測控技術(shù)與儀器畢業(yè)論文范文——電容加速度傳感器測量電路設(shè)計

1、電容加速度傳感器測量電路設(shè)計摘要加速度傳感器也稱加速度計(accelerometer)是用來測量加速度的慣性傳感器 件，可以應(yīng)用于傾斜角、慣性力、沖擊及振動等慣性參數(shù)的測量。加速度傳感器在 慣性制導(dǎo)、醫(yī)療、消費類電子產(chǎn)品中有很廣泛的應(yīng)用。電容式加速度傳感器因為其高靈敏度和穩(wěn)定性在各種測量形式的加速度傳感 器中備受關(guān)注。而電容測量電路的性能乂直接影響加速度系統(tǒng)輸出性能，因此提高 電容測量電路的性能是加速度傳感器系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的部分。本文針對電容式加速度傳感器測量過程屮電容量變化較小的特點設(shè)計了微小 電容的測量電路。在這篇文章中，詳細的介紹了電容式傳感器的工作原理，建立了 差動電容式加速度傳感

2、器的數(shù)學(xué)模型，并對其作了特性分析，由給定的非線性誤差 可以求出質(zhì)量塊相對運動的最大量程，給出了電容式加速度傳感器測量電路的單元 電路模塊，如正弦信號發(fā)生電路、放大器電路、相敏解調(diào)電路、低通濾波電路。本 設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單，靈皺度高，輸出穩(wěn)定的優(yōu)點。關(guān)鍵字：加速度傳感器，電容式加速度傳感器，測量電路the measuring circuit of capacitive acceleration sensorabstractacceleration sensor, which also known as accelerometers (accelerometer) is used to measur

3、e the acceleration of the inertial sensor parts, can be applied to tilt angle, inertia, shock and vibration measurements of inertial parameters. acceleration sensors in inertial guidance, medical, consumer electronics products have very wide application.because of its high sensitivity and stability

4、in various forms of acceleration sensors, capacitive accelerometer in the detection of concern. the capacitance measuring circuit performance has a direct impact acceleration system output performance, so improving the performance of capacitance measurement circuit is acceleration sensor system for

5、a very important part.in this paper, capacitive acceleration sensor capacitance changes during the design of the tiny features of the smaller capacitance measurement circuit. in this article, describes in detail the working principle of capacitive sensors, the establishment of a differential capacit

6、ive acceleration sensor model and its characteristics were analyzed by a given nonlinear error can be calculated relative motion of the largest mass range. measuring circuit capacitive acceleration sensor unit circuit module is presented, such as the sinusoidal signal circuits, amplifier circuits, p

7、hase sensitive demodulation circuit, low-pass filter circuit. this design has a simple structure, high sensitivity, output stability advantages.keyword： accelerometer, capacitive accelerometer, measurement circuit1 緒論11. 1本課題研究背景11. 2本課題研究的目的和意義12 電容式加速度傳感器32. 1電容式加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用32. 2電容式加速度傳感器的分類32.

8、2. 1變面積式電容結(jié)構(gòu) 42. 2.2變間距式電容結(jié)構(gòu)52.3電容式加速度傳感器的工作原理62. 4電容式加速度傳感器的差動電容計算及特性分析103電容式加速度傳感器測量電路的設(shè)計 123. 1電容式加速度傳感器測量電路的發(fā)展現(xiàn)狀123. 2電容式加速度傳感器測量電路的設(shè)計 153.2.1正弦信號發(fā)生器電路設(shè)計163.2.2 放大器電路設(shè)計183.2.3相敏解調(diào)電路設(shè)計203.2.4 低通濾波電路設(shè)計214 仿真結(jié)果234. 1仿真軟件介紹234. 2部分電路仿真結(jié)果274. 2.1正弦信號發(fā)生電路仿真結(jié)果274. 2.2放大器電路仿真結(jié)果274. 2.3低通濾波電路仿真結(jié)果275 總結(jié)29

9、參考文獻30致謝321緒論1. 1本課題研究背景在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)及國民經(jīng)濟的各部門屮，經(jīng)常需要測量 各種參數(shù)和物理量，獲取被測對象的定量信息，以便進行監(jiān)視和控制，使設(shè)備或系 統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，并保證生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟及高質(zhì)量。在現(xiàn)代科學(xué)研究和新產(chǎn) 品設(shè)計中，為了掌握事物的規(guī)律性，人們必須測試許多參數(shù)，用以檢驗是否符合預(yù) 期要求和事物的客觀規(guī)律性。在被測物理量中，非電量占了絕大部分，例如壓力、溫度、濕度、流量、液位、 力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、振幅等等。非電量測量可以通過各種對應(yīng)的敏感 元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成與z有對應(yīng)關(guān)系的屯壓、屯流等，而后再通過對屯壓、 電流的測量，得

