电容传感器新型微弱电容测量电路

New S mall Capacitance M easur i n g C i rcuit for Capacitance Sen sor

W A N G L ei,W A N G B aoliang,J I H aif eng,H UA N G Z h iy ao,L I H aiqing

(N ational K ey L aboratory of Ind ustrial Control T echnolog y,Institute of A uto m ation Instrum entation,

D ep art m ent of Control S cience and

E ng ineering,Z hej iang U niversity,H ang zhou310027,P.R.China)

Abstract:　A ne w s m all capacitance m easuring circuit based on charge a mp lifier p rinci p le w as devel oped for ca2 pacitance sen s o r.T he advantages of th is circuit are stray2i m m une,h igh res oluti on because of no effect of charge in jecti on and h igh data acquisiti on rate because of no filter in th is circuit.T est results show that the linearity of th is circuit is good,the sensitivity of4.8mV fF and res oluti on of0.5fF can be ach ieved.

Key words:　capacitance;m easure m ent;sen s or;circuit

电容传感器新型微弱电容测量电路①

王　雷,王保良,冀海峰,黄志尧,李海青

(工业控制技术国家重点实验室　浙江大学控制系自动化仪表研究所,杭州,310027)

摘要:基于电荷放大原理提出了一种新型的用于电容传感器的微弱电容测量电路。该电路具有较强的抗杂散电容性能;较好的解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题;该电路无需滤波器,基于该新型电路的电容数据采集系统可以达到很高的数据采集速度。试验测试表明该电路线性度好,灵敏度为4.8mV fF,分辨率可达到0.5fF。

关键词:电容;测量;传感器;电路

中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2002)04-0273-05

1　引　言

电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。在某些场合,例如电容层析成像系统中,传感电容的变化量小至fF级,这就对电容测量电路提出了更高的要求。在现阶段测量飞法级的电容主要有以下几方面的困难:①杂散电容往往要比被测电容高的多,被测量常被淹没在干扰信号中;②测量电路一般要使用一定量的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除;③由于测量对象的快速多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决,滤波器存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题[1,2]。

目前,用于解决测量微弱电容的方法主要有电荷转移法和交流法。这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对被测电容进行充放电,形成与被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被测电容值。但是由于连续充放电测量信号中具有脉动噪声,需要先进行滤波除去其中的脉动成分,但滤波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈。另外,电荷转移法是利用电子开关网络控制电路的充放电,电了开关的电荷注入效应对测量结果的影响还难以完全消除;交流法需要考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高[3～5].

2002年12月 传　感　技　术　学　报 第4期

①来稿日期:2002207204

基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(600094);国家自然科学基金重大资助项目(59995460-5);国家“八六三”计划专项经费资助项目(2001AA413210)。

本文针对以上问题,提出并设计了一种基于电荷放大原理的电容测量电路,一方面该电路对被测电容只进行一次充放电,即可完成对电容的测量,由于测量结果是直流稳定信号,不存在脉动成分,故电路中无需滤波器,因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。另一方面该电路较好的解决了电子开关的电荷注入效应的对测量精度的

影响问题,使电路达到了较高的分辨率;对微弱电容数据采集提供了一种新的思路和方法。

2　新型电路测量原理

图1示出了基于电荷放大原理提出的新型微弱电容测量电路的原理图

。

图1　基于电荷放大原理的电容检测电路

图中,C x 为被测电容,它的左侧极板为激励电极,右侧极板为检测电极。C as 和C bs 表示每个电极所有杂散电容的等效电容,C as 由激励源驱动,它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容C bs 在检测过程中始终处于虚地状态,C bs 的两端无电压差,因而它也对电容测量无影响,因而整个电路对杂散电容的存在不敏感[3,6],即该电路具有较强的抗杂散电容的性能

。

图2　开关的电荷注入效应示意图

由于测量的是飞法级的微弱电容,要求电路具有很高的分辨率。影响该电路分辨率的主要因素是电子开关的电荷注入效应。图2示出了C M O S 开关电荷注入效应的原理图。栅极—漏极与栅极—源极间的寄生电容用虚线表示。电荷注入效应的影响主要是在电子开关关断时,有不期望的电荷注入电路所引起,这种影响引入的误差远大于要测量的飞法级电容值;另一方面在电子开关关断后,开关的输出

电容C 0也会引入误差。一般认为电荷注入效应的机

制主要有两方面,一方面是由于沟道电荷造成,在关断时这些沟道电荷分别从漏极和源极流出,流入测量电路。另一方面是由栅极与漏、源极间的寄生电容存储的电荷释放流入测量电路造成的[7～10]。

本文对各开关的控制时序进行了合理的设计,用以解决电子开关的电荷注入效应。各开关的控制信号的时序图如图3所示。首先考虑当S 3断开时的情况,由于电荷注入效应,电荷将分别从源极与漏极两个节点流出。流向运放输出节点的部分电荷产生的影响很小,仅引起输出波形瞬时微小失真。然而,流向运放反相端的部分电荷将引起运放输出的较大变化,对测量结果产生不良的影响,该电路利用差动式设计较好的解决了这部分影响问题。

再考虑开关S 1与S 2的电荷注入效应,使用如图3示的时序图,即如果S 2的关断时间晚于S 3,S 1晚于S 2的话,则它们基本对输出不产生影响[8]。假设S 3已经断开,当S 2断开时,它的电荷注入效应引

起V 1很小的波形失真,随之S 1关闭,尽管有S 2的电荷注入,但是V 1仍将被置成V in 。因此,电容C 左极板上的电压不受S 2的电荷注入的影响,由此施加在C 上的电压也不受S 2的电荷注入的影响。S 1的电荷注入不产生影响,原因很简单,当它断开时本次数据采集已经结束。总之,通过首先断开S 3,使电路只受S 3的电荷注入效应影响,而不受其它开关的电荷注入效应的影响。而后面电路的差动设计会消除S 3的影响。

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