基于電容檢測芯片的電容檢測系統設計

摘要：針對電容式傳感器研發(fā)過(guò)程中缺乏有效的微小電容檢測儀器的問(wèn)題，設計了一種基于電容檢測芯片MS31lO的電容式傳感器檢測系統，給出了系統的硬件設計以及單片機和上位機部分的軟件設計，并對系統的檢測精度進(jìn)行了測試。結果證明，該系統具有較高的檢測精度。
關(guān)鍵詞：電容式傳感器；檢測；MS3110

引言
電容式傳感器一般是將被測量的變化量轉換為電容量的變化。目前，基于這種原理的各種類(lèi)型的傳感器已在測量加速度、液位、幾何孔徑等方面得到了廣泛的應用。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。這便對電容檢測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設備對傳感器進(jìn)行測試與調校。但是一直以來(lái)國內外都缺乏能夠對微小電容進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的專(zhuān)用儀器，普遍的做法是針對所研發(fā)的傳感器自行設計、制做專(zhuān)門(mén)的電容檢測電路，這無(wú)疑增加了傳感器設計的難度與工作量。針對這一問(wèn)題，我們設計了通用的電容式傳感器檢測系統。該系統能夠對微小電容進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并可以通過(guò)上位機實(shí)現實(shí)時(shí)顯示、存儲等功能。

1 總體設計
電容式傳感器的檢測方法主要有：設計專(zhuān)用ASIC芯片；使用分立元件通過(guò)電容橋、頻率測量等原理實(shí)現測量；使用通用電容檢測芯片將電容轉換為電壓或其他量等。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮，本系統采用集成電容檢測芯片來(lái)完成對電容式傳感器的檢測。系統結構框圖如圖1所示。電容檢測芯片選用Irvine Sensor公司的MS3110。MS3110將電容量轉換為電壓量輸出(量程為0～10 pF)。單片機MSP430F149集成的12位A／D轉換器對輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過(guò)I／O端口對MS3110內部寄存器進(jìn)行設置。數據經(jīng)采樣后通過(guò)串口傳送到上位機進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)顯示、存儲等。上位機由普通微機構成。

2 系統硬件設計
2．1 MS3110簡(jiǎn)介及寄存器設置
MS3110是Irvine Sensor公司生產(chǎn)的具有極低噪聲的通用電容檢測芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V，測量靈敏度為，集成的補償電容等參數均可以通過(guò)寄存器控制。其基本測量原理為：對被測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、放大等將被測電容與參考電容差值轉換為電壓輸出。MS3110內含一個(gè)60位的寄存器和100位的EEPROM?？赏ㄟ^(guò)單片機MSP430F149的I／0口對其EEFROM編程，或使MS3110工作在測試狀態(tài)直接對寄存器進(jìn)行編程。通過(guò)這些設置可對MS3110內部各個(gè)模塊的參數進(jìn)行精確的調節。
MS3110原理框圖如圖2所示。MS3110主要由電容補償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運算放大器組成。

其中，CSlIN、CS2IN為被檢測電容，CSl、CS2為MS3110內部的可調電容。通過(guò)對內部寄存器進(jìn)行設置，CS1可在O～1．197 pF范圍內調節，CS2可在0～9．709pF范圍內調節。CF為電荷積分器的積分電容，可在O～19．437 pF范圍內調節。以上3個(gè)可調節電容的調節步進(jìn)均為19 fF。低通濾波器的帶寬可在O．5～8 kHz范圍內調節，可調增益GAIN可選擇2或4。