10、到被測物理量的大小。傳感技術(shù)的發(fā)展為這類測量提供了新的方法 和途徑2】。電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一 個具有可變參數(shù)的電容器。和其它傳感器相比，電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、 動態(tài)響應(yīng)好、分辨力高、工作可靠、易實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點，并 能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。電容傳感器廣泛的應(yīng)用于多種測 量系統(tǒng)中，用以測量諸如液位、壓力、位移、加速度等物理量。電容式傳感器也存在不足之處，比如輸岀阻抗高、負(fù)載能力差、寄生電容影響 大等。上述不足直接導(dǎo)致其測量電路復(fù)雜的缺點。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)， 特別是集成電路的高

11、速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚，而它所存在的易受干 擾和分布電容影響等缺點不斷得以克服。電容式傳感器成為一種大有發(fā)展前途的傳 感器。1. 2本課題研究的目的和意義由于電容傳感器的廣泛采用，不可避免地要涉及到電容的測量問題。它與對感 應(yīng)信號的提取與非電量參數(shù)測量的成功與否有著密切關(guān)系。電容式傳感器將被測非電量信號變換成電容變化，但電容值不能直接用現(xiàn)有的 顯示儀器來顯示，更難于傳輸，必須借助測量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓、電流 或頻率信號，以便顯示、記錄和傳輸。對于電容/電壓轉(zhuǎn)換電路，如何將電容變化 量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為屯壓信號至關(guān)重要，它直接關(guān)系到后續(xù)測量的準(zhǔn)確性。在測量儀器設(shè)計過程中，往往由于體

12、積或測量環(huán)境的制約，電容傳感器電容的 變化量一般都較小，往往僅有幾個或幾十個皮法的大小，屬于微弱電容的測量x 在某些場合，例如電容層析成像系統(tǒng)中，傳感電容的變化量小至af級。在現(xiàn)階段 測量微小電容主要有以下幾方面的困難9110： ©雜散電容往往要比被測電容高的多, 且雜散電容會隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場分布及器件的選取等諸多因素而變化, 被測量常被淹沒在干擾信號中；測量電路一般要使用一定量的電子開關(guān)，但電子 開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量系統(tǒng)的影響難以消除；由于測量對象的快速多變性， 需要較高的數(shù)據(jù)采集速度，但采集速度和降低噪聲的矛盾難以解決，濾波器的存 在成為提高數(shù)據(jù)采集速度的瓶頸等問

13、題。因此，要考慮引線電容、電路設(shè)計的寄生 電容以及環(huán)境變化的影響等因素，使電容傳感器調(diào)理電路設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，并且由于 分立元件過多，也將影響電容的測量精度，j2o從工業(yè)角度而言，微小電容測量電路須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪 聲、抗雜散等要求。本課題要求設(shè)計一電容式加速度傳感器的測量電路，由于實際工程測量中電容 量的變化比較小，屬于微弱電容檢測，所以本設(shè)計應(yīng)用于微小電容測量。2電容式加速度傳感器2. 1電容式加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用近年來，傳感技術(shù)同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱， 特別是作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)的傳感技術(shù)更是飛躍式的發(fā)展。電容式傳 感器也得到了

14、極大的發(fā)展。特別是用于微電容測量的加速度傳感器，其中硅微加速 度傳感器發(fā)展極為迅速。微型加速度傳感器是一種十分重要的力學(xué)敏感傳感器，是微型慣性測量組合系 統(tǒng)（mimu）的重要基礎(chǔ)元件。人們很早就開始了對加速度傳感器結(jié)構(gòu)和制造技術(shù) 的研究。近年來mems技術(shù)的發(fā)展，使得微加速度傳感器和傳統(tǒng)的加速度傳感器 相比具有質(zhì)量小、體積小、功耗低、成木低、可靠性高等諸多優(yōu)點，因此它正逐步 取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。電容式微加速度傳感器是通過可動質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量 塊的相對位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過測量電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成 正比的電壓的變化。它是目前研究最多的一類加速度傳感器，

15、具有靈敏度高、直流 響應(yīng)和噪聲特性好、漂移低、低溫靈敏度好、功耗低等優(yōu)點。其主要結(jié)構(gòu)分為懸臂 擺片式和梳齒狀的折疊梁式，并變異成其它類型。懸臂擺片式結(jié)構(gòu)相對簡單些，制 作上也常用體硅加工方法，簡單的擺片式結(jié)構(gòu)由上、下固定極板和可動敏感硅懸臂 梁極板組成，用半導(dǎo)體平面工藝各向異性腐蝕，靜電鍵合技術(shù)封裝完成制作。梳齒 狀的折疊梁式結(jié)構(gòu)設(shè)計上要復(fù)雜得多，微加工方法則以表面犧牲層技術(shù)為主，多晶 硅材料的各向同性性質(zhì)可保證微機械性能的對稱性，批量加工精度高，且采用這種 結(jié)構(gòu)的敏感部分尺寸做得很小，易于實現(xiàn)與外圍電路的單片集成。硅微電容式微加 速度傳感器的靈敏度高、噪音低、漂移小，在汽車安全氣囊系統(tǒng)和防滑

16、系統(tǒng)獲取廣 泛應(yīng)用，安全氣囊系統(tǒng)檢測碰撞的微加速度傳感器的檢測范闔為±30-50g,精度 loomg,檢測側(cè)面碰撞人約為250g或500g,防滑穩(wěn)定系統(tǒng)的測量范圍±2g,精度 lomgo近年硅微電容式加速度計也被越來越多的應(yīng)用到手機，相機，存儲器等日 常用品中，使它的市場需求變得更大冋。2. 2電容式加速度傳感器的分類眾所周知，電容的計算公式為：其中，8o是真空介電常數(shù)（8.8542xlo l2f/m）, &為電容極板中間介質(zhì)的相對介電常 數(shù)a是極板重疊面積，d是兩個極板之間的距離。從式（21）可知，改變電容有三種方式:一是改變兩個極板的相對面積a；二 是改變極板間

17、距d；三是改變中間介質(zhì)的介電常數(shù)。就這三種方式來說，電容式加 速度傳感器通常采用變面積式和變間距式兩類網(wǎng)。2. 2.1變面積式電容結(jié)構(gòu)圖2.1所示是變面積式結(jié)構(gòu)，檢測電容的可動極板與可動質(zhì)量塊剛性連接，加 速度引起的慣性力使質(zhì)量塊發(fā)生一定位移，該位移引起檢測電容可動極板相對于固 定極板的水平位移x,從而導(dǎo)致電極相對面積發(fā)生變化，電容也隨之改變。這種結(jié) 構(gòu)的電容式加速度傳感器一般用于檢測橫向加速度（x軸或者y軸）。如圖2.1所示, 假設(shè)我們要檢測x軸方向的加速度，設(shè)計吋通常使可動電極在x方向的尺寸遠小于 y方向的尺寸。因為所檢測的加速度通常非常小，引起的質(zhì)量塊的位移通常在幾十 nm,可動電極的尺

18、寸小的話，可以獲得較高的靈敏度。設(shè)計中應(yīng)該注意y方向的 電極設(shè)計，保證在該方向有加速度作用時，極板面積不會發(fā)生變化。否則，就會對 檢測方向產(chǎn)生千擾，產(chǎn)生一定的交叉軸靈皺度。圖2.1沒有對這點進行說明。圖2.1變面積式電容結(jié)構(gòu)示意圖x假設(shè)圖2.1中可動極板與固定極板的尺寸都是a*b,極板間隙為d,則沒有加速度作用時，屯容為:(2-2)加速度作用下，可動極板發(fā)生水平位移為x（x軸方向），此時兩個極板的重疊面積變?yōu)閎*（a-x）,此時電容為:ba-x)(2-3)(2-4)d電容變化量為:¥可見電容變化量與可動極板位移成嚴(yán)格的線性關(guān)系。2. 2.2變間距式電容結(jié)構(gòu)圖2.2所示是變間距式電容結(jié)

19、構(gòu)，檢測電容的可動極板與敏感質(zhì)量塊剛性相連, 加速度引起的慣性力使質(zhì)量塊發(fā)生一定位移，該位移引起可動極板相對于固定極板 的豎直位移x,使檢測電容的極板間距從d變?yōu)閐x,從而電容發(fā)生改變。這種結(jié) 構(gòu)的加速度計一般用于檢測z軸（縱向）加速度。圖2.2變間距式電容結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2中，沒有加速度時，電容為：(2-5)當(dāng)可動極板在加速度作用下往下發(fā)生x位移吋，屯容變?yōu)?(2-6)電容變化量為：(11、ac = c co =£()£/ -d-x a)(2-7)當(dāng)xvvd時，將式(27)在x=0處進行泰勒級數(shù)展開，取一階近似，可得電容變化的近似表達式為：ac =(2-8)從上式可見電容

20、變化與可動極板的位移成正比。圖2.2所示是單邊電容檢測結(jié)構(gòu)，此外還有差分電容檢測結(jié)構(gòu)麗，見圖2.3。=7=t；+ic2i i 一 一it圖2.3變間距式差分電容檢測結(jié)構(gòu)采用與前面類似的計算方法，計算可知：d(2-9)2. 3電容式加速度傳感器的工作原理電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示，由圖可見，它實際上是變極 距差動電容位移傳感器，配接um-k-c-系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量塊4由兩根彈簧片3支撐 于殼體2內(nèi),質(zhì)量塊4的a面與上固定極板5組成的電容g以及質(zhì)量塊4的b面 與下固定極板1組成的電容c2。1 下固定極板;2殼體；3簧片;4-質(zhì)量塊；5上固定極板；6-絕緣體圖2.4電容式加速度傳感器

21、結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器的等效原理圖如圖2.5所示。圖2.5中，右側(cè)標(biāo)尺表示與大地保持相對靜止的運動參考點，稱為靜基準(zhǔn)，x表示被測振動體2及傳感器底座1相對于該參考點的位移，稱為絕對位移y表示質(zhì)量塊m相對于傳感器底座1的位移，稱為相對位移。x和y之間關(guān)系可用典型二階比常系數(shù)微分方程描述：d2ydt2+ 2eq()2d2x(2-10)式中：wo為自振角頻率，5二阿去£為阻尼系數(shù)，2曲c為空氣阻尼。而位移x,速度v,加速度a三者之間關(guān)系為:kcllax .+-2圖2.5系統(tǒng)原理圖dv drxci =山 dt2(2-11)代入式（210）得:啤+ 2叫型+必(2-12)dt2 0 dt

22、 °-經(jīng)過拉氏變換可得質(zhì)量塊相對運動的位移振幅ym與被測振動體絕對運動的加速度j(l-q2/e；)+ 2si ©)振幅師的關(guān)系為:(2-13)上式具有低通濾波特性。由此可見，當(dāng)<<0時，則:(2-14)傳感器殼體2的位移y與c,c2關(guān)系為:c c2 y(2-15)式中，do為不振動時，電容g和c2的初始極距。若差動電容接入圖2.6所示變壓 器式電橋中，則電橋開路輸出電壓幅值u。為：e-c2 = eym(2-16)2 c| + c° 2 d°將式(214)代入式(216)得:(2-17)可見，當(dāng)時，輸出電壓幅值uo與加速度幅值am成正比，測岀電

23、壓幅值5, 即可確定加速度幅值amor1ranc1<-text> :c2uo <text>圖2.6變壓器式電橋?qū)嶋H上，電容式傳感器并不是一個純電容。其完整的等效電路如圖2.7所示。 通常電容式傳感器的電容c (包括寄生電容)只有在環(huán)境溫度不高，濕度不大，電 源頻率適中條件下，才能看作是純電容。如果電源頻率較低或在高溫高濕的條件下 工作，極板間等效損耗電阻心就必須考慮。它包括極板間的泄漏電阻和極板間介 質(zhì)損耗。隨著電源頻率提高傳感器容抗減小，等效損耗電阻rp的影響減小。當(dāng)電 源頻率高至兆赫時，rp可以忽略，但電流集膚效應(yīng)使導(dǎo)體電阻增加。此時必須考慮 引線(傳輸電纜)的電感

24、和電阻，圖2.7中電感l(wèi)包括引線電感和電容電感之和； 電阻r由引線電阻、極板電阻和金屈支架電阻組成，這個值通常很小，它隨頻率 第9頁共32頁的增高而增大。供電電源頻率一般為諧振頻率的1/31/2,傳感器才能保證正常工 作。當(dāng)不考慮rp時，有!= j°l + - + rjcocej（oc（2-18）式中，ce傳感器的等效電容；q電源角頻率（=）。由于傳感器自身的電容量（包括寄牛電容）很小，電源頻率又很高（幾兆赫）, 故容抗（1/jc）很大，相比之下，電阻r的影響可忽略，則有c = c(2-19)(2-20)(2-21)1 + jo2lc -arlc對式（218）處理可得等效電容的相對變

25、化量為ace ac 1 - c -c（rlc電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)為aq/cd從式（219）和式（220）均可以得出如下結(jié)論：電容傳感器的有效靈敏度系 數(shù)與co2lc項有關(guān)，隨和l變化3。lr*<text> <tex-t>- rp.lc -<tex.t>. <text>圖2.7電容式傳感器的等效電路2. 4電容式加速度傳感器的差動電容計算及特性分析對于氣隙型電容傳感器，其電容值為c=es/d,電容式加速度傳感器的兩個電容，一個增加，一個減小。以圖2.6為例，因此電容總變化量為:令:ac = cj c2 =dx =(),xd=2es d2-ad

26、2(2-22)ac y 令：2c°ac x 則 j =這是電容相對增量與極距相對增量之間的關(guān)系方程式。若采用線性特性方程y=x, 如圖2.8所示，顯然其線性誤差較大。為此可采用線性特性方程y二(1+8)x,并使 其在最大量程xm處產(chǎn)生的正誤差aym及其xi在處產(chǎn)生的負(fù)誤差ay1在數(shù)值上相等, 即：(2-23)其中，*為某一正小數(shù)。因為原始方程與線性方程z差為:5)-2()1(1 += x3 £x2(1 + x)(2-24)xi點的位置可按：dx求得，西二阿即:則g-kf吃2_ £333一 (1 + £此2 -£32由式(2-23)可得1一和(2

