测控技术与仪器毕业论文范文——电容加速度传感器测量电路设计

1、电容加速度传感器测量电路设计摘要加速度传感器也称加速度计(accelerometer)是用来测量加速度的惯性传感器 件，可以应用于倾斜角、惯性力、冲击及振动等惯性参数的测量。加速度传感器在 惯性制导、医疗、消费类电子产品中有很广泛的应用。电容式加速度传感器因为其高灵敏度和稳定性在各种测量形式的加速度传感 器中备受关注。而电容测量电路的性能乂直接影响加速度系统输出性能，因此提高 电容测量电路的性能是加速度传感器系统设计中非常重要的部分。本文针对电容式加速度传感器测量过程屮电容量变化较小的特点设计了微小 电容的测量电路。在这篇文章中，详细的介绍了电容式传感器的工作原理，建立了 差动电容式加速度传感

2、器的数学模型，并对其作了特性分析，由给定的非线性误差 可以求出质量块相对运动的最大量程，给出了电容式加速度传感器测量电路的单元 电路模块，如正弦信号发生电路、放大器电路、相敏解调电路、低通滤波电路。本 设计具有结构简单，灵皱度高，输出稳定的优点。关键字：加速度传感器，电容式加速度传感器，测量电路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 绪论11. 1本课题研究背景11. 2本课题研究的目的和意义12 电容式加速度传感器32. 1电容式加速度传感器的发展现状及应用32. 2电容式加速度传感器的分类32.

8、2. 1变面积式电容结构 42. 2.2变间距式电容结构52.3电容式加速度传感器的工作原理62. 4电容式加速度传感器的差动电容计算及特性分析103电容式加速度传感器测量电路的设计 123. 1电容式加速度传感器测量电路的发展现状123. 2电容式加速度传感器测量电路的设计 153.2.1正弦信号发生器电路设计163.2.2 放大器电路设计183.2.3相敏解调电路设计203.2.4 低通滤波电路设计214 仿真结果234. 1仿真软件介绍234. 2部分电路仿真结果274. 2.1正弦信号发生电路仿真结果274. 2.2放大器电路仿真结果274. 2.3低通滤波电路仿真结果275 总结29

9、参考文献30致谢321绪论1. 1本课题研究背景在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门屮，经常需要测量 各种参数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系 统处于最佳运行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。在现代科学研究和新产 品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预 期要求和事物的客观规律性。在被测物理量中，非电量占了绝大部分，例如压力、温度、湿度、流量、液位、 力、应变、位移、速度、加速度、振幅等等。非电量测量可以通过各种对应的敏感 元件，将被测物理量转换成与z有对应关系的屯压、屯流等，而后再通过对屯压、 电流的测量，得

10、到被测物理量的大小。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法 和途径2】。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一 个具有可变参数的电容器。和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、 动态响应好、分辨力高、工作可靠、易实现非接触测量、具有平均效应等优点，并 能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容传感器广泛的应用于多种测 量系统中，用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。电容式传感器也存在不足之处，比如输岀阻抗高、负载能力差、寄生电容影响 大等。上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术， 特别是集成电路的高

11、速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干 扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传 感器。1. 2本课题研究的目的和意义由于电容传感器的广泛采用，不可避免地要涉及到电容的测量问题。它与对感 应信号的提取与非电量参数测量的成功与否有着密切关系。电容式传感器将被测非电量信号变换成电容变化，但电容值不能直接用现有的 显示仪器来显示，更难于传输，必须借助测量电路将电容变化量转换为电压、电流 或频率信号，以便显示、记录和传输。对于电容/电压转换电路，如何将电容变化 量准确地转换为屯压信号至关重要，它直接关系到后续测量的准确性。在测量仪器设计过程中，往往由于体

