高精度低转换时间的电容式传感器信号处理系统的设计---文献翻译.doc

文献翻译 高精度低转换时间的电容式传感器信号处理系统的设计 摘要 本文介绍了一种电容式传感器的信号处理系统的设计，它可以把电容变化转换成具有精度高转换时间短的数字信号输出。该系统包括电流传输器，模拟开关，电流源，A/D转换和32位ARM。数字读出范围从0000到FFFF,相应的电容变化范围从0到2pF。由于拟议系统的功能，随传感器的电容变化数字读数增益可自动校准。失调电压和寄生电容的影响可以消除。因此，数字读出随传感器的电容变化表现出精度高的关系。转换时间和最大非线性度分别小于百万分之100秒和24ppm。 关键词：电容式传感器；实时测量；电流传输器；ARM 1.简介 随着微加工技术的进步和微传感器的快速发展，电容式传感器正变得越来越受欢迎。他们在测量系统中有很多应用，如加速度计[1]，陀螺仪[2]，位移传感[3]等，相较于其他感应原理，电容式感应在传感器应用中有许多优点。首先，电容传感的简单性和它与标准IC工艺技术的兼容性使它在设计和制造方面有很大的灵活性。其次，传感输出可多次重复,传感器的性能更不易随时间而变化。最后，电容传感有很高的灵敏度，且有较强的抗温度变化能力。 电容式传感器信号处理系统的一些实现可以在文献中找到。最常用的测量系统是基于一个一阶开关电容的弛张振荡器[4,5]。这种测量方法被称为三信号技术[6-9]。电容相关的频率输出由一个微控制器测量，它可以自动校准偏置和得到该测量界面。然而，这项技术包含一个耗时的过程，这是不适合实时控制目的的，因而适用性是有限的。此外，这项技术受很多方面的影响，如寄生电容，开关时钟馈通，振荡器的噪声和量化噪声[10]。基于振幅调制/解调技术的电容电压转换器[11]能够检测出信号频率变化范围从直流到10KHZ的电容变化。然而，这种转换器增益取决于信号频率和由漂移和噪声干扰造成的输出电压偏移。因此，这种方法的电容测量准确度是有限的。 拟议的信号处理系统生成的数字读数与电容式传感器的电容变化成正比，该系统包括高速比较器，电流传输器，差分放大器，模拟开关，电流源，A/D转换器和32位ARM，这是一个结构紧凑和低成本的处理器。电流传输器[12]具有较高的带宽和良好抗噪声能力，因此，他们经常在有常规运算放大器的地方使用。由于差分检测装置的设定，失调电压和寄生电容的影响可以被拟议信号处理系统消除掉。此外，随传感器电容变化的数字读数的增益可自动进行校准。因此，电容的变化可以被用来进行精度高且转换时间短的测量。转换时间和最大非线性度分别小于百万分之100秒和24ppm。用测量微小间距的变化作为一个例子来测试拟议信号处理系统的性能。用实验和仿真结果来演示动态响应和静态特性。 2.整体功能介绍 拟议信号处理系统的功能框图如图1所示。它包括电容式传感器（＃1，＃2），接口电路设计和32位ARM。拟议的信号处理系统可以应用于不同类型的电容式传感器。为了验证其整体性能，我们通过它相近间距平行平面电极的变化对微小间距进行测量。这种电容式传感器是可以与MEMS技术实现[13]，图1中虚线所示。 图1系统的整体框图 如图1所示，两个电容式传感器的同一极性板（#1，#2）连在一起，然后接到电路中的地。其他接线端连接到拟议信号处理接口的输入端。电容式传感器（#1，#2）的电器模型包括相同的寄生电容CP。我们把电容式传感器＃1作为输入，而电容式传感器#2作为参考电容。因此， (1) (2) 其中(,),和分别是传感器（#1，#2）的传感电容，真空介电常数和相对介电常数。该真空介电常数等于。相对介电常数对大多数干燥的固体材料来说在2-10范围内。平面A区，标称空间和间距改变如图1所示。如果间距的变化非常小，由方程(1)和(2)可以得到 (3) 其中 (4) 传感器(#1，#2)的总电容()为 (5) (6) 拟议的信号处理系统可以对电容变化进行高精度的测量。由于标称电容已经给出，间距变比()可根据式(4)获得。寄生效应对电容cp影响很大，消除寄生效应是电容式传感器的信号处理系统设计的难点。 3.电容式传感器信号处理系统设计 拟议信号处理系统示意图如图2所示，其中的电容()分别是由方程(5)和(6)进行描述的。用电流传输器AD844作积分器，恒流由温度系数接近于零的LM334提供，恒流用来分别使的CTL=1，的CTL=0。控制通断状态的开关()由输出信号控制。电阻()被选择，这样 (7)