本發(fā)明涉及一種芯片，具體是一種基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片。

背景技術(shù)：

出于傳感器生產(chǎn)制造工藝和成本考慮，應(yīng)用于應(yīng)變傳感的的電容值很小(約1-10pf)，而由于應(yīng)變力產(chǎn)生的電容變化更加微小(約0.01-2pf)，因此需要極端精密的檢測技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和靈敏度。高精度電容檢測的主要思想是把電容變化轉(zhuǎn)化為便于測量的電壓或者電流信號，再通過電壓或電流的信號放大電路檢測信號的變化。主要方法有如下6種：開關(guān)電容法、交流電橋法、交流鎖相法、松弛震蕩法、電荷放大法、恒流混沌法?？紤]到電路的復(fù)雜程度、可集成性、成本、速度、等等諸多因素。一般在傳感器芯片中采用開關(guān)電容、松弛震蕩、電荷放大這三種方法居多。

目前所采用的大部分測量方法集成化水平低、精度低。如電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大；振蕩法電路結(jié)果簡單，對待測電容在100pF以下時，板間內(nèi)電容常會影響測量結(jié)果，抗干擾力較差。而且在對微小電容的測量過程中，更容易受到噪聲的影響，測試精度上也存在較大的挑戰(zhàn)。電荷放大法和開關(guān)電容法，都可以抑制雜散電容影響，提高精度，但是這兩者都面臨兩大技術(shù)問題：一者，這兩種技術(shù)的理論依據(jù)都是通過開關(guān)電路來完成一次對電容充放電過程，從而測算電荷容量。由于mos管的電荷注入(charge-injection)效應(yīng)，會使測量產(chǎn)生10^-2pF級別的誤差。二者，這兩種技術(shù)都是將電容值轉(zhuǎn)化為直流電壓放大后進(jìn)行測量，隨之產(chǎn)生了放大器溫度敏感的零點漂移問題。另外由于應(yīng)變傳感器往往用來檢測一瞬間的變化，對頻率響應(yīng)要求較高，對電容檢測技術(shù)的實時性也提出很高要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片，利用CORDIC算法產(chǎn)生正弦載波對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值，并控制D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號后加到差動電容C1和C2的電極上，利用C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路進(jìn)行載波調(diào)制，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)結(jié)果通過RS232串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：采用雙載波調(diào)制型電容檢測電路完成C/V轉(zhuǎn)換，C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路將差分電容的變化轉(zhuǎn)換為載波調(diào)制信號幅度的變化，兩路反相的載波信號加載到差分電容的兩端，運(yùn)算放大器從差分電容的公共端提取信號，載波信號表示為VcsinW_zt，根據(jù)電路原理得到輸出Uo的表達(dá)式為：

$Uo=\frac{C1-C2}{C3}{\mathrm{VcsinW}}_{z}t=2\frac{\mathrm{\Δ}C}{C3}{\mathrm{VcsinW}}_{z}t;$

載波調(diào)制信號經(jīng)過放大處理后轉(zhuǎn)換成差分信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入芯片進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明是基于數(shù)字解調(diào)型高精度微弱電容檢測技術(shù)，不存在mos管開關(guān)的電荷注入效應(yīng)，它具有載波穩(wěn)定度高、抗干擾性強(qiáng)及精度高的特點，系統(tǒng)利用CORDIC算法實現(xiàn)載波信號的生成，數(shù)字解調(diào)的誤差小，比傳統(tǒng)的模擬檢測系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性和精度，以及大量使用數(shù)字邏輯，使得該方法對生產(chǎn)制造工藝和傳感器加工工藝要求很低，是一項非常適合產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。

附圖說明

圖1為基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片的結(jié)構(gòu)原理框圖；

圖2為基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片中載波調(diào)制電路的原理圖；

圖3為基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片中信號調(diào)理電路的原理圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1～3，本發(fā)明實施例中，一種基于載波調(diào)制和相敏解調(diào)實現(xiàn)的微弱電容的檢測芯片，利用CORDIC算法產(chǎn)生正弦載波對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值，并控制D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號后加到差動電容C1和C2的電極上，利用C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路進(jìn)行載波調(diào)制，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)結(jié)果通過RS232串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出；采用雙載波調(diào)制型電容檢測電路完成C/V轉(zhuǎn)換，C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路將差分電容的變化轉(zhuǎn)換為載波調(diào)制信號幅度的變化，兩路反相的載波信號加載到差分電容的兩端，運(yùn)算放大器從差分電容的公共端提取信號，載波信號表示為VcsinW_zt，根據(jù)電路原理得到輸出Uo的表達(dá)式為載波調(diào)制信號經(jīng)過放大處理后轉(zhuǎn)換成差分信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入芯片進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

本發(fā)明的工作原理是：請參閱圖1，本發(fā)明包括載波信號產(chǎn)生、C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理和相敏解調(diào)等部分，利用CORDIC算法產(chǎn)生正弦載波對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值，并控制D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號后加到差動電容C1和C2的電極上，利用C/V轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路進(jìn)行載波調(diào)制，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)結(jié)果通過RS232串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。載波調(diào)制電路將差分電容的變化轉(zhuǎn)換為載波調(diào)制信號幅度的變化，降低了噪聲干擾。載波調(diào)制電路由C/V轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。采用雙載波調(diào)制型電容檢測電路完成C/V轉(zhuǎn)換，其電路如圖2所示。

兩路反相的載波信號加載到差分電容的兩端，運(yùn)算放大器從差分電容的公共端提取信號，載波信號表示為VcsinW_zt，根據(jù)電路原理得到輸出Uo的表達(dá)式為 由上式可知，輸出電壓的幅值正比于差分檢測電 容的變化量。為保證測量精度，載波調(diào)制信號經(jīng)過放大處理后轉(zhuǎn)換成差分信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入芯片進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

信號調(diào)理電路如圖3所示，U1B和U1C均為反相放大器，U1B輸出反相信號，U1C輸出同相信號，共同構(gòu)成差分信號，通過調(diào)整R11和R4的阻值可調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，使得差分電壓信號與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量程相匹配。

系統(tǒng)采用相敏解調(diào)算法解調(diào)出載波調(diào)制電路輸出信號的幅值，從而得到電容變化量。假設(shè)被測信號為v1＝A1cos(ωt+θ)，參考信號為v2＝A2cosωt，則被測信號和參考信號相乘后的輸出信號為：Vo＝0.5A1A2cosθ+0.5A1A2cos(2ωt+θ)。輸出信號通過低通濾波器濾去2倍頻分量后所得到的直流分量代表了被測信號的幅值。系統(tǒng)利用數(shù)字乘法器和數(shù)字濾波器在芯片內(nèi)完成相敏解調(diào)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。