基于FPGA的数字式电容检测系统

　　加速度传感器是测量加速度的惯性传感器, 在汽车[ 1] 、航空航天、军事、工业、医疗等领域有着极为广泛的应用。电容式微机电加速度传感器以其体积小、功耗低、线性度好等特点而备受关注。电容电压转换电路在很大程度上制约着电容式微机电加速度传感器的性能。目前电容-电压转换电路主要有开关电容积分和连续时间电荷放大两种[ 2-3] 。由于热噪声、开关引起的高频噪声等影响, 开关电容积分形式的电容电压转换电路噪声性能比较差。对于连续时间电荷放大式电容-电压转换电路, 存在对载波信号进行调制-解调的过程, 因此载波信号产生以及解调电路中噪声抑制的能力在很大程度上决定了电容-电压转换电路的精度。采用数字式电容检测系统不容易受到外界因素的影响, 载波稳定度高, 并且信号解调时除数字量化引起的误差外[ 4] , 不会引入额外的噪声, 因此比模拟系统有更高的稳定性和精度。

　　本文讨论了一种新的采用FPGA 实现的数字解调型电容检测系统, 它具有高灵敏度, 高稳定性的特点。该系统采用了CORDIC 算法, 无需使用正弦波型表即可实现正弦信号的产生和解调, 大量节省FPGA 内部资源, 降低系统实现的成本。

　　1 连续积分型电容检测原理

　　连续电容积分型电容检测电路由两个主要部分组成, 电荷放大部分和信号解调部分。电荷放大部分的作用实际上就是将待测电容的值( 或者待测差分电容的差值) 调制到载波信号的幅度上。电荷放大部分电路如图1 所示。当运算放大器的反馈电阻够大时, 可近似得到电路方程:

　　由式( 6) 可以看出, 电荷放大模块的输出电压正比于待测差分电容的差值。

　　2 数字式差分电容检测系统

　　图2 为数字式电容检测系统的框图。数字式差分电容检测系统包括载波信号产生部分, 电容-电压转换部分和调幅解调部分。其中载波信号产生和调幅信号解调部分都由FPGA 内部的数字电路完成,电容-电压转换部分由模拟电路完成, 数字系统与模拟系统的接口使用AD, DA 芯片实现。在本系统中由数字部分产生正弦信号由14 bitDA 转换为模拟电压信号作为电荷放大电路的载波, 该载波施加到差分电容的中间电极上。当待检测的差分电容发生变化, 即两个电容大小差值不为0, 电荷放大电路将差分电容变化信号调制到载波信号的幅度上。该调制信号经过放大后通过12 bitDA 转换为数字信号输入FPGA 中, 在FPGA 中使用数字方式对该信号进行解调之后, 通过数字接口将电容差值输出。

　　利用CORDIC 算法[ 5] 可以实现数字电路产生高稳定度的正弦载波信号[ 6] , 并且对电容电压转换模块输出的调幅信号进行互相关解调。根据CORDIC 算法的原理[ 7] , FPGA 中可以产生的数字信号为: