高精度微弱电容检测系统的设计与实现_潘湖迪
微小差分电容检测电路设计
微小差分电容检测电路设计摘要电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。
由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。
本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。
实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。
关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容Design of measured circuit about micro differential capacitiveAbstractThe capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro differential capacitance sense is introduced in the text.The experiment results show a good correspondence with the theoretical analysis. The basic principle of the method and the principle of choose the parameters in the circuit are provided and test conclusion is given. The measurement is free of stray immune capacity, low-cost and easy for realization.Key word: differential capacitance, high frequency signal, capacitive sensor,stray-immune capacitance目录1 绪论11.1 电子测量技术的发展 (1)1.1.1 电子测量的特点 (1)1.1.2 常用的几种电容测量方法 (2)1.2 课题研究的目的和意义 (3)1.3 本课题的任务和内容 (4)2 电容式传感器52.1 电容传感器的分类 (5)2.1.1 变极距型电容传感器 (6)2.1.2 变面积型电容传感器 (8)2.1.3 变介电常数型电容传感器 (9)2.2 电容传感器的特点 (10)2.2.1 优点 (10)2.2.2 缺点 (10)2.3 应用中存在的问题 (11)2.3.1 附加损耗 (11)2.3.2 边缘效应 (12)3 电容电压转换电路133.1 变压器电桥 (13)3.2 二极管T型网络 (13)3.3 谐振法 (14)3.4 差动脉冲调宽电路 (14)3.5 运算放大器电路 (16)4 两种微小电容检测的方法174.1 直流充放电法 (17)4.2 高压双边交流激励法 (18)5 消除寄生电容的屏蔽技术205.1 增加传感器原始电容值 (20)5.2 传感器的接地和屏蔽 (20)5.3 集成化 (20)5.4 “驱动电缆”技术 (20)5.5 运算放大器法 (21)5.6 整体屏蔽 (21)6 电路设计与Multisim2001仿真分析236.1 测量原理 (23)6.2 电路设计 (24)6.2.1 高频信号发生器 (24)6.2.2 C/V转换及放大电路 (24)6.2.3 全波整流 (29)6.2.4 低通滤波 (30)7 结论34附录微小差分电容检测电路图35参考文献36致谢38外文文献原文译文1 绪论1.1 电子测量技术的发展测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是人们认识和改造自然的一种不可缺少的手段。
高精度微弱电容检测系统的设计
高精度微弱电容检测系统的设计张印强;杨道业【摘要】For the measurement of weak signal in capacitance measuring system, a micro capacitance measuring system based on FPGA and digital demodulation was proposed. Through hardware and software design, a kind of high precision capacitance measuring system composed of power circuit, capacitance/voltage converting circuit, FPGA and A/D converting circuit was presented. The theory of weak capacitance measurement based on carrier modulation and the hardware design were analyzed. The implementation of a sinusoidal carrier signal based on the COKDIC algorithm, digital demodulation and the controlment of the AD were also discussed. The practice shows that the capacitance measurement resolution is 5fF and the system has the high precision and reliability.%针对微弱电容信号的检测问题,提出了一种基于FPGA和数字解调的高精度微弱电容检测系统；通过硬件设计和软件设计,实现了由电源电路、C/V转换电路、FPGA电路、A/D转换电路等组成的高精度电容检测系统；阐述了利用载波调制进行微弱电容检测的原理和系统硬件电路的实现方案,并给出了基于cordic算法的载波生成、数字解调和AD采样控制在FPGA中的具体实现；实际运行表明,该检测系统的电容检测分辨率可达到5fF,具有精度高及抗干扰能力强等优点.