12、积或测量环境的制约，电容传感器电容的 变化量一般都较小，往往仅有几个或几十个皮法的大小，属于微弱电容的测量x 在某些场合，例如电容层析成像系统中，传感电容的变化量小至af级。在现阶段 测量微小电容主要有以下几方面的困难9110： ©杂散电容往往要比被测电容高的多, 且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素而变化, 被测量常被淹没在干扰信号中；测量电路一般要使用一定量的电子开关，但电子 开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除；由于测量对象的快速多变性， 需要较高的数据采集速度，但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决，滤波器的存 在成为提高数据采集速度的瓶颈等问

13、题。因此，要考虑引线电容、电路设计的寄生 电容以及环境变化的影响等因素，使电容传感器调理电路设计相当复杂，并且由于 分立元件过多，也将影响电容的测量精度，j2o从工业角度而言，微小电容测量电路须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪 声、抗杂散等要求。本课题要求设计一电容式加速度传感器的测量电路，由于实际工程测量中电容 量的变化比较小，属于微弱电容检测，所以本设计应用于微小电容测量。2电容式加速度传感器2. 1电容式加速度传感器的发展现状及应用近年来，传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱， 特别是作为现代信息技术的三大核心技术的传感技术更是飞跃式的发展。电容式传 感器也得到了

14、极大的发展。特别是用于微电容测量的加速度传感器，其中硅微加速 度传感器发展极为迅速。微型加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，是微型惯性测量组合系 统（mimu）的重要基础元件。人们很早就开始了对加速度传感器结构和制造技术 的研究。近年来mems技术的发展，使得微加速度传感器和传统的加速度传感器 相比具有质量小、体积小、功耗低、成木低、可靠性高等诸多优点，因此它正逐步 取代传统的加速度传感器。电容式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量 块的相对位移转换为电容的变化，再通过测量电路将电容的微小变化转换为与其成 正比的电压的变化。它是目前研究最多的一类加速度传感器，

15、具有灵敏度高、直流 响应和噪声特性好、漂移低、低温灵敏度好、功耗低等优点。其主要结构分为悬臂 摆片式和梳齿状的折叠梁式，并变异成其它类型。悬臂摆片式结构相对简单些，制 作上也常用体硅加工方法，简单的摆片式结构由上、下固定极板和可动敏感硅悬臂 梁极板组成，用半导体平面工艺各向异性腐蚀，静电键合技术封装完成制作。梳齿 状的折叠梁式结构设计上要复杂得多，微加工方法则以表面牺牲层技术为主，多晶 硅材料的各向同性性质可保证微机械性能的对称性，批量加工精度高，且采用这种 结构的敏感部分尺寸做得很小，易于实现与外围电路的单片集成。硅微电容式微加 速度传感器的灵敏度高、噪音低、漂移小，在汽车安全气囊系统和防滑

16、系统获取广 泛应用，安全气囊系统检测碰撞的微加速度传感器的检测范阖为±30-50g,精度 loomg,检测侧面碰撞人约为250g或500g,防滑稳定系统的测量范围±2g,精度 lomgo近年硅微电容式加速度计也被越来越多的应用到手机，相机，存储器等日 常用品中，使它的市场需求变得更大冋。2. 2电容式加速度传感器的分类众所周知，电容的计算公式为：其中，8o是真空介电常数（8.8542xlo l2f/m）, &为电容极板中间介质的相对介电常 数a是极板重叠面积，d是两个极板之间的距离。从式（21）可知，改变电容有三种方式:一是改变两个极板的相对面积a；二 是改变极板间

17、距d；三是改变中间介质的介电常数。就这三种方式来说，电容式加 速度传感器通常采用变面积式和变间距式两类网。2. 2.1变面积式电容结构图2.1所示是变面积式结构，检测电容的可动极板与可动质量块刚性连接，加 速度引起的惯性力使质量块发生一定位移，该位移引起检测电容可动极板相对于固 定极板的水平位移x,从而导致电极相对面积发生变化，电容也随之改变。这种结 构的电容式加速度传感器一般用于检测横向加速度（x轴或者y轴）。如图2.1所示, 假设我们要检测x轴方向的加速度，设计吋通常使可动电极在x方向的尺寸远小于 y方向的尺寸。因为所检测的加速度通常非常小，引起的质量块的位移通常在几十 nm,可动电极的尺

