微小電容測量電路與軌對軌AD知識

電子開發(fā)網(wǎng)錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤味找到引用源。錯誤!未找到引用源。本文章網(wǎng)址/html/zonghejishu/2007/1207/2840.html您的位置：電子開發(fā)網(wǎng)〉綜合技術(shù)〉微小電容測量電路快宜電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、工作可靠、動態(tài)響應(yīng)快、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等優(yōu)點已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如在氣力輸送系統(tǒng)中，可以用電容傳感器來獲得濃度信號和流動噪聲信號，從而測量物料的質(zhì)量流量；在電力系統(tǒng)中，采用電容傳感器在線監(jiān)測電纜溝的溫度，確保使用的安全；由英國曼徹斯特科學(xué)與技術(shù)大學(xué)(UMIST)率先開發(fā)的電容層析成像(ECT)技術(shù)是解決火電廠煤粉輸送風(fēng)-粉在線監(jiān)測等氣固兩相流成分和流量檢測的有效途徑，其中微小電容測量是關(guān)鍵技術(shù)之一。電容傳感器的電容變化量往往很小。結(jié)果電容傳感器電纜雜散電容的影響非常明顯。特別在電容層析成像系統(tǒng)中被測電容變化量可達(dá)0.01pF，屬于微弱電容測量，系統(tǒng)中總的雜散電容(一般大于100pF)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電容變化值，且雜散電容會隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場分布及器件的選取等諸多因素的影響而變化，同時被測電容變化范圍大。因此微小電容測量電路必須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。1充/放電電容測量電路充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示。通nFLTTJF1TUTLTL圈i充/■放電電容檢測電路由CMOS開關(guān)S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個CMOS開關(guān)S2放電至電荷檢測器。在一個信號充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve-Cx，在時鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率f=1/T重復(fù)進(jìn)行，因而平均電流Im=Ve-Cxf該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑，最后給出一個直流輸出電壓Vo=Rf-Im=Rf-Ve-Cx-f(Rf為檢波器的反饋電阻)。充/放電電容測量電路典型的例子為差動式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

圖2差劫式直諫克/故電電睹Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容（通過分析可知，它們不影響電容Cx的測量）。S1-S4是CMOS開關(guān)，S1和S3同步，S2和S3同步，它們的通斷受頻率f的時鐘信號控制，每個工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為Vo=2KRfVeCxf（1）式中，K為差分放大器D3的放大倍數(shù)。該電路的主要優(yōu)點是能有效地抑制雜散電容，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，經(jīng)過軟件補償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速度快。缺點是電路采用的是直流放大，存在較大的漂移;另外，充/放電是由CMOS開關(guān)控制，所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應(yīng)用于6、8、12電極的ECT系統(tǒng)中。其典型分辯率可達(dá)3*10-15F。2AC電橋電容測量電路AC電橋電容測量電路如圖3所示，其原理是將被測電容在一個橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的一個橋臂，二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號源上，調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等。這種電路的主要優(yōu)點是：精度高，適合作精密電容測量，可以做到高信噪比。圍3九C電橋電客胡■電路圖3電路的缺點是無自動平衡措施，為此可采用圖4所示的自動平衡AC電橋電容測量電路。

S4自平皆&C電轎電喜裔址電踏S4自平皆&C電轎電喜裔址電踏該系統(tǒng)輸出Vd為一直流信號，AC為傳感器的電容變化量。+AC-G-m,會仍?刑⑵式中，2/n為相敏因子。結(jié)合平衡條件，在理論上輸出Vd可寫成七(AC)mAC?血?子?配，%4(3)h2-貴獲得該電橋的自動平衡過程的步驟為：保證電橋未加載時AC=0,測量電橋非平衡值并利用公式(3)計算出電橋輸出為零時所需的反饋信號Ve的值。重新測量橋路的輸出，若輸出為零，則橋路平衡；若輸出不為零，重復(fù)上述測量步驟，直至橋路輸出為零，即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等復(fù)雜措施，而且其效果也不一定理想。通過實驗測得其線性誤差能達(dá)到±1*10-1F。3交流鎖相放大電容測量電路交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路基本原理如圖5所示。匿5交謊電容測?電路

正弦信號Ui(t)對被測電容進(jìn)行激勵，激勵電流流經(jīng)由反饋電阻Rf、反饋電容Cf，和運放組成的檢測器D轉(zhuǎn)換成交流電壓匿5交謊電容測?電路《4)若jwRfCf>>1，則(4)式為(5)式(5)表明，輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量，目前常用的是帶負(fù)反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路。這種電路的特點是抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.4*10-1F。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但電路較復(fù)雜，成本高，頻率受限。4基于V/T變換的電容測量電路測量電路基本原理如圖6所示。圈&祀■電踏原理圖電流源Io為4DH型精密恒流管，它與電容C通過電子開關(guān)K串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，電容C的兩端連接到電壓比較器P的輸入端，測量過程如下：當(dāng)K1閉合時，基準(zhǔn)電壓給電容充電至Uc=Us，然后K1斷開，K2閉合，電容在電流源的作用下放電，單片機的內(nèi)部計數(shù)器同時開始工作。當(dāng)電流源對電容放電至Uc=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，計數(shù)器結(jié)束計數(shù)，計數(shù)值與電容放電時間成正比，計數(shù)脈沖與放電時間關(guān)系如圖7所示。