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2012(020)012【总页数】4页(P3207-3209,3252)【关键词】微弱电容检测;数字解调;AD7767;FPGA;CORDIC算法【作者】张印强;杨道业【作者单位】南京工业大学自动化与电气工程学院,南京 210009;南京工业大学自动化与电气工程学院,南京 210009【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言电容传感器广泛用于多种检测系统，可测量浓度、压力、角速度、加速度等物理量，其测量精度高，响应速度快［1］。
基于SR-VMD 的微弱故障行波检测方法
DOI: 10.19783/ki.pspc.200104
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.49 No.1 Jan. 1, 2021
基于 SR-VMD 的微弱故障行波检测方法
付 华，王婧羽
配电网电压等级低，容性设备等效电容的差异 等使得配电网行波的幅值远小于输电网[15]，另外，
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付 华，等 基于 SR-VMD 的微弱故障行波检测方法
Weak fault traveling wave detection method based on SR-VMD
FU Hua, WANG Jingyu (Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China)
基金项目：辽宁省自然基金指导计划项目资助(20180550438)
态混叠的现象，且难以消除其固有的端点效应[8-9]； 变分模态分解[10](Variational Mode Decomposition, VMD)是在借鉴传统经验模态分解的递归模型基础 上演变而来的一种完全非递归的模态变分方法，在 对信号的奇异性特征的反映上体现出优良特性。目 前国内外学者已将优化的 VMD 算法广泛应用到机 械故障和电力系统故障诊断中[11-12]。文献[13-14]分 别将基于 VMD 和 TEO 的信号处理方法应用到电力 系统雷击故障测距中和配电网故障测距中，提高了 信号分解效率，有一定程度的降噪作用，但对于参 数的设定都没有给出明确的方法，其方法的适用度 将随着噪声的增加而减小。
微弱电容测量电路设计
微弱电容测量电路设计
微弱电容测量电路设计指的是设计一种电路，用于测量微弱的电容变化。
在许多应用中，例如生物医学、环境监测和精密测量等领域，需要高灵敏度地检测和测量微弱的电容变化。
因此，设计一种能够准确地测量微弱电容的电路是非常重要的。
微弱电容测量电路设计需要考虑的关键因素包括：
1.高灵敏度：电路应具有高灵敏度，以便能够检测到微弱的电容变化。
2.低噪声：电路应具有低噪声性能，以减少测量误差。
3.线性度：电路的输出应与输入的电容变化成线性关系，以便准确地测量电
容值。
4.稳定性：电路应具有稳定的性能，以避免测量结果的漂移。
在实际应用中，常见的微弱电容测量电路包括电桥电路、谐振电路和交流阻抗谱测量电路等。
这些电路各有优缺点，需要根据具体的应用场景和需求进行选择。
总结来说，微弱电容测量电路设计指的是设计一种高灵敏度、低噪声、线性度和稳定的电路，用于检测和测量微弱的电容变化。
这种电路在生物医学、环境监测和精密测量等领域有广泛的应用前景。
基于TDC的高精度微电容测量系统设计
基于TDC的高精度微电容测量系统设计作者：黄峰刘敬彪于海滨潘勉来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期摘要提出一种基于Pcap01AD的微小电容测量电路设计，可对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量。
该设计基于TDC（时间数字转换）原理，系统硬件主要由STM32F101C8T6单片机和Pcap01微电容测量芯片两部分组成。
系统软件包括下位机软件和上位机软件，下位机主要完成对电容测量数据的读取以及发送至上位机，上位机则对数据作进一步处理和显示。
实验证明，该系统的测量精度非常高，在以22pF为基础电容时，其测量最小误差率仅为9.8×10-7%。
【关键词】TDC 高斯分布微电容测量 Pcap01AD在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等测量领域，经常利用电容效应来测量板间介电常数和位移等重要参数。
然而，当前的电容效应在这些领域应用中存在两个问题：（1）电容信号的输出信号往往很小（1fF～100Pf）；（2）传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容难消除并且严重影响测量结果。
因此，如何对微小电容进行高精度测量是当今电容测量领域亟待解决的难题。
目前微小电容测量主要集中在高度集成化方向。
美国Irvine Sensors公司的通用电容检测芯片MS3110能够达到4aF的分辨率，0.5～8KHz采样频率；美国ADI公司的AD7746芯片能够达到4fF的分辨力，采样频率最高为90Hz；德国GEMAC公司的HT133芯片能够达到0.16fF的分辨力，采样频率最高为20KHz；德国ACAM公司的通用电容检测芯片Pcap01AD 是一款专用的微电容测量芯片，该芯片基于TDC原理，具有高速、高精度以及低功耗等优点。
本设计利用Pcap01AD对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量，在1Hz的测量频率下其最小误差率仅为9.8×10-7%。
1 Pcap01AD主要特性及原理1.1 测量原理Pcap01AD将“放电时间测量”作为测量电容的原理。
