高精度微弱电容检测系统的设计_张印强

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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FPGA的多通道电容检测系统设计

电荷放大电路的输出正比于差分检测电容的
变化量，电容的变化包含在输出信号的振幅之
中，因此提取出检测电容变化量Ａｔ需要进行Ｃ（）
一
２２差分放大电路．
次解调，调算法在ＦＧ中实现。解ＰＡ为保证测量精度和多通道检测的小型化需
Ｙ＝Ｋ（ｘｄ２） … Ｙ＋ｉ … ＝一ｄａｃｎ２）ｉｔ（ｒａ（）２
ｄ＝ ± １
Ｉ一Ｇ言俅
杀
式中
，Ｙ—— 向量的坐标分量；
Ｋ—— 比例系数，限值为０６３７可极．０，
作为系统增益处理；
的协议包括ＳＩ和帧同步两种，出格式包括Ｐ输
度，了保证参考电压的精度，用ＡＩ司的为选Ｄ公高精度电压参考源芯片ＡＲ２Ｄ４１提供参考电压，
它具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性，输
Ｃ９
９３
１０ｕＦ上
’
Ｕ＋
．１
ＧＮＤ
Ｒ６３
图３差分放大电路
ＯＡ６２采用４１Ｖ的电源进行供电，降Ｐ１３－０为低干扰，用ｌａ采ＯＦ和０１．Ｆ的旁路电容与电源
引脚相连，过调整Ｒ９和Ｒ０这两个电阻的阻通５６
ＡＳ２８对信号进行采样。ＡＳ２８内部集成有Ｄ１７Ｄ１７多个独立的高阶斩波稳定调制器和ＦＲ数字滤波Ｉ

基于FPGA的电容数据采集系统的设计

乙４Ｌ４
图１系统结构简图
电容／电压转换电路的输出正比于差分电容的
收稿日期：２１－９２０１０－３基金项目：江苏省高校自然科学研究项目（０Ｂ６０４１ＫＪ４００）作者简介：张印强（９８１７一），男，河北邢台人，讲师，主要从事智能测量仪表与自动控制技术的研究。
Ｄ８３产生载波信号用于电容变化信号的调制，选用２位高精度ＡＤＡ０８０４／转换芯片进行电容调
制信号的数据采集。详细阐述了系统的硬件设计方案和在ｑａｔｓｌｕｒｕｌ中利用ＶｒｏＤ语言ｅｉ８ＨＬｌ实现ＤＳＤ算法和Ａ７６ＡＤＤ７７／采样控制的软件设计方法。实际运１壮果表明，仁－ＪＯ该系统能对电容变化进行数据采集，具有精度高及抗干扰性强等优点。关键词：电容检测；Ｆ Байду номын сангаас ＰＡ；Ａ７６；数据采集；ＤＳＤ７７Ｄ算法中圈分类号：Ｔ２３Ｐ７文献标识码：Ａ文章编号：１０－０３（０２２下）０６ —０９１４２１）（一０７４０
Ｄｉ１．９９Ｊｉｓ．０９０．０２２下）２ｏ：３６／．ｎ１０－１４２１．（．１０ｓ３
０引言
电容式传感器广泛地应用于航空航天、军事、
工业、医疗等领域，很多场合下电容量只有几在
１系统组成
系统以ＦＧＡ为核心集成了差动电容传感器、Ｐ电源电路、信号调理电路、ＡＤ转换电路、Ｄ／／Ａ转换电路等功能模块。系统整体结构如图１所示。信号调理电路主要用于对差动电容的变化进

