第
14
卷 第
8
期
2014
年
3
月
1671—1815（ 2014） 08-0210-04
科 学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering
Vol. 14 No. 8 Mar． 2014
2014 Sci. Tech. Engrg.
基于电容数字转换技术的微小电容测量
电路的设计研究
樊 骁 桑
胜波 张文栋 李朋伟 胡 杰 李 刚
（
太原
理工大学微纳系统研究中心
1
，
新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室
2
，
太
原
030024）
摘 要 传统的微小电容测量电路难以满足电容式传感器的发展要求
；
为
此
，
提出以
AD7746
为电容数字转换器
、
MSP430F149
为微处理器的测量方案
，
详细论述了电路的应用背景和软硬件设计
，
为电容式传感器的信号处理提供了全新的
思路和解决方案
。
测试结果表明
：
在量程为
0
至
4. 096 pF、
电容数字转换时间为
109. 6 ms
时
，
峰峰
（ P-P）
分辨率为
16
位
，0. 1
fF，
测量电路具有分辨率高
、
精度高
、
响应快速
、
外部电路结构简单
、
易于集成
、
稳定性好
、
开发周期短
、
成本低等特点
，
具有较好
的应用价值
。
关键词 电容式传感器 微小电容
AD7746
中图法分类号
TP274. 5；
文献标志码
B
2013
年
10
月
15
日
收到
，10
月
30
日修改 国家自然青年基金
资助项目
（ 51105267） 、
教育部高等学校博士学科点基金资助项目
（ 20111402120007） 、
太原市国际合作项目
（ 900102—03000711） 、
山西省回国留学人员科技活动择优项目
（ 2011lx10）
资助
第一作者简介
：
樊 骁
（ 1990—）
，
男
，
硕
士研究生
。
研究方向
：
微纳
机电系统
。E-mail： fanxiao 0240@ tyut． edu． cn。
电
容式传感器
［1］
是
利用电容器原理
，
将被测量
变化转换成电容量变化的一种装置
。
与其他类型的
传感器相比
，
电容式传感器不仅具有结构简单
、
灵敏
度高
、
稳定性好
、
测量范围大
、
精度高
、
动态响应时间
短
、
易于集成
、
能在高温
、
辐射和强烈振动等恶劣条
件下工作等优点
，
在某些特定场合下
，
高分辨率也是
其他类型的传感器难以实现的
，
而且电容式传感器
能够采用已成熟的半导体微加工技术低成本
、
大批
量制作
，
目前已广泛应用于多种检测系统中
，
测量诸
如液位
、
压力
、
位移
、
加速度
、
厚度
、
振幅等物理量
，
是
一种具有良好发展前景的传感器
［2］
，
在
精密测量
中
，
电容式传感器更是占据统治地位
。
电容式传感器的电容变化量往往很小
，
许多情
况下
，
输出电容仅有几十个或几百个飞法
（ 1 fF =
10
－ 15
F）
大
小
［3］
，
因而对电容式传感器输出电容特
别
是输出微小电容的测量始终是一个重要的研究
课题
。
传统上采用的充
/
放电电容测量电路
、AC
电桥
电容测量电路
、
交流锁相放大电容测量电路
、
基于
V / T
变换的电容测量电路
、
基于混沌理论的恒流式
混沌测量电路
、
基于电荷放大原理的电容测量电路
等分立式解决方案共同缺点是脉动噪声大
，
需使用
滤波器及考虑相位补偿
，
难以达到高的精度要求
，
电
路结构相对复杂
，
不易集成
，
成本也较高
［3，4］
。
本文提出的基于电容数字转换技术的微小电容
测量电路解决了从电容信号到数字信号直接转换的
信
号处理难题
，
具有分辨率高
、
精度高
、
响应快速
、
外
部电路结构简单
、
易于集成
、
稳定性好
、
成本低等特
点
，
彻底弥补了分立式解决方案的不足
，
不但缩短了
产品开发周期
，
更进一步为电容式传感器赢得了
优势
。
1
硬
件设计
硬
件总体框架如图
l
所示
，
主要有电容式传感
器
（
被测电容
） 、
电容数字转换器
、
微处理器
、
电源管
理电路
、
接口电路
5
个主要组成部分
。
图
1
硬
件总体框架
1. 1
电容数字转换器
AD7746
AD7746
［5］
是
ADI
公
司推出的
24
位
、
低功耗
、
双
通道电容数字转换器
（ CDC）
，
是
业界最高精度解决
方案
［6］
。
主
要特性有
：
weixin_44502368
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