电容传感器新型微弱电容测量电路

电容传感器新型微弱电容测量电路D
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
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
图 6 示出了数据采集系统的简图G 本系统在每 个 电 极 上 设 计 了 一 套 电 容/ 电 压 ( C/ V) 转 换 电 路 模 块 即基于电荷放大原理的电容测量电路 共有 12 个 C/ V 转换电路模块 它们置于屏蔽罩内部的径向 电极上 一方面减小了外部电场对测量电路的干扰; 另一方面将电极与测量电路之间的引线缩短到最
VXout
=
Vou t 2
- Voutl
=-
Vin CX Cf - CO
C 3D
由此可见~ 电荷注入效应不会对输出产生影响~ 且输
出电压与未知电容成线性关系O
式 C 3D 没有考虑运放 Ul 的输出失调电压和输
入失调电流的影响~ 是由于同一运放的参数基本稳
定~ 其对 Voutl 和 Vout2的影响大体相同~ 差动式结构可
开关的输出电容的影响是因为 Sl 此时关闭~ 两端压
差 为 O~ 它 的 存 在 不 影 响 施 加 在 CX 上 的 激 励 电 压~
S2 则可归入杂散电容 Cas~ S4 与 S5 与 CX 则没有直接
联系~ 可以不予考虑O
式 C 3D 中 CO 未 知~ 可 以 利 用 产 品 手 册 给 出 的 典
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,
Z 新型电路测量原理
图 l 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 l 基于电荷放大原理的电容检测电路
图 中 Cx 为 被 测 电 容 它 的 左 侧 极 板 为 激 励 电 电容 C0 也会引入误差, 一般认为电荷注入效应的机
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
式设计较好的解决了这部分影响问题, 再 考 虑 开 关 Sl 与 SZ 的 电 荷 注 入 效 应 使 用 如
图 3 示 的 时 序 图 即 如 果 SZ 的 关 断 时 间 晚 于 S3 Sl 晚 于 SZ 的话 则它们基本对输 出 不 产 生 影 响[8], 假 设 S3 已经断开 当 SZ 断开时 它 的 电 荷 注 入 效 应 引 起 Vl 很 小 的 波 形 失 真 随 之 Sl 关 闭 尽 管 有 SZ 的 电荷注入 但是 Vl 仍将被置成 Vin, 因此 电容 C 左 极板上的电压不受 SZ 的电荷注入的影响 由此施加 在 C 上 的 电 压 也 不 受 SZ 的 电 荷 注 入 的 影 响, Sl 的 电荷注入不产生影响 原因很简单 当它断开时本次
以 基本消除这部分影响O 采 保 中 的 开 关 S4 与 S5 在
断 开 时~ 它 们 的 电 荷 注 入 效 应 会 使 Voutl 和 Vout2 的 波
形 产 生 瞬 时 微 小 失 真~ 相 对 于 Voutl 和 Vout2 它 们 的 值
较小可以忽略O 除 S3 的输出电容外~ 没有考虑其它
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]
来稿日期: 2002-07-04 D 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)
Z 74
传感技术学报
Z00Z 年
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
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
图 Z 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 Z 示出了 CMOS 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
图 4 不同时刻的波形图
Vou t l
=
-
CXV/ Cf - CO
C lD
第 二 步 测 量 由 激 励 引 起 的 输 出 的 变 化O 开 关 S2 断
开~ 开关 Sl 关闭施加直流电压激励 Vin ~ 右 侧 极 板 感
图 5 l 2 电极 ECT 传感器结构示意图
276
传感技术学报
2002 年
极 右侧极板为检测电极, Cas和 Cbs表示每个电极所 制主要有两方面 一方面是由于沟道电荷造成 在关
有 杂 散 电 容 的 等 效 电 容 Cas 由 激 励 源 驱 动 它 的 存 来自百度文库 时 这 些 沟 道 电 荷 分 别 从 漏 极 和 源 极 流 出 流 入 测
在对流过被测电容的电流无影响, 电容 Cbs在检测过 量电路, 另一方面是由栅极与漏~ 源极间的寄生电容
应出电荷与 S3 的电荷注入效应引入的电荷叠加~ 导 致 Ul 的输出上升~ 在 t4 时刻输出稳定 Vout2等于 V3~ S4 断 开 使 采 样 保 持 器 进 入 保 持 模 式~ 则 Vout2 可 表 示 为,
Vou t 2
=
-
C V/ - Vin D CX Cf - CO
C 2D
得到仪表放大器的输出为,