18、寸小的话，可以获得较高的灵敏度。设计中应该注意y方向的 电极设计，保证在该方向有加速度作用时，极板面积不会发生变化。否则，就会对 检测方向产生千扰，产生一定的交叉轴灵皱度。图2.1没有对这点进行说明。图2.1变面积式电容结构示意图x假设图2.1中可动极板与固定极板的尺寸都是a*b,极板间隙为d,则没有加速度作用时，屯容为:(2-2)加速度作用下，可动极板发生水平位移为x（x轴方向），此时两个极板的重叠面积变为b*（a-x）,此时电容为:ba-x)(2-3)(2-4)d电容变化量为:¥可见电容变化量与可动极板位移成严格的线性关系。2. 2.2变间距式电容结构图2.2所示是变间距式电容结

19、构，检测电容的可动极板与敏感质量块刚性相连, 加速度引起的惯性力使质量块发生一定位移，该位移引起可动极板相对于固定极板 的竖直位移x,使检测电容的极板间距从d变为dx,从而电容发生改变。这种结 构的加速度计一般用于检测z轴（纵向）加速度。图2.2变间距式电容结构示意图图2.2中，没有加速度时，电容为：(2-5)当可动极板在加速度作用下往下发生x位移吋，屯容变为:(2-6)电容变化量为：(11、ac = c co =£()£/ -d-x a)(2-7)当xvvd时，将式(27)在x=0处进行泰勒级数展开，取一阶近似，可得电容变化的近似表达式为：ac =(2-8)从上式可见电容

20、变化与可动极板的位移成正比。图2.2所示是单边电容检测结构，此外还有差分电容检测结构丽，见图2.3。=7=t；+ic2i i 一 一it图2.3变间距式差分电容检测结构采用与前面类似的计算方法，计算可知：d(2-9)2. 3电容式加速度传感器的工作原理电容式加速度传感器的原理结构图如图2.4所示，由图可见，它实际上是变极 距差动电容位移传感器，配接um-k-c-系统构成的。质量块4由两根弹簧片3支撑 于壳体2内,质量块4的a面与上固定极板5组成的电容g以及质量块4的b面 与下固定极板1组成的电容c2。1 下固定极板;2壳体；3簧片;4-质量块；5上固定极板；6-绝缘体图2.4电容式加速度传感器

21、结构示意图电容式加速度传感器的等效原理图如图2.5所示。图2.5中，右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移y表示质量块m相对于传感器底座1的位移，称为相对位移。x和y之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述：d2ydt2+ 2eq()2d2x(2-10)式中：wo为自振角频率，5二阿去£为阻尼系数，2曲c为空气阻尼。而位移x,速度v,加速度a三者之间关系为:kcllax .+-2图2.5系统原理图dv drxci =山 dt2(2-11)代入式（210）得:啤+ 2叫型+必(2-12)dt2 0 dt

22、 °-经过拉氏变换可得质量块相对运动的位移振幅ym与被测振动体绝对运动的加速度j(l-q2/e；)+ 2si ©)振幅師的关系为:(2-13)上式具有低通滤波特性。由此可见，当<<0时，则:(2-14)传感器壳体2的位移y与c,c2关系为:c c2 y(2-15)式中，do为不振动时，电容g和c2的初始极距。若差动电容接入图2.6所示变压 器式电桥中，则电桥开路输出电压幅值u。为：e-c2 = eym(2-16)2 c| + c° 2 d°将式(214)代入式(216)得:(2-17)可见，当时，输出电压幅值uo与加速度幅值am成正比，测岀电

