微弱信號(hào)檢測(cè)3

1、 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) 3微弱信號(hào)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)技術(shù)3.1.1 電容檢測(cè)基本方法電容檢測(cè)基本方法 微系統(tǒng)輸出電容一般只有幾皮法，且隨著器件微系統(tǒng)輸出電容一般只有幾皮法，且隨著器件尺寸的減小而減小，因此電容檢測(cè)十分重要，設(shè)計(jì)高尺寸的減小而減小，因此電容檢測(cè)十分重要，設(shè)計(jì)高靈敏度的檢測(cè)電路檢測(cè)小電容，對(duì)于提高傳感器的性靈敏度的檢測(cè)電路檢測(cè)小電容，對(duì)于提高傳感器的性能至關(guān)重要。若靈敏度不高，小電容信號(hào)很可能被噪能至關(guān)重要。若靈敏度不高，小電容信號(hào)很可能被噪聲淹沒(méi)。聲淹沒(méi)。 目前小電容的檢測(cè)方式包括：目前小電容的檢測(cè)方式包括：(1)將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻率信號(hào)，即輸出信號(hào)頻率的變將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化成

2、頻率信號(hào)，即輸出信號(hào)頻率的變化反映測(cè)量電容的變化。電路中大多采用振蕩器的形化反映測(cè)量電容的變化。電路中大多采用振蕩器的形式，電路中其他電容、電阻的實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)值誤差很式，電路中其他電容、電阻的實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)值誤差很小，才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。小，才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。 典型小電容測(cè)量如下圖所示。典型小電容測(cè)量如下圖所示。 待測(cè)電容通過(guò)恒定電流充、放電，由模擬開(kāi)關(guān)待測(cè)電容通過(guò)恒定電流充、放電，由模擬開(kāi)關(guān)控制，模擬開(kāi)關(guān)的通斷由輸出方波控制。遲滯比控制，模擬開(kāi)關(guān)的通斷由輸出方波控制。遲滯比較器有兩個(gè)閾值電壓較器有兩個(gè)閾值電壓Vb+和和Vc+，兩個(gè)比較器的輸出作，兩個(gè)比較器的輸出作為多路器輸入，將電容兩端

3、的信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，為多路器輸入，將電容兩端的信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，輸出電壓的頻率與恒流源、比較器的上下閾值電壓及輸出電壓的頻率與恒流源、比較器的上下閾值電壓及未知電容的容量有關(guān)，為未知電容的容量有關(guān)，為: CVVIfcb)(2采用開(kāi)關(guān)電容電路，可以比較方便地將傳感器采用開(kāi)關(guān)電容電路，可以比較方便地將傳感器和測(cè)量電路進(jìn)行集成。開(kāi)關(guān)電容在小電容信號(hào)處和測(cè)量電路進(jìn)行集成。開(kāi)關(guān)電容在小電容信號(hào)處理方面有很大的優(yōu)勢(shì)。理方面有很大的優(yōu)勢(shì)。 利用開(kāi)關(guān)電容電路，通過(guò)一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)控制利用開(kāi)關(guān)電容電路，通過(guò)一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的通斷，使電容在一定的時(shí)間內(nèi)充、放電，將未開(kāi)關(guān)的通斷，使電容在一定的時(shí)間內(nèi)

4、充、放電，將未知電容轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或頻率信號(hào)。知電容轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或頻率信號(hào)。 下圖分別轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。下圖分別轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。采用相位測(cè)量法，以濾波器的基本原理作為測(cè)采用相位測(cè)量法，以濾波器的基本原理作為測(cè)量的基本依據(jù)。量的基本依據(jù)。 在低通濾波器中，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位在低通濾波器中，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位會(huì)產(chǎn)生滯后，相位差為會(huì)產(chǎn)生滯后，相位差為 如果輸入信號(hào)頻率、電阻的阻值和輸入、輸出相位如果輸入信號(hào)頻率、電阻的阻值和輸入、輸出相位差確定，則可利用上式求得未知電容的容量。差確定，則可利用上式求得未知電容的容量。將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)

5、，是目前應(yīng)用最廣的微將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，是目前應(yīng)用最廣的微小電容檢測(cè)方法，其前置放大器可分為開(kāi)關(guān)型和調(diào)制小電容檢測(cè)方法，其前置放大器可分為開(kāi)關(guān)型和調(diào)制解調(diào)型兩類(lèi)。解調(diào)型兩類(lèi)。 調(diào)制解調(diào)型電路將低頻信號(hào)調(diào)制成高頻交流信號(hào)，調(diào)制解調(diào)型電路將低頻信號(hào)調(diào)制成高頻交流信號(hào)，經(jīng)交流放大，然后解調(diào)還原成對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)。經(jīng)交流放大，然后解調(diào)還原成對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)。 實(shí)際檢測(cè)方法通常是以上方法的組合。實(shí)際檢測(cè)方法通常是以上方法的組合。)arctan( RC 3.1.2 典型電容檢測(cè)電路典型電容檢測(cè)電路微小差分電容轉(zhuǎn)化為電壓輸出的檢測(cè)電路微小差分電容轉(zhuǎn)化為電壓輸出的檢測(cè)電路 原理框圖如圖所示。原理框圖如圖所示