圖7電容放血時前寫計敷脈芥的美系電容電壓Uc與放電電流Io的關(guān)系為：1IJp住—JZ山=化-二（6）e『C令Uc=0,則有：c=it=t式中，N為計數(shù)器的讀數(shù)；Tc為計數(shù)脈沖的周期；它是一個常數(shù)；在Us和Io為定值時，C與N成正比?；赩/T變換的電容測量電路，對被測電容只進(jìn)行一次充放電即可完成對被測電容的測量。采用了電子技術(shù)中準(zhǔn)確度較高的時間測量原理，克服了傳統(tǒng)測量微弱信號電路中放大器的穩(wěn)定性不好、零點漂移大等缺點，且電路結(jié)構(gòu)簡單、測量精度和分辨率高。5基于混沌理論的恒流式混沌測量電路恒流式混沌電路如圖8所示。圈&恒流式混沌由躋其工作原理如下：當(dāng)K1、K2斷開時，K3閉合。電容C充電使Uc=Ux，然后K3斷開，待周期為t的脈沖序列6中的一個脈沖到達(dá)G（邏輯電路）時，G的輸人信號使K2閉合，K1

保持?jǐn)嚅_（此時相當(dāng)于圖9中的X1點），電容開始以-0.5IO的恒定電流放電。當(dāng)Uc=0時，相當(dāng)于電路中的A點，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Up由高電平變?yōu)榈纂娖剑琔p的變化促使G變化，使G控制K1閉合、K2斷開，此時電容C由恒定電流Io充電，使Uc按A-X2方向上升。當(dāng)又一個脈沖到來時（相當(dāng)于圖8中X2點），G又開始變化，使K1斷開、K2閉合，又一個放電充電過程開始。這樣周而復(fù)始的放電充電使Uc的變化如圖9所示，只要適當(dāng)調(diào)整，Io和t就可以使電路處于混沌狀態(tài)。t/s圖9帽流避沌電路的很沌妹道t/s圖9帽流避沌電路的很沌妹道這種方法突出的優(yōu)點是測量的分辨率高，測量的絕對誤差不隨被測電容值的變化而改變，對作為傳感器的元件只要求穩(wěn)定即可。當(dāng)被測電容很大時，相對誤差還會減小。此方法除了可以直接測量電容外，也可以作為電容式傳感器測量其它電量和非電量。6基于電荷放大原理的電容測量電路基于電荷放大原理的電容測量電路如圖10所示，該電路是通過測量極板上的激勵信號所感應(yīng)出的電荷量而得到所測電容值的。圖中Cx為被測電容，它的左側(cè)極板為激勵電極，右側(cè)極板為測量電極。Cas和Cbs表示每個電極所有雜散電容的等效電容，Cas由激勵信號源驅(qū)動，它的存在對流過被測電容的電流無影響。電容Cbs在測量過程中始終處于虛地狀態(tài)，兩端無電壓差，因而它也對電容測量無影響，因此整個電路對雜散電容的存在不敏感?；陔姾煞盘斂透睢鲭娐坊陔姾煞糯笤淼碾娙轀y量電路，一方面該電路對被測電容只進(jìn)行一次充放電，就可

完成對電容的測量，由于測量結(jié)果是直流穩(wěn)定信號，不存在脈動成分，故電路中無需濾波器。因此大大提高了基于該電路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度。同時該電路具有很強的抗雜散電容的性能。另一方面該電路可以對各開關(guān)的控制時序進(jìn)行合理的設(shè)計，用以較好地解決了電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量精度的影響問題，使電路達(dá)到了較高的分辨率。現(xiàn)在此電路成功應(yīng)用于12電極ECT系統(tǒng)中，在不實時成像的情況下，數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)600幅/s，對雜散電容具有較強的抑制能力，系統(tǒng)靈敏度4.8V/pF，可達(dá)最高分辨率為5*10-1F。7結(jié)論電容傳感器性能很大程度上取決于其測量電路的性能，目前的微小電容測量技術(shù)正處于不斷的完善中，還不能滿足實際應(yīng)用發(fā)展的需要。從工業(yè)角度而言，一個完善的微小電容測量電路應(yīng)該具備低成本、低漂移、響應(yīng)速度快、抗雜散性好、高分辨率、高信噪比和適用范圍廣等優(yōu)點。在上述討論的測量電路各有優(yōu)缺點，相比較而言，交流鎖相放大測量電路是目前實驗室應(yīng)用最好的檢測電路，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善其電路復(fù)雜、頻率受限的缺點，將在工業(yè)實際測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。把微小電容測量技術(shù)研究工作推上一個新臺階。軌對軌運放從輸入來說，其共模輸入電壓范圍可以從負(fù)電源到正電源電壓；從輸出來看，其輸出電壓范圍可以從負(fù)電源到正電源電壓.rail-to-rail翻譯成漢語即“軌至軌”，指器件的輸入輸出電壓范圍可以達(dá)到電源電壓。傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運放、A/D、D/A等，其模擬引腳的電壓范圍一般都達(dá)不到電源，以運放為例，電源為+/-15V的運放，為確保性能（首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠的共模抑制比），輸入范圍一般不要超過+/-10V，常溫下也不要超過+/-12V；輸出范圍，負(fù)載RL>10kohm時一般只有+/-11V，小負(fù)載電阻（600ohm）時只能保證+/-10V。這對器件的應(yīng)用帶來很多不便。rail-to-rail的器件，一般都是低壓器件（+/-5V或single+5V），輸入輸出電壓都能達(dá)到電源（輸入甚至可以超過）。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PN