23、压幅值5, 即可确定加速度幅值amor1ranc1<-text> :c2uo <text>图2.6变压器式电桥实际上，电容式传感器并不是一个纯电容。其完整的等效电路如图2.7所示。 通常电容式传感器的电容c (包括寄生电容)只有在环境温度不高，湿度不大，电 源频率适中条件下，才能看作是纯电容。如果电源频率较低或在高温高湿的条件下 工作，极板间等效损耗电阻心就必须考虑。它包括极板间的泄漏电阻和极板间介 质损耗。随着电源频率提高传感器容抗减小，等效损耗电阻rp的影响减小。当电 源频率高至兆赫时，rp可以忽略，但电流集肤效应使导体电阻增加。此时必须考虑 引线(传输电缆)的电感

24、和电阻，图2.7中电感l包括引线电感和电容电感之和； 电阻r由引线电阻、极板电阻和金屈支架电阻组成，这个值通常很小，它随频率 第9页共32页的增高而增大。供电电源频率一般为谐振频率的1/31/2,传感器才能保证正常工 作。当不考虑rp时，有!= j°l + - + rjcocej（oc（2-18）式中，ce传感器的等效电容；q电源角频率（=）。由于传感器自身的电容量（包括寄牛电容）很小，电源频率又很高（几兆赫）, 故容抗（1/jc）很大，相比之下，电阻r的影响可忽略，则有c = c(2-19)(2-20)(2-21)1 + jo2lc -arlc对式（218）处理可得等效电容的相对变

25、化量为ace ac 1 - c -c（rlc电容传感器的有效灵敏度系数为aq/cd从式（219）和式（220）均可以得出如下结论：电容传感器的有效灵敏度系 数与co2lc项有关，随和l变化3。lr*<text> <tex-t>- rp.lc -<tex.t>. <text>图2.7电容式传感器的等效电路2. 4电容式加速度传感器的差动电容计算及特性分析对于气隙型电容传感器，其电容值为c=es/d,电容式加速度传感器的两个电容，一个增加，一个减小。以图2.6为例，因此电容总变化量为:令:ac = cj c2 =dx =(),xd=2es d2-ad

26、2(2-22)ac y 令：2c°ac x 则 j =这是电容相对增量与极距相对增量之间的关系方程式。若采用线性特性方程y=x, 如图2.8所示，显然其线性误差较大。为此可采用线性特性方程y二(1+8)x,并使 其在最大量程xm处产生的正误差aym及其xi在处产生的负误差ay1在数值上相等, 即：(2-23)其中，*为某一正小数。因为原始方程与线性方程z差为:5)-2()1(1 += x3 £x2(1 + x)(2-24)xi点的位置可按：dx求得，西二阿即:则g-kf吃2_ £333一 (1 + £此2 -£32由式(2-23)可得1一和(2

27、-25)式（225）表示在满足的条件下，£与xm的关系。设非线性相对误差为i，则r = ym/ym =xm 0 xm )(2-26)将式（225）代入上式，经整理得: 兀w = 2v/根据式（226）,可按给定的非线性误差求最大量程，也可按给定的量程求最大的非线性误差。例如选取0.01,则x沪0.2,即admax=0.2d-其特性分析曲线如图2.8所示图2.8 ac/coad/do特性分析曲线3电容式加速度传感器测量电路的设计3. 1电容式加速度传感器测量电路的发展现状将加速度传感器芯片与相应的检测电路相匹配才能构成一个完整的加速度传 感器系统。图3为美国analog device公

28、司第一代加速度传感器的检测电路原理 图。图3.1美国ad公司第一代加速度传感器检测电路检测电路包括了解调、反馈、测试等基本模块，由于传感器芯片的结构部分采 用了 ic兼容工艺，能与相应的处理电路集成在同一块硅片上，实现了单片集成。 这种方式，有效地避免了外围分布电容对信号的不利影响，而且能提高器件的抗干 扰能力和简化器件的使用条件。此检测电路的主要部分为同步解调电路，该部分电 路采用了乘法器同步解调的原理，能从敏感芯片输出的信号中有效地解调出与加速 度信号相一致的电信号来。该系统的工作原理为：信号发生器产生频率为1mhz,幅度相同的两路反相信 号，加到电容式加速度传感器的两个固定极板上。没有加