27、-25)式（225）表示在滿足的條件下，£與xm的關(guān)系。設(shè)非線性相對誤差為i，則r = ym/ym =xm 0 xm )(2-26)將式（225）代入上式，經(jīng)整理得: 兀w = 2v/根據(jù)式（226）,可按給定的非線性誤差求最大量程，也可按給定的量程求最大的非線性誤差。例如選取0.01,則x滬0.2,即admax=0.2d-其特性分析曲線如圖2.8所示圖2.8 ac/coad/do特性分析曲線3電容式加速度傳感器測量電路的設(shè)計3. 1電容式加速度傳感器測量電路的發(fā)展現(xiàn)狀將加速度傳感器芯片與相應(yīng)的檢測電路相匹配才能構(gòu)成一個完整的加速度傳 感器系統(tǒng)。圖3為美國analog device公

28、司第一代加速度傳感器的檢測電路原理 圖。圖3.1美國ad公司第一代加速度傳感器檢測電路檢測電路包括了解調(diào)、反饋、測試等基本模塊，由于傳感器芯片的結(jié)構(gòu)部分采 用了 ic兼容工藝，能與相應(yīng)的處理電路集成在同一塊硅片上，實現(xiàn)了單片集成。 這種方式，有效地避免了外圍分布電容對信號的不利影響，而且能提高器件的抗干 擾能力和簡化器件的使用條件。此檢測電路的主要部分為同步解調(diào)電路，該部分電 路采用了乘法器同步解調(diào)的原理，能從敏感芯片輸出的信號中有效地解調(diào)出與加速 度信號相一致的電信號來。該系統(tǒng)的工作原理為：信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1mhz,幅度相同的兩路反相信 號，加到電容式加速度傳感器的兩個固定極板上。沒有加

29、速度信號吋，傳感器上下 電容值相同，中間極板上1mhz電壓信號幅度為零；當(dāng)有加速度信號作用時，電容 式傳感器中間極板發(fā)生位移，導(dǎo)致上下電容值出現(xiàn)偏差，在中間極板上岀現(xiàn)1mhz 的信號，該信號的相位由動極板移動的方向決定，幅度由動極板移動的幅度決定， 而動極板的移動方向和幅度取決于加速度信號的方向和幅度。動極板上的1mhz信號經(jīng)過高阻緩沖，輸入解調(diào)器進行解調(diào)，預(yù)放人電路對解 調(diào)后的低頻信號進行放大，然后反饋回mems傳感器的動極板，產(chǎn)牛靜電場力， 與動極板上受到的慣性力抵消，構(gòu)成一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)。由于傳感器動極板受到 的靜電場力與加在其上的電壓值成正比，慣性力與系統(tǒng)加速度成正比，所以動極板 第

30、13頁共32頁上的反饋控制電壓與系統(tǒng)受到的加速度成正比，實現(xiàn)了加速度信號到電壓信號的線 性變換叫開關(guān)屯容技術(shù)，將加速度傳感器等效電容變化信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的輸出。該 測量電路包括電荷放大器和采樣保持器,及控制cmos開關(guān)的時序，如圖3.2所示。 在檢測過程中，先將傳感器輸出的未知電容c|,c2充電至已知電壓然后再讓 其放電。充放電過程由一定時序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總是處于動態(tài)的充放 電過程。ci,q連續(xù)的放電脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。其后經(jīng)過采樣保持器, 得到輸出vc。整個檢測過程通過兩部分完成：®ck,=on,ck2=off, c|,c2 充電，電荷量為 vrefci-v

31、refc2； cf 放電，相當(dāng)于 cf復(fù)位。®ck2=on, ckloff, c|,c2放電，c1,c2±的電荷轉(zhuǎn)移到 cf上。采樣保持電路采樣并保持vc。根據(jù)電荷守恒定律有 呱（1亠壯2"2，從此 方程可以看出輸出電壓vc表征加速度差分電容的變化量。圖3.3中為差動脈寬調(diào)制電路來檢測加速度傳感器。該檢測電路的基本原理是 通過觸發(fā)器對電容的充放電，來調(diào)整電路輸出的脈沖寬度。c、c2為加速度傳感器 的差分電容；a|、a2為電壓比較器，參考電壓為ur； d|、d2為放電二極管，含q、q端的器件為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器皿2 目前，雖然國內(nèi)對加速度傳感器的研究比其它mems器件顯得

32、更加成熟，離 實用化的距離也相對要近些，但相比國際上已實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)化這一現(xiàn)實，仍然存 在較大差距，其中檢測電路的集成化研究是關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前我國在這方面的研 究主要集中在少數(shù)高校和科研所里面。3. 2電容式加速度傳感器測量電路的設(shè)計由于實際工程測量中電容量的變化比較小，屬于微弱電容檢測，所以本設(shè)計主 要應(yīng)用于微小電容檢測。電路的系統(tǒng)框圖如圖3.4所示圖3.4測量電路系統(tǒng)框圖3. 2.1正弦信號發(fā)生器電路設(shè)計本部分將介紹三個方面的內(nèi)容:載波類型的選擇、載波頻率的選擇和載波發(fā)生 器的設(shè)計。1. 載波類型的選擇采用調(diào)制解調(diào)型方案的電容檢測電路，無一例外地需要高頻載波。常見的載波 形式有正弦波和方