数据采集已经结束, 总之 通过首先断开 S3 使电路 只受 S3 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 S3 的影响,
第4期
王 雷~ 王保良等, 电容传感器新型微弱电容测量电路
275
图 3 开关时序图
由此得到电路的工作原理如下, Vin 为充放电的 激 励电压源O 运放 Ul ~ 电容 Cf 和开关 S3 构成电荷放 大 器~ 开 关 S4 和 S5 及 运 放 U2 和 U3 构 成 两 个 采 样 保持器C S/ HD ~ U4 为 仪 表 放 大 器O 电 路 的 工 作 过 程 分为两步~ 如图 4 所示O 第一步为测量开关 S3 的电 荷注入效应O 在电路开始工作之前~ Vin电压为高~ 开 关 S3 闭合~ 两个采样保持器都处于采样模式O 由于 S3 闭合~ Ul 输出为 O VO 在 tl 时刻 S3 断开~ 在理想 情 况 下~ V3 将 仍 然 为 O V~ 但 由 于 S3 的 电 荷 注 入 效 应~ 有电荷被注入电路O 这将导致 V3 被拉低至 VLO 在 t2 时 刻~ Ul 的 输 出 稳 定 并 且 U3 的 输 出 Voutl 等 于 VL~ S5 断开使采样保持器进入保持模式O 假设 S3 的 电荷注入效应相当于输入电压引起~ 同时假设 S3 的 输出电容对电路的影响为 CO ~ 则 Voutl 可表示如下,
型 值; 或 是 准 确 测 量 出 CO 的 值~ 通 过 选 用 一 批 已 知
容 值 的 高 精 度 的 CX 对 电 路 进 行 测 试~ 从 而 得 到 CO
的值O 在某些情况下~ 还可以通过巧妙的设计直接消
除 CO 的影响~ 如下文举例O
3 应用举例
该新型电路已成功应用于电容层析 成 像 C Electrical Capacitance Tomography 简 记 为 ECTD 系 统O 图 5 示出了 l2 电极电容层析成像传感器结构示意 图~ 主要由传感电极~ 径向电极~ 屏蔽罩和绝缘管道 组成O
程 中 始 终 处 于 虚 地 状 态 Cbs 的 两 端 无 电 压 差 因 而
存储的电荷释放流入测量电路造成的[7~ l0],
它也对电容测量无影响 因而整个电路对杂散电容
本文对各开关的控制时序进行了合理的设计
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,
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 S3 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
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. 8 mV/fF, 分辨率可达
到 0. 5 fF
关键词: 电容; 测量; 传感器; 电路
中图分类号: TP212
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: D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; @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; 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
2002 年 12 月
传感技术学报
第4期
New Smal l Capacitance Measuring Circuit f or Capacitance Sensor
WANG Lei, WANG Baoliang, JI Haifeng, HUANG Zhiyao, LI Haiging
( National Key La}oratory of Incu trial Control Technology, In titute of Automation In trumentation, Department of Control Science anc Engineering, Zhejiang Uni er ity, Hang hou 310027, P. R. China)
Abstract: A new small capacitance measuring circuit based on charge amplif ier principle was developed f or capacitance sensor. The advantages of this circuit are stray-immune, high resolution because of no ef f ect of charge injection and high data acguisition rate because of no f ilter in this circuit. Test results show that the linearity of this circuit is good, the sensitivity of 4. 8 mV/ f F and resolution of 0. 5 f F can be achieved. Key wor<s: capacitance; measurement; sensor; circuit