29、速度信号吋，传感器上下 电容值相同，中间极板上1mhz电压信号幅度为零；当有加速度信号作用时，电容 式传感器中间极板发生位移，导致上下电容值出现偏差，在中间极板上岀现1mhz 的信号，该信号的相位由动极板移动的方向决定，幅度由动极板移动的幅度决定， 而动极板的移动方向和幅度取决于加速度信号的方向和幅度。动极板上的1mhz信号经过高阻缓冲，输入解调器进行解调，预放人电路对解 调后的低频信号进行放大，然后反馈回mems传感器的动极板，产牛静电场力， 与动极板上受到的惯性力抵消，构成一个负反馈控制系统。由于传感器动极板受到 的静电场力与加在其上的电压值成正比，惯性力与系统加速度成正比，所以动极板 第

30、13页共32页上的反馈控制电压与系统受到的加速度成正比，实现了加速度信号到电压信号的线 性变换叫开关屯容技术，将加速度传感器等效电容变化信号转换为电压信号的输出。该 测量电路包括电荷放大器和采样保持器,及控制cmos开关的时序，如图3.2所示。 在检测过程中，先将传感器输出的未知电容c|,c2充电至已知电压然后再让 其放电。充放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总是处于动态的充放 电过程。ci,q连续的放电脉冲经过电荷放大器转换为电压。其后经过采样保持器, 得到输出vc。整个检测过程通过两部分完成：®ck,=on,ck2=off, c|,c2 充电，电荷量为 vrefci-v

31、refc2； cf 放电，相当于 cf复位。®ck2=on, ckloff, c|,c2放电，c1,c2±的电荷转移到 cf上。采样保持电路采样并保持vc。根据电荷守恒定律有 呱（1亠壮2"2，从此 方程可以看出输出电压vc表征加速度差分电容的变化量。图3.3中为差动脉宽调制电路来检测加速度传感器。该检测电路的基本原理是 通过触发器对电容的充放电，来调整电路输出的脉冲宽度。c、c2为加速度传感器 的差分电容；a|、a2为电压比较器，参考电压为ur； d|、d2为放电二极管，含q、q端的器件为双稳态触发器皿2 目前，虽然国内对加速度传感器的研究比其它mems器件显得

32、更加成熟，离 实用化的距离也相对要近些，但相比国际上已实现传感器产业化这一现实，仍然存 在较大差距，其中检测电路的集成化研究是关键问题之一。当前我国在这方面的研 究主要集中在少数高校和科研所里面。3. 2电容式加速度传感器测量电路的设计由于实际工程测量中电容量的变化比较小，属于微弱电容检测，所以本设计主 要应用于微小电容检测。电路的系统框图如图3.4所示图3.4测量电路系统框图3. 2.1正弦信号发生器电路设计本部分将介绍三个方面的内容:载波类型的选择、载波频率的选择和载波发生 器的设计。1. 载波类型的选择采用调制解调型方案的电容检测电路，无一例外地需要高频载波。常见的载波 形式有正弦波和方

33、波，其中采用方波作为载波的居多。本次设计中采用正弦波作为 载波。众所周知，方波可以展开成傅立叶级数，它可以看成许多止弦波信号的叠加。 假设方波的频率为f,则其屮还包含2f、3f、4f.等频率成分。检测电路屮包含由 运放构成的电荷放大器，它具有一定的带宽。本来我们采用的载波频率较高，则其 二次频、三次频等成分更高，运算放大器对这些频率成分的增益是不一致的，甚至 可能相差很大，这样经过运算放大器后的信号就不再是严格的方波信号了。除了增 益的差异外，运算放大器对不同谐波成分的相位响应也不一样，反映在电路上，不 同谐波成分到达运算放大器输出端的时间就有差异，导致叠加后的信号产生失真。 这种信号的失真必

