高性能電容傳感器檢測系統(tǒng)*(上)

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

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

引言

有多種測量電容的方法。但只有運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。