基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究

　　1　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10-15F,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ASICHT133,通过印刷电路板(PCB)搭建了一种微小电容测量电路。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0.5 fF,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。

　　2　ASIC工作原理

　　2.1　HT133内部工作原理[3]

　　传感器输出端的差动电容C_S1和CS2串联接在ASIC的输入管脚C₁、C_M和C₂上。ASIC内部产生一对幅值为VR的等频反相载波加在C_S1和C_S2两端。通过内部采样保持电路,将C_S1与CS2的电容差ΔC转换为模拟电压V_out由A_out管脚输出。测得V_out由式(1)或式(2)即可算出相应的电容差ΔC。若使能数字输出,ASIC启动内部的模数转换器(ADC),将V_out转换成12位并行数字输出值D_out由D₀~D₁₁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V_out和电容差值ΔC。

　　ASIC有模拟、数字两种输出接口,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。

　　2.2　ASIC的输出

　　(1)模拟信号输出模式:

　　偏置调节模式

　　载波电压和电源电压一般取5 V,载波频率可通过REXT管脚上连接的电阻来控制。ASIC的测量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40 pF。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。

　　3　测量电路设计

　　3.1　测量电路基本原理

　　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。

　　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。