高精度微电容检测系统的设计

高精度微电容检测系统的设计
于长兴
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)006
【摘要】针对微弱电容信号检测的问题,设计了一种基于Pcap01芯片的高精度微电容检测系统.系统硬件主要由微电容测量芯片Pcap01、单片机MSP430最小系统以及供电电路组成.系统软件主要实现了微小电容采集、Pcap01与MSP430之间的SPI通讯以及通过RS485通讯将数据发送到上位机界面显示.实验证明,该系统测量电容的误差可以低至4.1147 fF,具有精度高、抗干扰强等优点.
【总页数】4页(P76-78,82)
【作者】于长兴
【作者单位】绥化学院电气工程学院,黑龙江绥化 152061
【正文语种】中文
【中图分类】TP934
【相关文献】
1.基于Pcap01芯片的高精度微电容检测系统设计* [J], 邓丽莉;桑胜波;张文栋;唐晓亮;李朋伟;胡杰;李刚;菅傲群
2.高精度微弱电容检测系统的设计 [J], 张印强;杨道业
3.基于TDC的高精度微电容测量系统设计 [J], 黄峰;刘敬彪;于海滨;潘勉;
4.微电容阵列检测系统的设计 [J], 葛维冬;许德章;何慧娟
5.农业机械自动调高装置微电容检测系统的设计 [J], 郑晓龙;王士军;张军伟;文永双;赵达
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基于峰值检测的mems器件微弱电容检测电路

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基于微控制器的便携式共面电容无损检测系统

|SSN 1002-4956 CN11 -2034/T实验技术与管理Experimental Technology and Management第37卷第丨丨期2020年11月Vol.37 No. 11Nov. 2020D O I:10.16791/ki.sjg.2020.11.021基于微控制器的便携式共面电容无损检测系统殷晓康\邓承杰、曹松1，李伟\陈国明\周凯2(1.中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛266580;2.山东省特种设备检验研究院有限公司，山东济南250101)摘要：设计了基于电容成像原理的便携式无损检测系统，以STM32F446微控制器为核心，具有操作简便的可交互主机和可更换的电容探头，可实现对反映缺陷信息的微小电容信号的实时精确测量系统软件以相互独立的功能程序为基础，并由实时操作系统调度。

系统用户界面友好，支持测量信号的实时处理，可以以云图和峰值图的形式显示缺陷的位置和尺寸信息，并具有历史数据存储和调出功能测试结果表明，系统可对非导电材料缺陷进行快速无损检测，兼具教学实验价值和现场适应性。

关键词：电容成像；无损检测；便携系统中图分类号：TH878 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2020)11-0103-07Portable coplanar capacitive non-destructive testingsystem based on micro-controllerYIN Xiaokang1,DENG Chengjie1,CAO Song1,L I Wei1,CHEN Guoming1,ZHOU Kai2(1. Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. Shandong Special Equipment Inspection Institute Co., Ltd., Jinan 250101, China)A b stract:A non-destructive testing system based on coplanar capacitive sensing technology is designed. With the STM32F446 microcontroller as the core, it has an easy operating interactive host and a replaceable capacitance probe, which can realize real-time and accurate measurement of micro capacitance signal reflecting defect information. The system software is based on independent functional programs and scheduled by the real-time operating system. The system has a friendly user interface, supports real-time processing of measurement signals, and can display the location and size information of defects in the fomi of cloud and peak images, and has the function of historical data storage and retrieval. The testing results show that the system can detect the defects of non-conductive materials rapidly and has the value of teaching experiment and field adaptability.Key w o rd s:capacitive imaging; nondestructive testing; portable system基于共面电容测量的电容成像无损检测技术因其非接触、易操作及适用范围广等独特性能，逐渐成为电磁无损检测技术研究的热点。

基于FPGA的电容数据采集系统的设计

基于FPGA的电容数据采集系统的设计张印强;孙冬梅;程明霄【摘要】本文介绍了由FPGA、电源电路、电容/电压转换电路、高精度A/D转换电路等模块组成的电容数据采集系统.该系统以FPGA器件EP3C25为核心,基于DDS算法和D/A转换芯片DAC8830产生载波信号用于电容变化信号的调制,选用24位高精度A/D转换芯片进行电容调制信号的数据采集.详细阐述了系统的硬件设计方案和在Quartus Ⅱ中利用Verilog HDL语言实现DDS算法和AD7767A/D采样控制的软件设计方法.实际运行结果表明,该系统能对电容变化进行数据采集,具有精度高及抗干扰性强等优点.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】4页(P67-70)【关键词】电容检测;FPGA;AD7767;数据采集;DDS算法【作者】张印强;孙冬梅;程明霄【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;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 引言电容式传感器广泛地应用于航空航天、军事、工业、医疗等领域, 在很多场合下电容量只有几pF到几百pF,传感器的输出信号微弱，如何提高测量灵敏度和信噪比成为微弱电容检测的关键[1]。

