基于MS3110的差分电容检测方法研究及其电磁兼容性设计

2008年 第5期

仪表技术与传感器

Instrument Technique and Sensor2008 No 5

基于MS3110的差分电容检测方法研究及其电磁兼容性设计

徐 平,张 勇,侯占强,江 平

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(1.海军电磁兼容研究检测中心,上海 200235;2.国防科学技术大学,湖南长沙 410073)

摘要:介绍了电容检测芯片MS3110的内部结构与基本原理,设计了MS3110的参数设置电路与程序,并利用MS3110设计了某插齿式电容微加速度计的信号检测电路,并对检测电路的电磁兼容性进行了专门设计,在转台上对该微加速度计的性能进行了测试,测试结果表明:该微加速度计的测量线性度为1 3%,刻度因子为0 185V/g.关键词:微加速度计;微机电系统;电磁兼容性;调制;解调

中图分类号:Z62 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)05-0060-02

ResearchonDetectionofDifferential

CapacitanceBasedonMS3110andEMCDesign

XUPing1,ZHANGYong1,HOUZhan-qiang2,JIANGPing2

(1.EMCResearchandMeasurementCenterofNavy,Shanghai200235,China;

2.NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract:MS3110isauniversalcapacitivereadoutIC,anditsconfigurationandoperatingprinciplewereintroduced.Thecircuitandprogramforsettingitsparametersweredesigned,andadetectioncircuitforacapacitivecombmicroaccelerometerwasdesignedusingMS3110,andEMCdesignwasmadeforthedetectioncircuit.Theperformanceofthismicroaccelerometerwastes-tedonarotatingfloor,andthetestresultshowsthatthemeasuringlinearityofthemicroaccelerometeris1 3%andthescalefactoris0 185V/g.

Keywords:microaccelerometer;MEMS;EMC;modulation;demodulation0 引言

MEMS传感器(如微加速度计、微陀螺)的输出电容变化量非常微弱,往往只有几或几十fF,这对电容检测电路的分辨率提出了较高的要求。电容检测电路的设计是MEMS传感器设计中的主要问题之一。

目前,国外研究者通常自己设计MEMS传感器电容接口电路的专用集成芯片,该方法的主要缺点是芯片设计制造周期长,价格昂贵。国内大多采用分立元件搭建电容检测电路,干扰与噪声大,信噪比低,增大了检测电路的设计难度[1]。MS3110是具有极低噪声的通用电容读出接口芯片,采用CMOS工艺,功耗低,工作电压为+5V,测量灵敏度为4 00aF/H2,电容参数可以编程控制。采用MS3110设计MEMS传感器的电容检测电路将极大提高电路的设计效率与检测性能,尤其适合电容式MEMS传感器的初期性能测试实验。1 MS3110工作原理

1 1 MS3110内部构成以及检测原理

MS3110的原理框图如图1所示,MS3110主要由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持器、低通滤波以及放大器组成。C1in、C2in为被检测电容,C1、C2为MS3110芯片内部的可调补偿电容,用于调节由于输入电容的不对称而引Cf为电荷积分器的积分电容,S/H为器,为低通滤波器,Gain为可调增益环节。

基金项目:国家自然科学基金资助:(50375154)

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图1 MS3110的原理框图

MS3110采用调制解调的电容检测方法。MS3110芯片内部能够产生2路幅值相同、相位相反的方波信号作为输出电容的载波信号,实现对电容变化的调制,调制信号通过电荷积分器将电容变化转换为电压变化,采样保持电路对调制信号进行解调,经过低通滤波、增益放大就得到与电容差成正比的电压信号。

设芯片内部产生的方波信号幅值为A、频率为 ,它的傅里叶级数为

Vm(t)=

4A11

(sin t+sin3 t+sin5 t+ )35

Vc=kc C Vm

式中:kc为电荷放大器的增益系数; C为检测电容差。

采样保持电路的采样频率也为 ,它的工作原理可以等效为用幅值为1、频率为 的方波信号与电荷积分器的输出信号,(1)

电荷积分器的输出信号为

(2)

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