基于MS3110的电容式MEMS加速度计微电容读出电路设计(4)
为实现如图1-1所示的基于MS3110的电容式MEMS加速度计微小电容检测系统系统，具体的研究工作包括：
(1) 查阅文献资料，了解微小电容检测方法，明确采用MS3110进行微小电容检测的优点和特点。
(2) 了解MS3110的使用方法。
(3) 设计一个由MS3110、ADC、ATmega16为主组成的微小电容检测电路，由专用的印制板辅助设计软件完成原理图和PCB设计。
(4) 设计上位机程序，程序应具有的主要功能包括：接收微小电容检测电路串口输出的信息；实现数据的显示和存储；设置MS3110的编程参数，并通过通信接口将编程参数传送到微小电容检测电路中的微控制器。
(5) 完成整个系统的硬件及软件调试。
(6) 用设计的检测电路对电容式MEMS加速度计进行初步测试，验证系统的正确性。
2 总体方案设计及主要芯片介绍
2.1 微电容读出电路总体方案
对于图1-1所示的微小电容检测系统，除微电容读出芯片外，还有两个重要的环节：ADC和微控制器。
基于不同的转换原理，ADC有不同的类型，如积分型、逐次逼近型、过采样Δ-Σ型等。
其中，过采样Δ-Σ模数转换是近十几年发展起来的一种模/数转换方式，过采样Δ-Σ ADC由Δ-Σ调制器和数字滤波器两部分构成。调制器利用积分和反馈电路，具有独特的噪声成型功能，把大部分量化噪声移出基带，因而过采样Δ-Σ ADC有着极高的分辨率，可达24位以上。由于在进行Δ-Σ调制时，采样频率通常是信号最高频率的64～256倍，所以通常把这种模数转换方式称为过采样Δ-Σ模数转换。模拟信号经过调制后，得到的是一位的高速Δ-Σ数字流，包含着大量的高频噪声。因此还需要进行数字滤波，除去高频噪声和降频，转换后的数字信号以奈奎斯特频率(信号最高频率的2倍)输出[18,19,20]。
由于MS3110实现C/V转换时的分辨率高，采样频率≤8KHz，因此，为保证数据精度，选择Δ-Σ ADC，经调研具体选择了TI公司的ADS1255。
图1-1中的微控制器的主要功能是对MS3110进行编程、对ADC进行控制以及通过串口与上位机进行通信等，因此其主要任务是对I/O设备的控制，数据处理方面的性能要求不高，再考虑到方便调试，选择Atmega16作为微控制器。
下面对图1-1中各主要芯片与系统设计相关的部分做简要介绍。
2.2通用电容读出芯片MS3110
2.2.1 MS3110内部结构及工作原理
MS3110的内部结构如图2-1所示。由图可见，MS3110主要由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持器、低通滤波以及放大器组成。
图2-1 MS3110的原理框图
图2-1中，CS1IN、CS2IN为被检测电容，CS1、CS2为MS3110芯片内部的可调补偿电容阵列，用于调节由于输入电容的不对称而引起的偏置。CF为电荷放大器的可调积分电容，通过调节可以设置前段积分器的增益。
MS3110采用调制解调的电容读取方法。MS3110芯片内部可以输出两路幅值相等、相位相反的方波作为待读取电容的激励信号，实现对电容变化的调制。调制信号经过电荷积分放大器将电容变化转换为电压变化，再经过低通滤波、增益放大就得到了与电容变化成正比的电压信号。
设芯片内部产生的方波信号幅值为A、频率为ω。它的傅里叶级数为： (2-1)
电荷积分器的输出信号为： (2-2)
式中kc为电荷放大器的增益系数；△C为检测电容差。
采样保持电路的采样频率也为ω，它的工作原理可以等效为用幅值为1、频率为ω的方波信号与电荷积分器的输出信号相乘，该方波信号为：