本文介绍了一种以FPGA为核心的电容数据采集系统，它利用基于载波调制的电荷放大电路完成电容/电压转换，抗干扰性较好。

与传统的模拟检测系统相比，系统的载波生成和信号解调都在FPGA内部实现，载波稳定度更高, 解调误差更小,高分辨率A/D转换芯片的选用进一步保证了精度。

1 系统组成系统以FPGA为核心集成了差动电容传感器、电源电路、信号调理电路、A/D 转换电路、D/A 转换电路等功能模块。

系统整体结构如图1 所示。

图1 系统结构简图信号调理电路主要用于对差动电容的变化进行载波调制、交流放大、滤波等预处理, 保证系统有较宽的测量范围, 为AD转换提供高质量的信号；AD转换电路负责把信号调理电路的输出信号转化为数字量,送FPGA进行处理；FPGA模块用于外设控制、载波生成、数字解调以及数据传输。

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方法主要有直流充／放电法、交流法、有源差分法、高压交流双边激励法及相干检测法等调实现微弱电容的检测。本文讨论了一种采用ＦＰＧＡ实现的数字解调型高精度微弱电容检测系统，它具有载波稳定度高、抗干扰性强及精度高的特点。该系统利用ＣＯＲＤＩＣ算法实现载波信号的生成，数字解调的误差小，比传统的模拟检测系统有更高的稳定性和精度。
· ３２０８·
计算机测量与控制
第２０卷

图２检测系统的组成框图图５信号调理电路
输出。
３系统硬件设计
３．１电源电路选用输出可调的开关型稳压电源芯片ＬＭ２５７６提供ＦＰＧＡ所需的３．３Ｖ和１．２Ｖ电源。电源电路如图３所示，Ｒ４４和Ｒ４５为分压电阻，选择不同的阻值可实现不同的输出电压。
自动化测试技术
计算机测量与控制．２０１２．２０（１２）ＣｏｍｕｔｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌｐ
文献标识码：Ａ
· ３２０７·

