。频率和工作模式。为保证载波频率稳定,选用温漂-6为5×10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。4实验与结果分析4.1实验目的与步骤通过测试一组微小电容验证电路的性能。实验选择ASIC的

14、非偏置调节工作模式和数字382计量学报表4电路性能参数电路参数电容分辨率非线性度实测灵敏度理论灵敏度灵敏度误差性能(屏蔽后)0.5fF8.67%6.181VpF6.250VpF1.10%2007年10月输出方式。载波电压幅值VR为5V,频率调整在20kHz,ASIC的测量范围选择±0.32pF。性能(屏蔽前)2.0fF33.99%4.757VpF6.250VpF23.89%被测电容C1、C2和CX选择二端陶瓷贴片电容。C1、C2的标称值为1pF,CX的标称值序列取101000pF。为准确起见,测试前使用安捷伦公司的LCR测量仪4284A对电容值进行再次标定。将C1、C2和CX的标定值

15、代入式(6)可得到电容差C的标定值,将该值代入式(2)可算出理论输出电压值。实验时依次将CX焊接到电路板上,将电路板置于金属屏蔽盒中和不置于屏蔽盒中各测试一次。由电路的数据显示数码管读取实测输出电压,论输出电压作比较。、,寄生电容不超过几个C1、C2在整个测试过程中固定不变,因而其上的寄生电容对整个测试过程的影响是相同的。它们会使输出值沿坐标轴偏移,但不会影响输出的整体性能。CX的标称值非常大(101000pF),因而随着CX的增大,寄生电容对CX的影响也可以忽略。4.2实验结果与分析图7屏蔽前后电路输出与电容差C标定值的关系5结论本文构建的基于专用集成电路芯片(ASIC)HT133的微小电容

16、测量电路能广泛应用于各种电容式传感器特别是MEMS传感器中。模块化结构,数字输出接口和高分辨率等特点可使传感器测试电路的搭建变得非常方便快捷。另外,若将MEMS传感器表头同ASIC混合封装可进一步减少电路连线、减小电路体积、提高电路的抗干扰能力,从而组合成高性能的集成化传感器2测试数据如表3。对测试数据进行最小二乘法拟合,拟合直线的斜率即为测量电路的刻度因子,残差序列均方根(RMS)值即为电路的分辨率,分辨率与满量程的百分比即为电路的非线性度1,4,5。电路性能参数如表4。采取屏蔽措施后电路的分辨率达0.5fF,接近该款ASIC的理论最小分辨率0.16fF;灵敏度误差1.10%;非线性度8.6

17、7%,电路性能非常优异(见图7)。由此亦验证,电路中的杂散电容虽然会影响单个测量值的准确性,但对电路整体性能并无太大影响。表3测试数据Cx标称值C标定值屏蔽前输出屏蔽后输出理论输出。文献参考1蒋庆华,苑伟政,常洪龙,等.电容式微机械惯性传感器信号检测技术研究J.中国机械工程,2005,7(增刊):384386.2GilbertJR,BartSF,RomanowiczBF.DesignofintegratedsystemsincludingMEMSandASICSA.EleventhAnnualIEEEInternationalASICConferenceProceedingsC,IEEE,1998,383386.3GEMACInc.HT133evaluationcircuitforcapacitivesensorsZ.2004,http:www.gemac2chemnitz.de.4李万玉,阮爱武,罗晋生.硅微机械陀螺的接口检测技pF10132027pF-0.0498-0.0354-0.0153-0.0049V1.93192.05362.20252.27692.47692.48132.48882.4937V2.21822.30332.41802.5480V2.1