基于電容檢測(cè)芯片的電容檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電容式傳感器研發(fā)過(guò)程中缺乏有效的微小電容檢測(cè)儀器的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于電容檢測(cè)芯片MS31lO的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及單片機(jī)和上位機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度。
關(guān)鍵詞：電容式傳感器；檢測(cè)；MS3110

引言
電容式傳感器一般是將被測(cè)量的變化量轉(zhuǎn)換為電容量的變化。目前，基于這種原理的各種類型的傳感器已在測(cè)量加速度、液位、幾何孔徑等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但以電容為變化量的傳感器(尤其是MEMS傳感器)，其電容變化范同往往只有幾個(gè)pF，甚至幾個(gè)fF。這便對(duì)電容檢測(cè)的精度提出了很高的要求，尤其是在傳感器的研發(fā)過(guò)程中，往往需要極高精度的電容檢測(cè)設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試與調(diào)校。但是一直以來(lái)國(guó)內(nèi)外都缺乏能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的專用儀器，普遍的做法是針對(duì)所研發(fā)的傳感器自行設(shè)計(jì)、制做專門(mén)的電容檢測(cè)電路，這無(wú)疑增加了傳感器設(shè)計(jì)的難度與工作量。針對(duì)這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了通用的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能。

1 總體設(shè)計(jì)
電容式傳感器的檢測(cè)方法主要有：設(shè)計(jì)專用ASIC芯片；使用分立元件通過(guò)電容橋、頻率測(cè)量等原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量；使用通用電容檢測(cè)芯片將電容轉(zhuǎn)換為電壓或其他量等。從技術(shù)難度、測(cè)量精度等多方面考慮，本系統(tǒng)采用集成電容檢測(cè)芯片來(lái)完成對(duì)電容式傳感器的檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電容檢測(cè)芯片選用Irvine Sensor公司的MS3110。MS3110將電容量轉(zhuǎn)換為電壓量輸出(量程為0～10 pF)。單片機(jī)MSP430F149集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過(guò)I／O端口對(duì)MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)經(jīng)采樣后通過(guò)串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等。上位機(jī)由普通微機(jī)構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 MS3110簡(jiǎn)介及寄存器設(shè)置
MS3110是Irvine Sensor公司生產(chǎn)的具有極低噪聲的通用電容檢測(cè)芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V，測(cè)量靈敏度為，集成的補(bǔ)償電容等參數(shù)均可以通過(guò)寄存器控制。其基本測(cè)量原理為：對(duì)被測(cè)電容與參考電容同時(shí)以相反時(shí)序充放電，通過(guò)電流積分、低通濾波、放大等將被測(cè)電容與參考電容差值轉(zhuǎn)換為電壓輸出。MS3110內(nèi)含一個(gè)60位的寄存器和100位的EEPROM?？赏ㄟ^(guò)單片機(jī)MSP430F149的I／0口對(duì)其EEFROM編程，或使MS3110工作在測(cè)試狀態(tài)直接對(duì)寄存器進(jìn)行編程。通過(guò)這些設(shè)置可對(duì)MS3110內(nèi)部各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。
MS3110原理框圖如圖2所示。MS3110主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運(yùn)算放大器組成。

其中，CSlIN、CS2IN為被檢測(cè)電容，CSl、CS2為MS3110內(nèi)部的可調(diào)電容。通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CS1可在O～1．197 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，CS2可在0～9．709pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。CF為電荷積分器的積分電容，可在O～19．437 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。以上3個(gè)可調(diào)節(jié)電容的調(diào)節(jié)步進(jìn)均為19 fF。低通濾波器的帶寬可在O．5～8 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可調(diào)增益GAIN可選擇2或4。