高动态性能精密电容检测电路设计_禹健

2007年第28卷增刊中北大学学报(自然科学版)Vo l.28　Supp.　2007 (2007年12月)JOURNAL O F NORTH UNIVERSIT Y O F CHINA(NATURAL S CIENCE EDITION)(D ec.2007)

文章编号:1673-3193(2007)增刊-0108-04

高动态性能精密电容检测电路设计

禹　健1,2,苏淑靖1,2,颜景龙1,3

(1.北京理工大学宇航科学技术学院,北京100081; 2.中北大学电子与计算机科学技术学院,山西太原030051;

3.中国兵器工业系统总体部,北京100089)

摘　要:　从电路噪声的角度分析了直流充放电法和交流激励法电容测量技术的性能,得出交流法在增加电

路复杂度极小的条件下,可获得较高的电容分辨率.给出了采用交流法的电路设计.使用 / 模数转换器,

在获得高精度的A/D转换结果的同时简化了低通滤波器的设计,并获得了可编程的动态性能.理论分析和

实践证明,本设计满足了10-16F电容变化量检测的应用需求.

关键词:　电容测量;噪声; / 模数转换器

中图分类号:　T N06 文献标识码:A

High Resolution Capacitance Measurement Technology

Used in Capacitive Sensor

YU Jian1,2,SU Shu-jing1,2,YAN Jing-long1,3

(1.Schoo l o f N avig ation Science and T echnolog y,Beijing I nstitute of T echno lo gy,Beijing100081,China;

2.Schoo l o f Electr on and Co mput er Science and T echnolog y,N or th U niv ersity of China,T aiy uan030051,China;

3.N or th China System Eng ineering Institute,Beijing100089,China)

Abstract:The DC charg e based and A C based capacitance measurement technolog ies are analysised from the point of noise performance,w hich is the key factor to determine the resolutio n o f measurement.The co nclusion that AC based technology can get hig her resolution w ith little increasing in circuit com plex ity is draw n by comparing the circuit per for mance and structure of the tw o technolo gies.The AC based measurement is adopted.The apply ing o f the / A/D converter simplifies the low pass filter desig n, gets hig h resolution and prog rammable dynamic perform ance.T he theory analysis and ex perimentation pr ove that the technolog ies applied in the system are proper for the measur em ent dem and of10-16F ca-pacitance var iation.

Key words:capacitance measurement;no ise; / A/D converter

电容传感技术有着很广泛的应用,随着传感器向微型化、小型化的发展,传感电容及其变化量都大大减小,这对电容探测电路提出了苛刻的要求.有多种测量电容的方法,但只有运算电容法适合自动在线测量.应用中使用较多的有直流充放电法[1-4]和交流法[5-10].从信号处理过程来看,充放电法与交流法并无本质区别.

收稿日期:2007-11-15

　作者简介:禹健(1971-),男,讲师,硕士.主要从事检测技术研究.

充放电法的信号处理流程如图1所示.交流法的信号处理流程如图2所示.因此,可以将两个电路统一起来.信号流程图如图3所示

.

相控整流电路对输入噪声信号的频谱产生搬移的作用.低

频噪声成分被搬移到高频段,高频噪声成分被搬移到低频段.

相控整流输出的信号将被送入到低通滤波器中处理.输出

噪声信号中的高频成分将被滤除掉.因此,相控整流电路输入信号中的低频噪声不会对最终测量结果产生影响.而(2n -1)f c 附近的噪声将被搬移到低频出,影响最终测量结果.

为使测量电路有较高的分辨率,应使输入到相控整流电路的信号有适当的幅度,并有较高的信噪比.

前级放大电路不但将信号放大,同时也引入了噪声.放大电路引入的噪声是由放大电路本身决定的.信号经过一级处理电路后,将加入固定幅度的噪声.因此,在输出信号幅度一定时,信号的信噪比与信号的平均值成正比.

充放电法.在施加方波激励时,交流放大输出的是窄脉冲,信号占空比很低.因此,信噪比也很低.其次,放大脉冲信号要较大的带宽,高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段,加大了低频噪声.

交流法.使用单频率正弦信号作为激励.信号平均值大,因而能得到较高的输出信噪比.同时,所处理的信号是单一频率正弦信号,可以使用窄带带通放大器,减小放大器引入的噪声,进一步输出信号的信噪比.

交流法测量变换电路可以得到更高的分辨率.而电路结构并不会比充放电法复杂.因此选用交流激励信号来构成本测量系统.

1　激励信号的形成

脉冲信号的形成可以表示为

u out =u in G c ,

控制信号为

G c =+1

nT ≤t <(n +12)T -1(n +12

)T

u ou t (t )=V ref 4 ∞n =1(-1)n -1

2n -1cos [(2n -1) c t ].(2)

可见,输出信号中含有基波和奇次谐波.滤除掉高次谐波即得到所需的单一频率正弦激励信号.正弦信号的幅度由基准电压源决定,频率由控制脉冲决定.

在这个环节,放大器处理的是交流信号,同时信号幅度较大,需要着重考虑的指标有:噪声电压密度,频率响应特性,输出电压摆率.激励环节最终输出的信号将作用在电容(传感器)上,低频信号将被滤除掉.同时放大器的增益很小.因此,放大器的输入失调电压,失调电流,低频噪声等参数可以不考虑.

2　电容量-电压变换电路设计

电容量-电压变换电路模型如图4所示.u s 为激励信号源;

C s 为传感器电容.1pF 的电容在450kHz 时的阻抗为353k .在取单位增益时,R F 的取值为353k ,其噪声电压密度为

e nR F =4109(2007年12月)高动态性能精密电容检测电路设计(禹　健等)