于１时，电容的变化量为：
１硅微惯性器件的电容结构
硅微惯性器件的电容结构形式一般分为平板式与梳齿电容式，由于梳齿电容的静态电容比平板电容要大几倍至十几倍，其应用较多。图１为变间距式差动梳齿示意图，可动质量块的活动梳齿和固定梳齿构成可变电容，静止时Ｃ１和Ｃ２相等。设极板厚度
ＤｅｓｉｎｏｆＨｉｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎＳｓｔｅｍｆｏｒＷｅａｋＣａａｃｉｔａｎｃｅｇｇｇｙｐ
，ＺｈａｎＹｉｎｉａｎＹａｎＤａｏｅｇｑｇｇｙ
图６基准电压电路
ＡＤ７７６７的外围电路如图７所示。
图３电源电路
３．２载波调制电路载波调制电路将差分电容的变化转换为载波调制信号幅度／的变化，降低了噪声干扰。载波调制电路由ＣＶ转换电路和信号调理电路两部分组成。采用双载波调制型电容检测电路完／成ＣＶ转换，其电路如图４所示。
（）文章编号：１６７１４５９８２０１２１２３２０７０３ＴＰ２７３－－－中图分类号：
高精度微弱电容检测系统的设计
张印强，杨道业
（）南京工业大学自动化与电气工程学院，南京２１０００９
摘要：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、ＣＶ转换电路、ＦＰＧＡ电路、ＡＤ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。关键词：微弱电容检测；数字解调；ＡＤ７７６７；ＦＰＧＡ；ＣＯＲＤＩＣ算法
（，Ｎ，Ｎ）ＣｏｌｌｅｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｉｎ１０００９，Ｃｈｉｎａ２ｇｇｇｊｇｙｇｙｊｇ
：ＡｂｓｔｒａｃｔＦｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｗｅａｋｓｉｎａｌｉｎｃａａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｓｓｔｅｍ，ａｍｉｃｒｏｃａａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｇｐｇｙｐｇｙｄｉｉｔａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｗａｓｒｏｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｈｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｎ，ａｋｉｎｄｏｆｈｉｈｒｅｃｉｓｉｏｎｃａａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｓｓｔｅｍｃｏｍ－ａｎｄｇｐｐｇｇｇｐｐｇｙ，／，／ｏｓｅｄｏｗｅｒｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｏｆｃｉｒｃｕｉｔｃａａｃｉｔａｎｃｅｖｏｌｔａｅｃｏｎｖｅｒｔｉｎｃｉｒｃｕｉｔＦＰＧＡａｎｄＡＤｃｏｎｖｅｒｔｉｎｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｔｈｅｏｒｏｆｗｅａｋｃａａｃｉ－ｐｐｐｐｇｇｇｙｐｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｃａｒｒｉｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｎｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄ．ＴｈｅｉｍｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃａｒｒｉｅｒｓｉｎａｌｇｙｐｇｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＯＲＤＩＣａｌｏｒｉｔｈｍ，ｄｉｉｔａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅＡＤｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｃａａｃ－ｇｇｐｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓ５ｆＦａｎｄｔｈｅｓｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｈｉｈａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔ．ｐｙｇｙ：；；ＫｅｗｏｒｄｓｃａａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＦＰＧＡ；ＡＤＳ１２７８；ｄａｔａａｃｕｉｓｉｔｉｏｎＣＯＲＤＩＣａｌｏｒｉｔｈｍｐｑｇｙ
Ｃ＝Ｃ Δ ０
烄１
ｄ Δ １－ｄ０烆
－
１烌ｄ Δ ｄ ≈２Ｃ Δ ０１＋ｄ０ｄ０烎
（）２
２电容检测系统的整体结构
／系统的整体结构如图２所示，包括载波信号生产，ＣＶ［４］转换及信号调理和相敏解调等部分。ＦＰＧＡ利用ＣＯＲＤＩＣ算法产生正弦载波对应的二进制数／值，并控制ＤＡ转换器将其转换为模拟电压信号后加到差动／电容ＣＶ转换及信号调理电路进行１和Ｃ２的电极上，利用Ｃ／载波调制，并通过ＡＤ转换器转换为数字信号后在ＦＰＧＡ内进行数字解调，解调结果通过ＲＳ２３２串行通信接口进行数据
［３］
图１变间距式梳齿电容结构图
。本系统利用载波调制和相敏解
为ｈ，重叠部分长度为ｌｌ０，重叠面积Ａ为ｈ× ０，初始距离为，则电容计算表达式为：ｄ０，介质常数ε
Ｃ０＝
ｈｌ１
ｄ时，Ｃｄ的当质量块沿垂直方向移动位移 Δ １的电容随Δ ，。／减小而增大Ｃｄ的增大而减小当Δ ｄｄ２的电容随Δ ０远小
器的输入量程相匹配。／３．３ＡＤ转换电路
［］／系统选用２４位高精度ＡＤ转换器ＡＤ７７６７５对载波调制电路的差分电压信号进行采样，选用ＴＩ公司的高精度电压参
考源ＲＥＦ５０５０提供５Ｖ基准电压。基准电压电路如图６所示。
／图４ＣＶ转换电路
两路反相的载波信号加载到差分电容的两端，运算放大器从差分电容的公共端提取信号。载波信号可表示为ＶＣｓｉｎｔ， ω ｚ根据电路原理可得到输出Ｕｏ的表达式为，
图７ＡＤ转换器电路
ＣＣ１－Ｃ２ Δ （）ＶＣｓｉｎｔ＝２ＶＣｓｉｎｔ３ ω ω ｚｚＣＣ３３由式３可知，输出电压的幅值正比于差分检测电容的变化Ｕ０＝
０引言