高性能電容傳感器檢測(cè)系統(tǒng)*(上)

摘要： 本文介紹了一種基于交流測(cè)量法的電容傳感器檢測(cè)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： 電容檢測(cè)；交流法；運(yùn)算放大器；A/D轉(zhuǎn)換器

引言

有多種測(cè)量電容的方法。但只有運(yùn)算電容法適合自動(dòng)在線測(cè)量。應(yīng)用中使用較多的有直流充放電法和交流法。

從信號(hào)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(hào)處理流程如圖1。

圖1 充放電法的信號(hào)處理流程圖

交流法的信號(hào)處理流程如圖2。

圖2 交流法的信號(hào)處理流程

因此，可以將兩個(gè)電路統(tǒng)一起來。信號(hào)流程圖如圖3。

圖3 統(tǒng)一的測(cè)量變換電路

相控整流電路對(duì)輸入噪聲信號(hào)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(hào)將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號(hào)中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號(hào)中的低頻噪聲不會(huì)對(duì)最終測(cè)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(cè)量結(jié)果。

為使測(cè)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(hào)有較大的幅度，并有較高的信噪比。

前級(jí)放大電路，不但將信號(hào)放大，同時(shí)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(hào)經(jīng)過一級(jí)處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號(hào)幅度一定時(shí)，信號(hào)的信噪比與信號(hào)的平均值成正比。

充放電法，在施加方波激勵(lì)時(shí)，交流放大輸出的是窄脈沖，信號(hào)占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號(hào)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(hào)作為激勵(lì)。信號(hào)平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時(shí)，由于所處理的信號(hào)為單一頻率正弦信號(hào)，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(hào)的信噪比。

交流法測(cè)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(huì)比充放電法復(fù)雜。因此選用交流激勵(lì)信號(hào)來構(gòu)成本測(cè)量系統(tǒng)。

激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)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(jí)相控整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，便于在大范圍內(nèi)調(diào)整與相控整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位。

本設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)，通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動(dòng)的到控制信號(hào)。然后經(jīng)過帶通濾波放大得到激勵(lì)信號(hào)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(jí)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(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)頗為重要的因素。