基于FPGA的硅电容传感器调理模块设计.pdf

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1、20102010仨仪表技术与传感器第l0期InstrumentTechniqueandSensorNo．1O基于FPGA的硅电容传感器调理模块设计庞士信，王超，匡石(1．沈阳工业大学，辽宁沈阳110870；2．沈阳仪表科学研究院，辽宁沈阳110043)摘要：差动式硅电容传感器应用广泛，对差动电容信号的检测调理至关重要。文中以FPGA芯片为核心，其产生的正弦载波信号用于调制差动电容信号的变化，已调信号再次输入FPGA进行互相关解调及数字滤波后，得到反映差动电容变化的电容差信号，然后经非线性补偿，可以输出非线性度小于0．1％的数字信号。这样避免了采用模拟电路容易受

2、到外界干扰，且提高了动态检测的速度和非线性补偿的精度。关键词：差动电容；FPGA；调理模块；非线性中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002—1841(2010)10—0001—02DesignofSiliconCapacitiveSensorsConditioningModuleBased0nFPGAPANGShi—xin，WANGChao，KUANGShi(1．ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870，China；2．ShenyangAcademyofInstrumentationScience

3、，Shenyang110043，China)Abstract：Withdifferentialsiliconcapacitancesensoriswidelyusedinindustries，SOthedetectionandconditioningofthedif-ferentialcapacitancesignalisessentia1．ThispapertookFPGAchipasthecore，itproducedasinusoidalcarriersignaltomodulatethechangingofdifferentialcapacitance

4、signa1．Modulatedsignalre—entertheFPGAandgotthecapacitancedifferenceofreflectingchangeofthedifferentialcapacitancebycross—correlationdemodulatinganddigitalfiltering．Then，afterthedifferentialcapacitancesignalbynon—linearcompensation．itcanoutputnonlineardigitalsignalwhichwaslessthan0．1

5、％．SOitcanavoidthesituationoftheuseofanalogcircuitsvulnerabletoexternaldisturbances，andimprovethedetectionrateandnonlineardynamiccompensationaccuracy·Keywords：differentialcapacitance；FPGA；conditioningmodule；nonlinearity0引言差动电容式压力传感器具有灵敏度高、稳定性好，以及非线性、可靠性高等性能，同时还具有成本低、配套性好、适合批量生产等一系列特性

6、。另外，硅电容传感器是具有完全自主知识产权的民族品牌⋯。该传感器在航空航天、军事、工业、医疗等领域应用极为广泛，特别适合在线动态检查、测量，因此对小电容信号检测调理显得极其重要。其中包括电容电压转换电路和非线性补偿电路，常用的电容电压转换电路主要有开关电图1系统结构框图容积分和连续时间电荷放大电路2种。开关电容积分电路1模拟调制电路由于容易产生热噪声和高频噪声，其转换性能差。虽然电荷放模拟调制电路采用连续积分型电容检测电路，该部分主要大电路没有上述缺点，但在转换过程中需要对载波信号进行调是电荷放大电路，将硅电容传感器实时变化的差动电容信号调制解调，消除载波产生

7、电路和调制解调电路产生的噪声及非线制到正弦载波的幅度上，其电路如图2所示。性影响尤为重要。当放大器的反馈电阻R很大(R=10Mn)、C：5时，理文中讨论了采用基于FPGA为核心的调理模块，该模块分想运放理想效果很好。因此，可以得到输出电压的方程：为电容电压模拟转换调制电路和数字调制解调及非线性补偿2T，CL一~in·C部分。在FPGA中，采用CORDIC算法产生正弦载波信号，对信=‘(1)HIul号进行解调和非线性补偿等，这样就消除了外界因素的影响，提高了系统稳定性，并且信号解调时除数字量化引起的误差uf(2)外，不会引人额外的噪声J，因此该模块比模拟系统有更

8、高的式中：C、C分别为差动电容低压和高