基于单片机的微小电阻测量系统设计
电阻的测量精度，目前，广泛地采用四线接法测量微
小 电 阻 。 四 线 接 线 法 测 量 原 理 如 图 1 所 示 ，其 中 Rx
图2
为被测电阻，IS 为加到被量电阻上的恒流源，R1 和 R2
为恒流源导线上的等效电阻，V 为电压表，R2 和 R3 为
除导线电阻对微小电阻测量值的影响，能直接提高
- 86 -
IO =
UA
R8
（2）
其中，IO 为输出电流，R8 为取样电阻。R2、R3、R4、
R5 和 R6 为电压调节电路，调节 R5 的电阻时，A 点的电
杨秀增，
等 基于单片机的微小电阻测量系统设计
图5
图 3 高精度恒流源电路
当 C7=C6=C,R4=R5=R 时，电压增益表达式为：
电压表导线的等效电阻。由电路知识可知，当把电
压表接触到被测电阻 Rx 两端时，电压表 V、R1、R2 和 Rx
形成一个闭合回路，由于流过 R1 和 R2 上的电流相等
并方向相反，电压表 V 两端的电压 Vx 与被测量电阻
Rx 的电压相等，被测电阻的阻值可以表示为：
V
Rx = x
IS
（1）
系统总体设计方案
3 硬件设计
3.1
高精度恒流源电路
图 3 为 本 测 试 仪 所 采 用 的 恒 流 源 电 路 ，为 了 提
高恒流源的性能，该系统采用一块高性能的基准电
压产生芯片 LM399 进行设计。由图 3 可知，恒流源
电路由基准电压芯片 U1、电压跟随器 U2、U3、U4、扩流
管 T1 组成。LM399 第 1 脚输出 6.95 V 电压，经分压
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仪表技术
件单独供电，同时 AD7746 芯片供电采用电感电容网 络滤波； 在数字地平面和模拟地平面由一个 0 Ω 电阻 相连实现 接 地。在 布 局 布 线 方 面，按 照 器 件 的 分 类 （ 数字器件类和模拟器件类） ，模拟器件放在最右边； MSP430 单片机的晶振频率较高，与 JTAG 接插件靠在 一起，远离其他电路模块； 串口放在左下角，具体如图 3 所示。为了最小化共阻抗耦合，模拟信号之间也需 要隔开，并远离数字信号。布板时还要考虑信号走线， 尤其是模拟器件 AD7746 的信号输入、输出走线，这些 引脚的走线必须远离不断变化的其他信号走线。
通常情况下微弱电容传感器在 pF 数量级，变化量 在 fF 数量级，有效输出信号非常小，而且一般背景干
扰信号大，因此如何在大的背景噪声干扰中提高微弱 电容测量灵敏度和信噪比，成为实现微弱电容高精度 检测的关键。目前常用的微弱电容测量方法主要有调 频式、运算放大式、开关充放电式、交流激励式和 Sigma-Delta 电容-数字转换式检测方法。在实际实现过 程中，在分立元件较多的情况下，寄生电容较多，很难 设计出比较实用的高精度电容测量电路。因此，一般 测量电路主体大多采用芯片实现，集成度高，有利于减 小 PCB 板噪声、干扰以及提高采集有效信号的精度。
with High Precision
PAN Hu-di1 ，CHEN Da-guo1 ，LI Meng2 ，SHAO Ming-xian2
（ 1． Electrical Safety Testing Center of Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo 315300，China； 2． Institute of Microelectronic CAD，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）
0 引言
电容传感器作为常规传感器之一，应用领域广阔， 测量精度高，响应速度快。随着航空航天、精密机械加 工及精密仪器等生产领域的发展，微小尺度部件的应 用也越来越广泛。利用部件的微小尺寸位移变化或介 质材料变化可以形成各种各样的电容传感器，从而可 以检测微小部件尺寸位移或介质材料的微小变化，但 是这些电容传感器变化幅度小，难以实现高精度和高 效率的测量，其高精度测量问题已成为困扰其进一步 运用的技术难题之一。
容，实际过程中将采用屏蔽连接线和连接头来减小寄
生电容干扰。
1． 1 AD7746 硬件模块
AD7746 是一个双通道的数字电容转换器芯片，
内部集成了 24 位 Sigma-Delta 调制器、时钟发生器、控
制逻辑校正、多路复用器、IIC 总线接口、数字滤波和激
励源等。AD7746 芯片具有 24 位分辨率，有效位达到
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仪表技术
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度芯片的使用，降低了检测系统成本，具有成本低的优 势。
1 系统结构及硬件设计
整个检测系统设计原理框图如图 1 所示，主要由 电容 传 感 器、AD7746 电 容 数 字 转 换 器、电 源 管 理 电 路、单片机控制单元、存储电路、接口电路等几部分构 成。该检测系统以单片机为核心控制器件，以 LED 数 码显示或者计算机显示的形式给出待检电容的数值， 同时系统与计算机可以进行数据通信，在计算机上重 复多次显示测量结果以及保存测试数据。
repeatability，and the worst error of the capacitance output is less than ± 1 fF under the condition of the self-fabricate capacitance sensor．
Key words： weak capacitance； capacitance-to-digital converter； measurement circuit
