一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出。本发明专利技术是基于数字解调型高精度微弱电容检测技术，不存在mos管开关的电荷注入效应，它具有载波稳定度高、抗干扰性强及精度高的特点，系统利用CORDIC算法实现载波信号的生成，数字解调的误差小，比传统的模拟检测系统有更高的稳定性和精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种芯片，具体是一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片。
技术介绍
出于传感器生产制造工艺和成本考虑，应用于应变传感的的电容值很小(约1-10pf)，而由于应变力产生的电容变化更加微小(约0.01-2pf)，因此需要极端精密的检测技术来保证数据的准确性和灵敏度。高精度电容检测的主要思想是把电容变化转化为便于测量的电压或者电流信号，再通过电压或电流的信号放大电路检测信号的变化。主要方法有如下6种：开关电容法、交流电桥法、交流锁相法、松弛震荡法、电荷放大法、恒流混沌法。考虑到电路的复杂程度、可集成性、成本、速度、等等诸多因素。一般在传感器芯片中采用开关电容、松弛震荡、电荷放大这三种方法居多。目前所采用的大部分测量方法集成化水平低、精度低。如电桥法利用电桥平衡原理测量电容，测量结果受桥臂电容性能影响较大；振荡法电路结果简单，对待测电容在100pF以下时，板间内电容常会影响测量结果，抗干扰力较差。而且在对微小电容的测量过程中，更容易受到噪声的影响，测试精度上也存在较大的挑战。电荷放大法和开关电容法，都可以抑制杂散电容影响，提高精度，但是这两者都面临两大技术问题：一者，这两种技术的理论依据都是通过开关电路来完成一次对电容充放电过程，从而测算电荷容量。由于mos管的电荷注入(charge-injection)效应，会使测量产生10-2pF级别的误差。二者，这两种技术都是将电容值转化为直流电压放大后进行测量，随之产生了放大器温度敏感的零点漂移问题。另外由于应变传感器往往用来检测一瞬间的变化，对频率响应要求较高，对电容检测技术的实时性也提出很高要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出。作为本专利技术再进一步的方案：采用双载波调制型电容检测电路完成C/V转换，C/V转换及信号调理电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度的变化，两路反相的载波信号加载到差分电容的两端，运算放大器从差分电容的公共端提取信号，载波信号表示为VcsinWzt，根据电路原理得到输出Uo的表达式为： U o = C 1 - C 2 C 3 VcsinW z t = 2 Δ C C 3 VcsinW z t ; ]]>载波调制信号经过放大处理后转换成差分信号，经A/D转换电路进入芯片进行数字解调。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术是基于数字解调型高精度微弱电容检测技术，不存在mos管开关的电荷注入效应，它具有载波稳定度高、抗干扰性强及精度高的特点，系统利用CORDIC算法实现载波信号的生成，数字解调的误差小，比传统的模拟检测系统有更高的稳定性和精度，以及大量使用数字逻辑，使得该方法对生产制造工艺和传感器加工工艺要求很低，是一项非常适合产业化的技术。附图说明图1为基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片的结构原理框图；图2为基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片中载波调制电路的原理图；图3为基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片中信号调理电路的原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1～3，本专利技术实施例中，一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出；采用双载波调制型电容检测电路完成C/V转换，C/V转换及信号调理电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度的变化，两路反相的载波信号加载到差分电容的两端，运算放大器从差分电容的公共端提取信号，载波信号表示为VcsinWzt，根据电路原理得到输出Uo的表达式为载波调制信号经过放大处理后转换成差分信号，经A/D转换电路进入芯片进行数字解调。本专利技术的工作原理是：请参阅图1，本专利技术包括载波信号产生、C/V转换及信号调理和相敏解调等部分，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出。载波调制电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度的变化，降低了噪声干扰。载波调制电路由C/V转换电路和信号调理电路两部分组成。采用双载波调制型电容检测电路完成C/V转换，其电路如图2所示。两路反相的载波信号加载到差分电容的两端，运算放大器从差分电容的公共端提取信号，载波信号表示为VcsinWzt，根据电路原理得到输出Uo的表达式为 由上式可知，输出电压的幅值正比于差分检测电 容的变化量。为保证测量精度，载波调制信号经过放大处理后转换成差分信号，经A/D转换电路进入芯片进行数字解调。信号调理电路如图3所示，U1B和U1C均为反相放大器，U1B输出反相信号，U1C输出同相信号，共同构成差分信号，通过调整R11和R4的阻值可调整放大器的放大倍数，使得差分电压信号与A/D转换器的输入量程相匹配。系统采用相敏解调算法解调出载波调制电路输出信号的幅值，从而得到电容变化量。假设被测信号为v1＝A1cos(ωt+θ)，参考信号为v2＝A2cosωt，则被测信号和参考信号相乘后的输出信号为：Vo＝0.5A1A2cosθ+0.5A1A2cos(2ωt+θ)。输出信号通过低通滤波器滤去2倍频分量后所得到的直流分量代表了被测信号的幅值。系统利用数字乘法器和数字滤波器在芯片内完成相敏解调。对于本领域技术人员而言，显然本专利技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本专利技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本专利技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，其特征在于，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，其特征在于，利用CORDIC算法产生正弦载波对应的二进制数值，并控制D/A转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动电容C1和C2的电极上，利用C/V转换及信号调理电路进行载波调制，并通过A/D转换器转换为数字信号后，进行数字解调，解调结果通过RS232串行通信接口进行数据输出。2.根据权利要求1所述的基于载波调制和相敏解调实现的微弱电容的检测芯片，其特征在于，采用双载波调制型电容检测电路完成C/V转换，C/V转换及信号调理电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度的变化，两路反相的载波信号加载到差分电容的两端，运算放大器从差分电容的公共端提取信号，载波信号表示为VcsinWzt，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，于雷雷，刘宇，李华，陈功，郑重，
申请(专利权)人：司承电子科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31