容栅式数显卡尺专用芯片的设计

机械读数式游标卡尺作为基本测量工具已广泛应用于机械加工等行业，但是它读数不方便、精度低、功能单一，不能适应现代化机械加工的发展要求。由于容栅传感器具有结构简单、功耗低、抗干扰性强、无运动部件等优点，所以采用容栅传感器做成的数显卡尺重量轻、抗振动、功耗低、耐污染，随着电子技术的发展，尤其是超大规模集成电路（VLSI）技术的发展，可以将一种终端产品的所有功能都集成到一块芯片上，从而实现减少系统成本，提高性能，降低功耗，减小设备体积的目的。因此，基于微电子技术的数显卡尺具有体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宪、功耗低、寄生电容小等优点，近年来已得到广泛应用.

本文首先分析了容栅式数显卡尺各组成部分的工作原理，并采用模拟硬件描述语言Verilog-A对容栅传感器的结构及行为进行了建模与仿真，应用于芯片的数据处理，然后，根据容機系统的性能要求，进行了逻辑电路的设计。主要介绍三部分重要电路的设计：采用电荷泵电路实现多电源电压的输出，达到降低芯片输入电源电压，最终实现降低芯片功耗的目的：数据采集与解调电路采用四个放大器轮流工作，对传感器的输出信号进行解调处理；采用鉴相电路来实现对传感器输入与输出信号相位偏差的判别。使用Hspice仿真软件对上述电路的功能进行了仿真验证。其次，采用3um CMOS铝栅工艺，在Cadence Virtuoso版图设计软件中进行版图设计及物理验证。最后，对采用此专用集成电路芯片的容栅式数显卡尺进行实际应用测试。该芯片是一款高集成度、低功耗、数模混合的数显卡尺专用芯片，目前已经实现产品化，投放市场。

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