高性能電容傳感器檢測系統(tǒng)
引言
有多種測量電容的方法。但只有運(yùn)算電容法適合自動在線測量。應(yīng)用中使用較多的有直流充放電法和交流法。
從信號處理過程來看,充放電法與交流法并無本質(zhì)區(qū)別。
充放電法的信號處理流程如圖1。
圖1 充放電法的信號處理流程圖
交流法的信號處理流程如圖2。
圖2 交流法的信號處理流程
因此,可以將兩個電路統(tǒng)一起來。信號流程圖如圖3。
圖3 統(tǒng)一的測量變換電路
相控整流電路對輸入噪聲信號的頻譜產(chǎn)生搬移的作用。低頻噪聲成分被搬移到高頻段,高頻噪聲成分被搬移到低頻段。
相控整流輸出的信號將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號中的高頻成分將被濾除掉。因此,相控整流電路輸入信號中的低頻噪聲不會對最終測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而(2n-1)fc附近的噪聲將被搬移到低頻出,影響最終測量結(jié)果。
為使測量電路有較高的分辨率,應(yīng)使輸入到相控整流電路的信號有較大的幅度,并有較高的信噪比。
前級放大電路,不但將信號放大,同時也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號經(jīng)過一級處理電路后,將加入固定幅度的噪聲。因此,在輸出信號幅度一
定時,信號的信噪比與信號的平均值成正比。
充放電法,在施加方波激勵時,交流放大輸出的是窄脈沖,信號占空比很低。因此,信噪比也很低。其次,放大脈沖信號要較大的帶寬,高次諧波兩側(cè)的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段,加大了低頻噪聲。
交流法,使用單頻率正弦信號作為激勵。信號平均值大,因而能得到較高的輸出信噪比。同時,由于所處理的信號為單一頻率正弦信號,可以使用窄帶帶通放大器,減小放大器引入的噪聲,進(jìn)一步輸出信號的信噪比。
交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結(jié)構(gòu)并不會比充放電法復(fù)雜。因此選用交流激勵信號來構(gòu)成本測量系統(tǒng)。
激勵電路設(shè)計
激勵電路輸出固定頻率的正弦波。要求正弦波頻率、幅度、相位恒定,便于同后級相控整流驅(qū)動信號同步,便于在大范圍內(nèi)調(diào)整與相控整流驅(qū)動信號的相對相位。
本設(shè)計中,使用高精度、低噪聲基準(zhǔn)穩(wěn)壓源保證生成的脈沖信號幅度的穩(wěn)定。使用溫補(bǔ)振蕩器產(chǎn)生高頻高穩(wěn)定度的信號,通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動的到控制信號。然后經(jīng)過帶通濾波放大得到激勵信號輸出。
電壓基準(zhǔn)源的選擇
理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該是內(nèi)阻為零,不論電流是流進(jìn)去還是流出來,都應(yīng)當(dāng)保持輸出電壓恒定。內(nèi)阻為零的基準(zhǔn)源是不存在的,然而內(nèi)阻只有毫歐數(shù)量級的基準(zhǔn)源是可以做得到的?;鶞?zhǔn)源的工作原理、參數(shù)和選擇方法,對于系統(tǒng)設(shè)計是一個頗為重要的因素。
·基準(zhǔn)源的類型
基準(zhǔn)源主要有齊納二極管、埋入式齊納二極管和帶隙電壓基準(zhǔn)三種。它們都可以設(shè)計成兩端并聯(lián)式電路或者三端串聯(lián)式電路。
齊納二極管是工作在反向偏置的二極管,需要一個串聯(lián)的限流電阻。在要求高精度和低功耗的情況下,齊納二極管通常是不適合的。
埋入式齊納二極管集成基準(zhǔn)的噪聲比帶隙式的低,長期穩(wěn)定型好,溫漂小。但是輸出電壓高,大約為6~7V,需要較高的供電電壓。
帶隙式基準(zhǔn)的輸出電壓可以低至1V?,F(xiàn)已經(jīng)有1.235V,1.25V,2.048V,2.5V,4.096V,5V的器件。
電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
評論