33、波，其中采用方波作為載波的居多。本次設(shè)計中采用正弦波作為 載波。眾所周知，方波可以展開成傅立葉級數(shù)，它可以看成許多止弦波信號的疊加。 假設(shè)方波的頻率為f,則其屮還包含2f、3f、4f.等頻率成分。檢測電路屮包含由 運放構(gòu)成的電荷放大器，它具有一定的帶寬。本來我們采用的載波頻率較高，則其 二次頻、三次頻等成分更高，運算放大器對這些頻率成分的增益是不一致的，甚至 可能相差很大，這樣經(jīng)過運算放大器后的信號就不再是嚴(yán)格的方波信號了。除了增 益的差異外，運算放大器對不同諧波成分的相位響應(yīng)也不一樣，反映在電路上，不 同諧波成分到達運算放大器輸出端的時間就有差異，導(dǎo)致疊加后的信號產(chǎn)生失真。 這種信號的失真必

34、然導(dǎo)致后面的相敏解調(diào)環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差，最終表現(xiàn)為測量的誤差。與方波相比，正弦波具有單一的頻率成分，可以根據(jù)其頻率選擇合適的運算放 大器，可以降低對運算放大器帶寬的要求。在檢測電路的相敏解調(diào)環(huán)節(jié)之前，可以 采用帶通濾波器，有效濾除載波頻率之外的頻率成分，有效抑制噪聲，提高分辨率。第16頁共32頁將方波和止弦波兩種載波類型的相關(guān)特性總結(jié)在表3.1。表3.1方波和正弦波作為載波的比較載波類型方波正弦波產(chǎn)生方法簡單復(fù)雜頻譜成分無限多，一般取10倍慕頻以上單一信號失真容易產(chǎn)生失真基本不失真對運放要求對運放頻率、增益帶寬積要求高對運放性能要求較高從以上分析可以看出，采用正弦波作為載波，與方波相比，利大于弊。因

35、此在 本次單路載波調(diào)制型檢測電路中，采用止弦波作為載波。2. 載波頻率的選擇選定了載波類型之后，接下去的問題就是載波頻率的選擇。載波頻率的選擇沒 有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，必須根據(jù)所檢測的電容大小和其它應(yīng)用需求而定。對于固定的檢測 電容，頻率越高，則其容抗越小。從這個角度來說，希望載波頻率越高越好。但是, 載波頻率的選擇述應(yīng)該考慮電路中使用的運算放大器的性能。頻率過高的話，將對 運算放大器的增益帶寬積、擺率等提出很高的要求。此外，頻率過高時，電路板上 寄生效應(yīng)的影響也變得更加顯著，將對所檢測的微弱信號造成較大影響。綜合考慮后，選定載波頻率為2khz。3. 載波發(fā)生器的設(shè)計選定了載波類型和載波頻率后，就可以

36、開始載波發(fā)生器的設(shè)計了。止弦波的產(chǎn) 生有許多不同的方法。第一種是采用石英晶體振蕩器作為選頻元件，這種電路頻率 精度高，穩(wěn)定性好。第二種方法是rc串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，比如常見的文氏振蕩電路。木設(shè) 計采用的就是這種方法。電路如圖3.5所示r4szbi： ：23(r5 1k ；vt ；4r6呂二c5<te<7> odllf->te<t><texrn>圖3.5穩(wěn)幅文氏橋振蕩電路電路如圖3.5所示穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運算放大器做放大元件的rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器。選r=240k歐姆，o330pf,則:12兀 x 240 x 10x 330燈0七=

37、2khz為實現(xiàn)自動穩(wěn)幅的目的，在運算放大器輸入端加上由心、r4和場效應(yīng)管vt組成可控負(fù)反饋電路。對場效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在uds較小時，它 的rds差不多隨柵源電壓vgs線性變化，宛如一只良好的壓控線性電阻，阻值可調(diào) 范圍約為400歐100兆歐，當(dāng)幅值較大時，rds應(yīng)自動增犬以加強負(fù)反饋，這個 作用由整流二極d，濾波電路r7、r6、c5及場效應(yīng)管vt組成。當(dāng)幅值較小時， c5上的電壓逐漸減小，導(dǎo)致rds下降，所以電路將自動在vt的其一柵源電壓下穩(wěn) 定下來，輸出幅值穩(wěn)定的止弦波電壓。調(diào)節(jié)r6可改變輸岀電壓的大小，一般將輸 出電壓調(diào)節(jié)在35v之間。3. 2.2放大器電路設(shè)計在許多檢測技