电容测量输入通道均可接成单端浮地模式或差分浮地 模式，可同时接 2 个待测电容。具体的 AD7746 的硬 件电路模块如图 2 所示，SCL 和 SDA 通过 2 个 1 kΩ 的 电阻上拉，用来保证信号的确定性。由于 AD7746 有 着较高的分辨率，所以对外围环境的干扰信号源十分 敏感，为了进一步避免不必要的误差，将其 2 个通路分 别接上 SMB 座，用屏蔽线和外部传感器相接，使测量 结果更加精确。在实际电容测量过程中，激励源发出 方波激励信号，调制器不断对通过被测电容的电荷采 样，并输出包含占空比信息的 0、1 数字流，然后由数字 滤波器对调制器的输出进行校正处理，最终结果通过 IIC 串行总线口输出。
测量结果显示，同时也可以采用 6 位数码管将电容值
进行显示。
在测量过程中，AD7746 芯片测得电容值 C总 包含 了待测电容和本底电容（ 寄生附加电容） ，即
C待测 = C总 － C本底
（ 1）
其中，本底电容值包括 PCB 板和连接线的寄生电
容，可以通过在无待测电容情况下直接测得。为了增
加系统抗干扰性和可靠运行，应当尽可能减小寄生电
21 位，整体线性度优于 0． 01% ，精确度可达 4 fF。被
测电容连接在激励源和 Sigma-Delta 调制器的输入端，
图 2 AD7746 硬件电路模块
1． 2 RS-232 和 RS-485 硬件接口电路 由于单片机输出的是 TTL 电平，而 PC 机只能接
收 RS-232 电平，所以需要将输出数据进行接口转换； 同时 RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的 组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，并且 有着很长的传输距离，所以为了满足工业需求，本系统 同时采用了 RS-485 和 RS-232 通信接口，应用接口范 围更广。其中 RS-232 串口头为 9 针结构，数据控制为 2、3 管脚，5 管脚接地，MAX232 的 11、12 管脚通过 2 个 1 kΩ 的上拉电阻与单片机的 I / O 口相连。 1． 3 PCB 布板及降噪
程序控制流程如图 4 所示。硬件系统上电后，程 序控制首先完成对外设引脚的配置，以及对定时器的 配置（ 包括配置定时时间，并使能定时器中断） 。假如 在电路板上所得到的现象与程序所设计的不相符合， 则需要对 MSP430F149 进行重新复位，保证其他的外 设没有任何问题后对 AD7746 进行初始化； 然后程序 控制开启总中断，系统进入中断模式，在中断服务程序 中读取电容值，并通过 RS-232 /485 总线将电容值发送 到 PC，如果定时时间到则跳出中断服务程序，进入主 循环，在主循环中将采集到的电容值显示在 2 个 3 位 共阴数码管上。
图 1 微弱电容检测系统设计框图
当电容传感器的介质或者间距发生微小变化时，
电容传感器电容值将会发生微弱的变化。系统通过
AD7746 芯片内部的激励源对被测电容传感器施加激
励信号，经过不断采样、滤波，得到所需要的二进制数 值。然后通过 I2 C 接口把数据传送到 MSP430 单片，
MSP430 单片机通过通信接口 USART 送到计算机进行
netic interference to implement the wide range and high resolution measurement by adopting the double-shielded capaci-
tance and the shielded electric cables． The test results show that the measurement has high measurement accuracy and
er which is developed by ADI． Its capacitance input range is ± 4 pF，while its common-mode capacitance can accept up
to 17 pF with two capacitance input channels． The system reduces the parasitic capacitance，suppresses the electromag-
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图 3 检测系统的布局布线
2 软件设计
为了实现系统电路的整体功能，需要对微控制器 MSP430F149 进行软件设计，控制芯片 AD7746、串口 RS-232 /485、显示驱动 74HC573 和 EEPROM 等，使它 们能协调正常工作。其中，AD7746 支持两线 I2 C 串行 通信，即时钟线（ SCL） 和数据线（ SDA） ，它们将所有的 地址信息、控制命令和数据信息一位接一位地传送给 连接在该总线上的外围设备。总线设备被分类为主设 备方和从设备方，主设备方发起一次数据传输要求，从 设备方回应该要求。
出的 24 位高精度电容数字转换器，测量可变电容范围为 ± 4 pF，可通过在片可编程补偿设置 0 ～ 17 pF 的共模电容偏置，具有两组电
容输入通道。系统采用屏蔽电缆、电容器两层屏蔽等措施，减小寄生电容，抑制电磁干扰，实现宽范围高精度测量。经过多次试验
表明，该检测系统具有很好的测量精度和重复性，最差电容测量( 采用自制电容传感器的情况下) 输出误差≤ ± 1 fF。
由于 AD7746 的采样转换时间从 11． 0 ms 到 109． 6 ms 之间变化，因而程序执行周期可由 AD7746 采样
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 4 程序控制流程
频率决定。整个硬件存在外部寄生电容 （ 即本底电 容） ，而且本底电容会随着环境的变化而变，所以在进 行软件初始化过程中要增加自动调零功能，通过归一 化，使得输出数值直接为待测电容数值。
本文讨论了一种基于 Sigma-Delta 式原理电容-数 字转换器芯片 AD7746 的高精度微弱电容检测系统， 并利用 MSP430 单片机对其进行控制和修正。该检测 系统具有精度高、抗干扰性强等特点，同时通过高集成