34、然导致后面的相敏解调环节出现误差，最终表现为测量的误差。与方波相比，正弦波具有单一的频率成分，可以根据其频率选择合适的运算放 大器，可以降低对运算放大器带宽的要求。在检测电路的相敏解调环节之前，可以 采用带通滤波器，有效滤除载波频率之外的频率成分，有效抑制噪声，提高分辨率。第16页共32页将方波和止弦波两种载波类型的相关特性总结在表3.1。表3.1方波和正弦波作为载波的比较载波类型方波正弦波产生方法简单复杂频谱成分无限多，一般取10倍慕频以上单一信号失真容易产生失真基本不失真对运放要求对运放频率、增益带宽积要求高对运放性能要求较高从以上分析可以看出，采用正弦波作为载波，与方波相比，利大于弊。因

35、此在 本次单路载波调制型检测电路中，采用止弦波作为载波。2. 载波频率的选择选定了载波类型之后，接下去的问题就是载波频率的选择。载波频率的选择没 有统一的标准，必须根据所检测的电容大小和其它应用需求而定。对于固定的检测 电容，频率越高，则其容抗越小。从这个角度来说，希望载波频率越高越好。但是, 载波频率的选择述应该考虑电路中使用的运算放大器的性能。频率过高的话，将对 运算放大器的增益带宽积、摆率等提出很高的要求。此外，频率过高时，电路板上 寄生效应的影响也变得更加显著，将对所检测的微弱信号造成较大影响。综合考虑后，选定载波频率为2khz。3. 载波发生器的设计选定了载波类型和载波频率后，就可以

36、开始载波发生器的设计了。止弦波的产 生有许多不同的方法。第一种是采用石英晶体振荡器作为选频元件，这种电路频率 精度高，稳定性好。第二种方法是rc串并联式正弦波振荡电路，比如常见的文氏振荡电路。木设 计采用的就是这种方法。电路如图3.5所示r4szbi： ：23(r5 1k ；vt ；4r6吕二c5<te<7> odllf->te<t><texrn>图3.5稳幅文氏桥振荡电路电路如图3.5所示稳幅文氏振荡器是用运算放大器做放大元件的rc串并联选频网络正弦波振荡器。选r=240k欧姆，o330pf,则:12兀 x 240 x 10x 330灯0七=

37、2khz为实现自动稳幅的目的，在运算放大器输入端加上由心、r4和场效应管vt组成可控负反馈电路。对场效应管要求工作在线性电阻区，只有在uds较小时，它 的rds差不多随栅源电压vgs线性变化，宛如一只良好的压控线性电阻，阻值可调 范围约为400欧100兆欧，当幅值较大时，rds应自动增犬以加强负反馈，这个 作用由整流二极d，滤波电路r7、r6、c5及场效应管vt组成。当幅值较小时， c5上的电压逐渐减小，导致rds下降，所以电路将自动在vt的其一栅源电压下稳 定下来，输出幅值稳定的止弦波电压。调节r6可改变输岀电压的大小，一般将输 出电压调节在35v之间。3. 2.2放大器电路设计在许多检测技

38、术应用场合，传感器输出信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑 制能力以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上称为差动放大器，如图3.6所示。 差动放大器从电路结构可知，这是一种同相并联差动放人器，其对称性结构使整个1 +ki(3-1)(3-2)(3-3)整理得:(3-4)所以增益为：人 匕 （2凡）心 ,27? =-=1 + -亠=1 + (3-5)这种电路特点是性能稳定，其漂移将大大减少具有高输人阻抗和高共模抑制 比，对微小的差模电压很敏感，并适用于远距离传输过來的信号，因而十分适用与 传感器配合使用。显然，为保证电路的对称性