38、術(shù)應(yīng)用場合，傳感器輸出信號往往較弱，而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑 制能力以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上稱為差動放大器，如圖3.6所示。 差動放大器從電路結(jié)構(gòu)可知，這是一種同相并聯(lián)差動放人器，其對稱性結(jié)構(gòu)使整個1 +ki(3-1)(3-2)(3-3)整理得:(3-4)所以增益為：人 匕 （2凡）心 ,27? =-=1 + -亠=1 + (3-5)這種電路特點是性能穩(wěn)定，其漂移將大大減少具有高輸人阻抗和高共模抑制 比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于遠距離傳輸過來的信號，因而十分適用與 傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對稱性

39、，改變增益最合理、最簡單的方法是 改變rg的阻值。3. 2.3相敏解調(diào)電路設(shè)計相敏檢波電路如圖3.7所示。其工作過程如下：當(dāng)輸人電壓為正半周期時，經(jīng)耦合電容c6的電壓v（即vfv.）輸人給ui反相, d?截至,d?導(dǎo)通,ui的電壓放大倍數(shù)為ri6/ri4=b即調(diào)整w2+r17=ri9=20k, 經(jīng)&7和w2送來的5的輸人信號為v,另一路經(jīng)6的輸人信號為v?,則輸出信 號為：匕=v=-7,4-27.= v1賂+必丿' rjg6）當(dāng)輸人電壓為vi負(fù)半周期時，經(jīng)3反相，d?導(dǎo)通，d3截至，ui輸出為零， 經(jīng)ri7,w2送來的u2的輸人信號為vi，另一路經(jīng)5輸人信號為w，則輸出信號 v

40、。為：(-v.)=v1(3-7)由此可見，交流放人信號經(jīng)過相敏檢波后，即能反映信號電壓的幅值又能反映出信號電壓的極性。3. 2.4低通濾波電路設(shè)計低通濾波器電路設(shè)計如圖3.8所示。它是由無源rc濾波器和有源rc濾波器組成。無源rc濾波器的頻率特性為:圖3.8低通濾波器電路(3-8)二丄/；=式中： rg或 2g有源rc濾波器的頻率特性為:.vck u sc _ r* r?(3-9)f2(.w)匕 + 詢®式中：”2=應(yīng)或% = 2g則低通有源濾波器的頻率特性為:k f(je)=kf 心 0)kf2(m)=( a cd/ 、. 0)1+j1+j1 ©丿1 6丿rqi r2(3

41、-10)故其幅頻特性為:(3-11)一般規(guī)定增益下降到kf邁時的頻率為截止頻率，通過上式求得為e11.5hz,則帶寬為011.5hzo這樣把它檢波后的脈動直流信號屮高次諧波濾掉，采用有源 低通濾波器的優(yōu)點是較小的電容得到良好的濾波效果。濾波器輸出后的電壓信號可 以被肓接測量，這樣就可以完成對被測對象的檢測。4仿真結(jié)果4. 1仿真軟件介紹proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件(該 軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司)。它不僅具有其它eda工具 軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機 及外圍器件的工具。雖然目前國

42、內(nèi)推廣剛起步，但己受到單片機愛好者、從 事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus 是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與 外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整 設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟 件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持pic10/12/16/18/24/30/dspic33> avr、arm、805k hc11、8086 和 msp430 等,2010 年即將增加 cortex 和 dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它

43、也支持 iar、keil和mplab等多種編譯器。proteus軟件具有其它eda工具軟件(例:multisim)的功能。這些功能 是：(1) 原理布圖(2) pcb自動或人工布線(3) spice電路仿真革命性的特點(1) 互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如ram, rom,鍵盤，馬達，led, lcd, a d/da,部分spi器件，部分iic器件。(2) 仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機。還可以育接 在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸 出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，proteus建立了

44、完備 的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。（1）智能原理圖設(shè)計（isis）豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導(dǎo)線簡單快捷，大大縮短繪圖 時間；支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計簡明清晰；可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的bmp圖紙， 可以方便地供word、powerpoint等多種文檔使用。（2）完善的電路仿真功能（prospice）1）prospice混合仿真：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice3f5,實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的 混合仿真；2）超過27000個仿真器件：可以通過內(nèi)部原

45、型或使用廠家的spice文件 自行設(shè)計仿真器件，labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三 方發(fā)布的仿真器件；3）多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用 wav文件）、指數(shù)信號、單頻fm、數(shù)字時鐘和碼流，述支持文件形式的信號 輸入；4）豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分 析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、 頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、spi調(diào)試器、i2c調(diào)試器等；5）生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示 其對地電壓大小，結(jié)合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使

46、用可以使 仿真更加直觀、生動；6）高級圖形仿真功能（asf）:基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多 項指標(biāo)，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立 葉頻譜分析等，述可以進行一致性分析；（3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（vsm）1）支持主流的 cpu 類型：女口 arm7、8051/52、avr、pic10/12、pic16、 pic18、pic24、dspic33、hc11、basicstamp、8086、msp430 等，cpu 類型 隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持cortex> dsp處理器；2）支持通用外設(shè)模型：如字符lcd模塊、圖形lcd模塊、led點陣、