6、。 在電容測(cè)量中，檢測(cè)電容通常在在電容測(cè)量中，檢測(cè)電容通常在1012F數(shù)量級(jí)甚至數(shù)量級(jí)甚至更小，電容的變化量則在更小，電容的變化量則在10-1510-18F數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。(1)高頻正弦信號(hào)發(fā)生器高頻正弦信號(hào)發(fā)生器 采用數(shù)字電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生正弦波，在波采用數(shù)字電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生正弦波，在波幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性方面都優(yōu)于模擬電路產(chǎn)生的幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性方面都優(yōu)于模擬電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)。正弦信號(hào)。(2)電容電壓轉(zhuǎn)換電路電容電壓轉(zhuǎn)換電路 電路如圖，電路如圖，Cx為待測(cè)電容，為待測(cè)電容，Rf為反饋電阻。為反饋電阻。 當(dāng)輸入頻率為當(dāng)輸入頻率為f 的正弦信號(hào)時(shí)，的正弦信號(hào)時(shí)，Cx上的容抗為：上

7、的容抗為： 運(yùn)算放大器的增益為：運(yùn)算放大器的增益為： 可見(jiàn)，當(dāng)頻率一定時(shí)，通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)，當(dāng)頻率一定時(shí)，通過(guò)測(cè)量Uo、Ui的值可以的值可以計(jì)算出待測(cè)電容的值。計(jì)算出待測(cè)電容的值。xcfCX 21xcfioufCXRUUA 2(3)交流放大電路交流放大電路 交流放大電路如圖，交流放大電路如圖，正弦信號(hào)加在待測(cè)電正弦信號(hào)加在待測(cè)電容容Cx上，將待測(cè)電容上，將待測(cè)電容轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)。 運(yùn)放運(yùn)放A2構(gòu)成一級(jí)電壓放大器，構(gòu)成一級(jí)電壓放大器，R5為反饋電阻，為反饋電阻，C3為補(bǔ)償電容，可以減小運(yùn)放的噪聲。由于信號(hào)頻率為補(bǔ)償電容，可以減小運(yùn)放的噪聲。由于信號(hào)頻率較高，較高，C3的阻抗較

8、大，對(duì)的阻抗較大，對(duì)A2的增益影響可以忽略。的增益影響可以忽略。 放大器的增益為：放大器的增益為： A3構(gòu)成一級(jí)電壓跟隨器，起緩沖作用，降低輸出構(gòu)成一級(jí)電壓跟隨器，起緩沖作用，降低輸出阻抗，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。總的增益為：阻抗，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力?？偟脑鲆鏋椋?522RfCXRAxcu 5322RfCAAAxuu (4)移相電路移相電路 為實(shí)現(xiàn)同步檢波，可將正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)移相，為實(shí)現(xiàn)同步檢波，可將正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)移相，使相位發(fā)生變化，作為同步檢波電路的參考信號(hào)。使相位發(fā)生變化，作為同步檢波電路的參考信號(hào)。式中：式中：ininoutUCjRRRRURRU00079791)1( 40280,CCRRRRP當(dāng)當(dāng)R

9、7=R9時(shí)，時(shí)，令令則則當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，即時(shí)，即當(dāng)當(dāng)0時(shí)，時(shí)，f 0，tan=-1，輸出的相移為，輸出的相移為180當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)，f，tan= 0，輸出的相移為，輸出的相移為 0調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器RRP2，可以改變輸出與輸入信號(hào)相位差。，可以改變輸出與輸入信號(hào)相位差。1)(2)1(220200020202CRCRjCRUUinout 0001CR 1)()(2)(1 20020 jUUinout1)()(2arctan200 00021CRf jUUinout90 (5)同步檢波電路同步檢波電路 同步檢波如圖所示。采用雙平衡模擬乘法器同步檢波如圖所示。采用雙平衡模擬乘法器MC1596，具有較好的載波抑制比，較高的共模，具有較好的載波抑制比，較高的共模抑制比，平衡輸入和增益調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。抑制比，平衡輸入和增益調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。 用差放用差放A5接收接收MC1596的輸出信號(hào)，組成具有一定的輸出信號(hào)，組成具有一定電壓增益的電平移動(dòng)電路。電壓增益的電平移動(dòng)電路。A6組成有源低通濾波，濾組成有源低通濾波，濾除同步檢波輸出的高頻分量，并將輸出轉(zhuǎn)換為直流信除同步檢波輸出的高頻分量，并將輸出轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。電容號(hào)。電容C10的作用是抑制脈沖尖峰。的作用是抑制脈沖尖峰。用差放用差放A5接收接收M