39、，改变增益最合理、最简单的方法是 改变rg的阻值。3. 2.3相敏解调电路设计相敏检波电路如图3.7所示。其工作过程如下：当输人电压为正半周期时，经耦合电容c6的电压v（即vfv.）输人给ui反相, d?截至,d?导通,ui的电压放大倍数为ri6/ri4=b即调整w2+r17=ri9=20k, 经&7和w2送来的5的输人信号为v,另一路经6的输人信号为v?,则输出信 号为：匕=v=-7,4-27.= v1赂+必丿' rjg6）当输人电压为vi负半周期时，经3反相，d?导通，d3截至，ui输出为零， 经ri7,w2送来的u2的输人信号为vi，另一路经5输人信号为w，则输出信号 v

40、。为：(-v.)=v1(3-7)由此可见，交流放人信号经过相敏检波后，即能反映信号电压的幅值又能反映出信号电压的极性。3. 2.4低通滤波电路设计低通滤波器电路设计如图3.8所示。它是由无源rc滤波器和有源rc滤波器组成。无源rc滤波器的频率特性为:图3.8低通滤波器电路(3-8)二丄/；=式中： rg或 2g有源rc滤波器的频率特性为:.vck u sc _ r* r?(3-9)f2(.w)匕 + 询®式中：”2=应或% = 2g则低通有源滤波器的频率特性为:k f(je)=kf 心 0)kf2(m)=( a cd/ 、. 0)1+j1+j1 ©丿1 6丿rqi r2(3

41、-10)故其幅频特性为:(3-11)一般规定增益下降到kf迈时的频率为截止频率，通过上式求得为e11.5hz,则带宽为011.5hzo这样把它检波后的脉动直流信号屮高次谐波滤掉，采用有源 低通滤波器的优点是较小的电容得到良好的滤波效果。滤波器输出后的电压信号可 以被肓接测量，这样就可以完成对被测对象的检测。4仿真结果4. 1仿真软件介绍proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件(该 软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它eda工具 软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机 及外围器件的工具。虽然目前国

42、内推广刚起步，但己受到单片机爱好者、从 事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus 是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与 外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整 设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软 件三合一的设计平台，其处理器模型支持pic10/12/16/18/24/30/dspic33> avr、arm、805k hc11、8086 和 msp430 等,2010 年即将增加 cortex 和 dsp系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它

43、也支持 iar、keil和mplab等多种编译器。proteus软件具有其它eda工具软件(例:multisim)的功能。这些功能 是：(1) 原理布图(2) pcb自动或人工布线(3) spice电路仿真革命性的特点(1) 互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如ram, rom,键盘，马达，led, lcd, a d/da,部分spi器件，部分iic器件。(2) 仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以育接 在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输 出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建立了

44、完备 的电子设计开发环境。（1）智能原理图设计（isis）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图 时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的bmp图纸， 可以方便地供word、powerpoint等多种文档使用。（2）完善的电路仿真功能（prospice）1）prospice混合仿真：基于工业标准spice3f5,实现数字/模拟电路的 混合仿真；2）超过27000个仿真器件：可以通过内部原

45、型或使用厂家的spice文件 自行设计仿真器件，labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三 方发布的仿真器件；3）多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用 wav文件）、指数信号、单频fm、数字时钟和码流，述支持文件形式的信号 输入；4）丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分 析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、 频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、spi调试器、i2c调试器等；5）生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示 其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使

46、用可以使 仿真更加直观、生动；6）高级图形仿真功能（asf）:基于图标的分析可以精确分析电路的多 项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立 叶频谱分析等，述可以进行一致性分析；（3）独特的单片机协同仿真功能（vsm）1）支持主流的 cpu 类型：女口 arm7、8051/52、avr、pic10/12、pic16、 pic18、pic24、dspic33、hc11、basicstamp、8086、msp430 等，cpu 类型 随着版本升级还在继续增加，如即将支持cortex> dsp处理器；2）支持通用外设模型：如字符lcd模块、图形lcd模块、led点阵、