47、led七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、rs232虛擬終端、電 子溫度計等等，其compim （com 口物理接口模型）述可以使仿真電路通過 pc機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；3）實時仿真：支持uart/usart/eusarts仿真、中斷仿真、spi/i2c 仿真、mssp仿真、psp仿真、rtc仿真、adc仿真、ccp/eccp仿真；4）編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶 8051、avr、pic的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如iar、 keil和hitech）結(jié)合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試；（4）實用的pcb設(shè)計平臺1）原

48、理圖到pcb的快速通道：原理圖設(shè)計完成后，一鍵便可進入are s的pcb設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計；2）先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格 自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使pcb設(shè)計更為合理；3）完整的pcb設(shè)計功能：最多可設(shè)計16個銅箔層，2個絲印層，4個機 械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動設(shè)計規(guī)則檢查，3d可視 化預(yù)覽；4）多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括gerber文件的導(dǎo) 入或?qū)С觯憷c其它pcb設(shè)計工具的互轉(zhuǎn)（如protel）和pcb板的設(shè)計和 加工。（1）proteus mt提供的仿真元器件資源：仿真

49、數(shù)字和模擬、交流和宜流等 數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。（2）proteus可提供的仿真儀表資源:示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、 spi調(diào)試器、i2c調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流 電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。（3）除了現(xiàn)實存在的儀器外，proteus還提供了 一個圖形顯示功能，可以 將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似, 但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、 極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。（4）proteus可提供的調(diào)試手段proteus提供了比較豐富的測試

50、信號用于 電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。在proteus繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的fi標(biāo)代碼文件：*.hex, 可以在proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。proteus是單片機課堂教學(xué)的先進助手。proteus不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例 運行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是 實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相 當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、 電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)

51、生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于proteus 提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、 提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培 養(yǎng)學(xué)牛實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)'已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計 手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、 耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險。相信在單片機開發(fā)應(yīng)用屮 proteus也能獲得越來越廣泛的應(yīng)用。使用proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計，是虛擬仿真技術(shù)和計算機 多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件 的

52、操作能力；在單片機課程設(shè)計和全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我們使用 proteus開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反 映，對單片機的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證 明，在使用proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此，proteus有較高的推廣利用價值。4. 2部分電路仿真結(jié)果4.2.1正弦信號發(fā)生電路仿真結(jié)果由圖3.5正弦信號發(fā)牛電路產(chǎn)牛的正弦信號如圖4.1所示digitai oscilloscope圖4.1穩(wěn)幅文氏橋電路仿真結(jié)果輸出信號的頻率為2kh乙 幅值為4v。4.2.2放大器電路仿真結(jié)果由圖3.

53、6差動放大電路的仿真結(jié)果如圖4.2所示，選rc=32k,貝ij,放大倍數(shù)為2o線1正弦波為輸入波形，線2正弦波為輸出波形。position210 200 190sourcebcd1f/廠fj1 11 1z*<.j-f_aj、irauto one-shot cursorssource圖4.2放大電路仿真結(jié)果4.2.3低通濾波電路仿真結(jié)果圖4.3所示為低通濾波電路仿真結(jié)果。(a)為輸入低頻信號，圖4.3 (b)為輸入高頻信號。(a)圖4.3 (a)、(b)中，線1波形均為輸入波形，線2波形均為輸出波形。fc為11.5hz,圖(a)輸入為10h乙 圖(b)屮輸入為20h乙總結(jié)加速度傳感器也稱加

54、速度計（accelerometeij是用來測量加速度的慣性傳感器 件，可以應(yīng)用于傾斜角、慣性力、沖擊及振動等慣性參數(shù)的測量。加速度傳感器在 汽車、航空航天、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，其中mems加速 度傳感器以其體積小、功耗低、受溫度影響較小等特點而備受關(guān)注。電容測量電路 是電容式加速度傳感器系統(tǒng)中非常重要的組成部分，該電路的各項性能指標(biāo)起著確 定性作用。加速度傳感器系統(tǒng)的敏感結(jié)構(gòu)部分的性能提高受到成本，工藝的限制有 較高難度，因此提高測量電路的各項性能成為了提高整個系統(tǒng)的關(guān)鍵?？偨Y(jié)整個論文完成過程的工作有以下幾個方面：1. 認(rèn)真學(xué)習(xí)了電容式傳感器的工作原理，重點了解了電容式加速度傳感器。2. 通過查找資料對電容式加速度傳感器及電容式加速度傳感器測量電路的國 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀有了初步的了解，最終根據(jù)需求確定了設(shè)計方案。3. 本設(shè)計建立了差動電容式加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型，并對其作了特性分析， 由給定的非線性誤差可以求出質(zhì)量塊相對運動的最大量