基于CPLD和TDC的微电容传感器信号检测电路设计.pdf

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1、84传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第31卷第1l期基于CPLD和TDC的微电容传感器信号检测电路设计熊丽霞，江桥，杜晓松，周云，吕坚(电子科技大学光电信息学院。四川成都610054)摘要：针对电容传感器的工作原理，以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心，采用基于时间数字转换器(TDC)技术的芯片PS021，设计了一种高精度的微小电容测量电路。给出了PS021的测量原理和电路的软、硬件设计。采用PS021结合CPLD采集处理电容信号，外围电路简洁，应用方便，软件设计通过对PS021内部可编程寄存器的合理设置实现

2、高精度的测量。实验结果表明：电路在l0Hz刷新频率时能够达到8aF的有效精度，最高刷新频率可达50kHz；电路实现了1fF~0．01aF的分辨率，有效精度位(ENOB)可达22位；高精度高刷新率可缓和测量速度和分辨率的矛盾，提高了微小电容的测量精度。关键词：复杂可编程逻辑器件；时间数字转换器；微小电容；电容传感器；PS021中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)11-0084-03DesignofdetectingcircuitforsignalofmicrocapacitancesensorbasedonCPLD＆TDCXIONGLi·x

3、ia，JIANGQiao，DUXiao—song，ZHOUYun，LOJian(SchoolofOptoelectronicInformation，StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China)Abstract：Aimingattheworkprincipleofcapacitivesensor，ahigh—precisiondetectingcircuitformi

4、cro—capacitancemeasurementusingcomplexprogrammablelogicdevice(CPLD)isascore，PS021isused，basedontimetodigitalconverter(TDC)technology．ThemeasurementprincipleofPS021，thedesignofcircuithardwareandsoftwarearepresented．PS021andCPLDareusedtoprocessthecapacitancesigna1．Itmakesthecircuitsimpleandeas

5、ytoapplication．BysettingtheinternalregistersofPS021throughsoftware，highprecisionmeasurementisachieved．Theexperimentalresultsshowthatthecircuithasagoodperformancewithresolutionof8aFin10Hzupdaterate，thehighestupdateratecanbeupto50kHz，theresolutionrangeslfF～0．01aF，andtheeffectivenumberofprecisi

6、onbits(ENOB)isupto22bits．Thehighprecisionandhighupdateratecaneasethecontradictionbetweenmeasurementspeedandresolution．Andthedesignimprovesthemeasurementprecisionofmicrocapacitance．Keywords：CPLD；TDC；microcapacitance；capacitivesensor；PS0210引言发展的瓶颈。电容式传感器通过电容变化来表征输入信号的大小，目前，国内外在测量l0pF以下的电容方面都存在

7、很目前已在多个领域得到广泛应用。它具有结构简单、温度大的困难，电容式MEMS传感器的测量电路主要有2种形稳定好、分辨率高、动态响应好，并能在高温、辐射和强烈式，一种是采用传统分离元件搭建的测量电路；另一种振动等恶劣条件下工作的优点。随着微机电系统(MEMS)是采用微电子工艺制作的专用集成电路(ASIC)。目前，技术的不断发展，器件尺寸越来越小的趋势非常明显，其输所采用大部分测量方法集成化水平低、精度低。如电桥法出电容(1fF～10pF)也随着尺寸的减小而减小，电容式利用电桥平衡原理测量电容，