47、led七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、rs232虚拟终端、电 子温度计等等，其compim （com 口物理接口模型）述可以使仿真电路通过 pc机串口和外部电路实现双向异步串行通信；3）实时仿真：支持uart/usart/eusarts仿真、中断仿真、spi/i2c 仿真、mssp仿真、psp仿真、rtc仿真、adc仿真、ccp/eccp仿真；4）编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带 8051、avr、pic的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如iar、 keil和hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；（4）实用的pcb设计平台1）原

48、理图到pcb的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入are s的pcb设计环境，实现从概念到产品的完整设计；2）先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格 自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使pcb设计更为合理；3）完整的pcb设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机 械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3d可视 化预览；4）多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括gerber文件的导 入或导出，便利与其它pcb设计工具的互转（如protel）和pcb板的设计和 加工。（1）proteus mt提供的仿真元器件资源：仿真

49、数字和模拟、交流和宜流等 数千种元器件，有30多个元件库。（2）proteus可提供的仿真仪表资源:示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、 spi调试器、i2c调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流 电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，proteus还提供了 一个图形显示功能，可以 将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似, 但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、 极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。（4）proteus可提供的调试手段proteus提供了比较丰富的测试

50、信号用于 电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在proteus绘制好原理图后，调入已编译好的fi标代码文件：*.hex, 可以在proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。proteus是单片机课堂教学的先进助手。proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例 运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是 实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相 当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、 电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学

51、生走向就业的重要实践环节。由于proteus 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、 提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培 养学牛实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术'已成为许多设计部门重要的前期设计 手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、 耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用屮 proteus也能获得越来越广泛的应用。使用proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机 多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件 的

52、操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反 映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证 明，在使用proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，proteus有较高的推广利用价值。4. 2部分电路仿真结果4.2.1正弦信号发生电路仿真结果由图3.5正弦信号发牛电路产牛的正弦信号如图4.1所示digitai oscilloscope图4.1稳幅文氏桥电路仿真结果输出信号的频率为2kh乙 幅值为4v。4.2.2放大器电路仿真结果由图3.

53、6差动放大电路的仿真结果如图4.2所示，选rc=32k,贝ij,放大倍数为2o线1正弦波为输入波形，线2正弦波为输出波形。position210 200 190sourcebcd1f/厂fj1 11 1z*<.j-f_aj、irauto one-shot cursorssource图4.2放大电路仿真结果4.2.3低通滤波电路仿真结果图4.3所示为低通滤波电路仿真结果。(a)为输入低频信号，图4.3 (b)为输入高频信号。(a)图4.3 (a)、(b)中，线1波形均为输入波形，线2波形均为输出波形。fc为11.5hz,图(a)输入为10h乙 图(b)屮输入为20h乙总结加速度传感器也称加

54、速度计（accelerometeij是用来测量加速度的惯性传感器 件，可以应用于倾斜角、惯性力、冲击及振动等惯性参数的测量。加速度传感器在 汽车、航空航天、军事、工业、医疗等领域有着极为广泛的应用，其中mems加速 度传感器以其体积小、功耗低、受温度影响较小等特点而备受关注。电容测量电路 是电容式加速度传感器系统中非常重要的组成部分，该电路的各项性能指标起着确 定性作用。加速度传感器系统的敏感结构部分的性能提高受到成本，工艺的限制有 较高难度，因此提高测量电路的各项性能成为了提高整个系统的关键。总结整个论文完成过程的工作有以下几个方面：1. 认真学习了电容式传感器的工作原理，重点了解了电容式加速度传感器。2. 通过查找资料对电容式加速度传感器及电容式加速度传感器测量电路的国 内外发展现状有了初步的了解，最终根据需求确定了设计方案。3. 本设计建立了差动电容式加速度传感器的数学模型，并对其作了特性分析， 由给定的非线性误差可以求出质量块相对运动的最大量