高精度微弱电容检测系统的设计_张印强

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1、计算机测量与控制．２０１２．２０（１２）自动化测试技术ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ·３２０７·文章编号：１６７１－４５９８（２０１２）１２－３２０７－０３中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ高精度微弱电容检测系统的设计张印强，杨道业（南京工业大学自动化与电气工程学院，南京２１０００９）摘要：针对微弱电容信号的检测问题，提出了一种基于ＦＰＧＡ和数字解调的高精度微弱电容检测系

2、统；通过硬件设计和软件设计，实现了由电源电路、Ｃ／Ｖ转换电路、ＦＰＧＡ电路、Ａ／Ｄ转换电路等组成的高精度电容检测系统；阐述了利用载波调制进行微弱电容检测的原理和系统硬件电路的实现方案，并给出了基于ｃｏｒｄｉｃ算法的载波生成、数字解调和ＡＤ采样控制在ＦＰＧＡ中的具体实现；实际运行表明，该检测系统的电容检测分辨率可达到５ｆＦ，具有精度高及抗干扰能力强等优点。关键词：微弱电容检测；数字解调；ＡＤ７７６７；ＦＰＧＡ；ＣＯＲＤＩＣ算法ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒ

3、ＷｅａｋＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＺｈａｎｇＹｉｎｑｉａｎｇ，ＹａｎｇＤａｏｙｅ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｗｅａｋｓｉｇｎａｌｉｎｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｍｉｃｒｏｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｎｄｄｉｇｉｔａｌ

4、ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ａｋｉｎｄｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｏｍ－ｐｏｓｅｄｏｆｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ／ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ＦＰＧＡａｎｄＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｗｅａｋｃａｐａｃｉ－ｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｃａｒｒ

5、ｉｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃａｒｒｉｅｒｓｉｇｎａｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＯＲＤＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｄｉｇｉｔａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅＡＤｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｃａｐａｃ－ｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓ５ｆＦａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔ

6、ｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ＦＰＧＡ；ＡＤＳ１２７８；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＣＯＲＤＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ０引言电容传感器广泛用于多种检测系统，可测量浓度、压力、［１］。在角速度、加速度等物理量，其测量精度高，响应速度快硅微惯性器件中，常采用电容传感器来检测加速度和角速度。通常情况下其检测电容在１０－１２Ｆ，检测电容的变化范围为－１５１０Ｆ级，有用输出信号非常微弱，如何提高测量灵敏度和［２］。目前

7、常用的微弱信号检测信噪比成为微弱电容检测的关键方法主要有直流充／放电法、交流法、有源差分法、高压交流图１变间距式梳齿电容结构图［３］。本系统利用载波调制和相敏解双边激励法及相干检测法等为ｈ，重叠部分长度为ｌ０，重叠面积Ａ为ｈ×ｌ０，初始距离为调实现微弱电容的检测。ｄ０，介质常数ε，则电容计算表达式为：本文讨论了一种采用ＦＰＧＡ实现的数字解调型高精度微ｚＡｚｈｌ０弱电容检测系统，它具有载波稳定度高、抗干扰性强及精度高Ｃ０＝＝（１）ｄ０ｄ０的特点。该系统利用ＣＯＲＤＩＣ算法实现载波信号的生成，数当质量块沿

8、垂直方向移动位移Δｄ时，Ｃ１的电容随Δｄ的字解调的误差小，比传统的模拟检测系统有更高的稳定性和减小而增大，Ｃ２的电容随Δｄ的增大而减小。当Δｄ／ｄ０远小精度。于１时，电容的变化量为：１硅微惯性器件的电容结构１１硅微惯性器件的电容结构形式一般分为平板式与梳齿电容烄－烌Δｄ（２）ΔＣ＝Ｃ０ΔｄΔｄ≈２Ｃ０１－１＋ｄ０式，由于梳齿电容的静态电容比平板电容要大几倍至十几倍，烆ｄ０ｄ０烎其应用较多。２电容检测系统的整体结构图１为变间距式差动梳齿示意图，可动质量块的