基于MS3110的微小电容读取电路设计

摘　要： MS3110具有良好的微电容测量性能，可以满足电容法在气/固两相流测量中的应用。提供一种基于通用电容读取芯片MS3110的微小电容读取电路，并对MS3110的可编程参数设置做详细介绍。电路设计中使用89S52单片机对MS3110芯片进行编程控制和数据读取，最终实现对静态电容和动态电容的测量，并通过串口传输至上位机实时显示。
关键词：电容传感器；微小电容测量；MS3110；气/固两相流
       在粉尘颗粒检测的各种方法中，由于电容传感技术进行两相流离散相浓度检测具有简单、非侵入性、低成本、实时性佳等优点,成为目前研究的热点[1]。但气/固两相流中粉尘体积比非常小, 为极稀相(固相体积比约0.05%)[2]。电容式传感器输出的电容信号往往很小(1 fF～10 pF),且传感器及其连接导线存在杂散电容和寄生电容的影响,这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求,如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。目前,国内外在测量10 pF以下的电容方面都存在很大的困难,分离元件电容测量电路的方式早已淘汰,电容检测电路的研究主要集中在高度集成化方向[3]。本文将介绍一种通用电容读取芯片MS3110，它使用方便，功能强大，适用于具有高分辨电容读取接口的MEMS传感器[4]。
1 MS3110芯片介绍
    MS3110芯片是美国Irvine传感器公司生产的一款通用电容读取芯片，是专为MEMS传感器的电容读取接口而设计的、具有超低噪声和4.0 aF/rtHz的分辨率、适合高性能要求的电容传感器[5]，具体介绍如下。
1.1 引脚定义说明
     MS3110引脚定义如图1所示，MS3110的电源使用+5 V电压驱动，由+V(15Pin)施加给芯片，允许供电电压在-0.25 V~+0.25 V之间波动。-V(13Pin)为芯片的接地引脚。V2P25（2Pin）为芯片的参考电压输入端，需要一个平稳的2.25 V的直流电压源提供，否则将影响到测量精度。HV16(10Pin)为芯片内置EEPROM的上拉电压源，在不使用EEPROM时可以不接。
   
       MS3110芯片支持双差分变量输入和单变量输入，当被测变量为差分电容时电容的两极分别接芯片的CS2IN(4Pin)和CS1IN(6Pin)，差分电容的公共端接CSCOM(5Pin)；做单变量输入时,可将被测电容接到CS2IN和CSCOM引脚之间。
     芯片的输出引脚是VO引脚(14Pin),输出为模拟量，输出电压与被测电容值的关系如下：
     VO=GAIN×V2P25×1.14×(CS2T-CS1T)/CF+VREF (1)
其中：VO输出电压；GAIN为增益系数,一般为2或者4 V/V；V2P25为参考电压,一般为2.25 VDC;CS2T=CS2IN+CS2，CS1T=CS1IN+CS1(CS1IN,CS2IN为外部输入电容，CS1，CS2为芯片内置的可编程平衡电容器）；CF为电荷积分电路的积分电容，CF的大小决定芯片测量范围的大小；VREF可以被设置成0.5 VDC或2.25 VDC，一般在单变量输入时为0.5 VDC，在差分变量输入时为2.25 VDC。
     MS3110芯片具有一个60 bit的内部寄存器与一个100 bit的EEPROM，所以一般情况下可以直接使用芯片的内部寄存器来设置芯片的参数，可以通过TESTSEL(3Pin)来选择是否使用EEPROM。当TESTSEL拉低即可旁路掉片内的EEPROM；当TESTSEL拉高时，也可以通过WRT（11Pin）来选择对EEPROM编程(WRT=1)还是对片内寄存器编程（WRT=0）。
     SDATA（7Pin）与SCLK（8Pin）是芯片的通讯接口，SDATA是对芯片编程的串行数据输入口，SCLK为此提供时钟周期。CHPRST（1Pin）为芯片的复位引脚，3个NC端为芯片的保留端。
     MS3110只有13个需要连接的引脚，使它在使用中只需要很简单的周边电路即可，而它的大多数设置是通过编程实现的，以适应不同的需求。下面介绍具体参数设置。
1.2 参数设置详解
     MS3110主要由电容补偿电路、电荷积分电路、低通滤波器以及运算放大器组成。
     如图2所示，CS1和CS2为补偿电容，它们的容值可以通过寄存器中CS1（8:0）和CS2（5:0）两个数组来调节,其中CS1调节范围为0~9.70 pF，CS2为0~1.197 pF,步进都为0.019 pF，CS1和CS2的真值表分别见表1和表2。本设计中被测变量选取为单变量的情况下，被测电容需要接在CSCOM与CS2IN之间，这时CS1值的选择将影响到电容值的测量范围。