高性能電容傳感器檢測系統(tǒng)

引言有多種測量電容的方法。但只有運(yùn)算電容法適合自動(dòng)在線測量。應(yīng)用中使用較多的有直流充放電法和交流法。從信號(hào)處理過程來看，充放電法與交流法并無本質(zhì)區(qū)別。充放電法的信號(hào)處理流程如圖1。交流法的信號(hào)處理流程如圖2。因此，可以將兩個(gè)電路統(tǒng)一起來。信號(hào)流程圖如圖3。相控整流電路對(duì)輸入噪聲信號(hào)的頻譜產(chǎn)生搬移的作用。低頻噪聲成分被搬移到高頻段，高頻噪聲成分被搬移到低頻段。相控整流輸出的信號(hào)將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號(hào)中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號(hào)中的低頻噪聲不會(huì)對(duì)最終測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而附近的噪聲將被搬移到低頻出，影響最終測量結(jié)果。為使測量電路有較高的分辨率，應(yīng)使輸入到相控整流電路的信號(hào)有較大的幅度，并有較高的信噪比。前級(jí)放大電路，不但將信號(hào)放大，同時(shí)也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號(hào)經(jīng)過一級(jí)處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號(hào)幅度一定時(shí)，信號(hào)的信噪比與信號(hào)的平均值成正比。充放電法，在施加方波激勵(lì)時(shí)，交流放大輸出的是窄脈沖，信號(hào)占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號(hào)要較大的帶寬，高次諧波兩側(cè)的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段，加大了低頻噪聲。交流法，使用單頻率正弦信號(hào)作為激勵(lì)。信號(hào)平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時(shí)，由于所處理的信號(hào)為單一頻率正弦信號(hào)，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器引入的噪聲，進(jìn)一步輸出信號(hào)的信噪比。交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結(jié)構(gòu)并不會(huì)比充放電法復(fù)雜。因此選用交流激勵(lì)信號(hào)來構(gòu)成本測量系統(tǒng)。激勵(lì)電路設(shè)計(jì)激勵(lì)電路輸出固定頻率的正弦波。要求正弦波頻率、幅度、相位恒定，便于同后級(jí)相控整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，便于在大范圍內(nèi)調(diào)整與相控整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位。本設(shè)計(jì)中，使用高精度、低噪聲基準(zhǔn)穩(wěn)壓源保證生成的脈沖信號(hào)幅度的穩(wěn)定。使用溫補(bǔ)振蕩器產(chǎn)生高頻高穩(wěn)定度的信號(hào)，通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動(dòng)的到控制信號(hào)。然后經(jīng)過帶通濾波放大得到激勵(lì)信號(hào)輸出。電壓基準(zhǔn)源的選擇理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該是內(nèi)阻為零，不論電流是流進(jìn)去還是流出來，都應(yīng)當(dāng)保持輸出電壓恒定。內(nèi)阻為零的基準(zhǔn)源是不存在的，然而內(nèi)阻只有毫歐數(shù)量級(jí)的基準(zhǔn)源是可以做得到的。基準(zhǔn)源的工作原理、參數(shù)和選擇方法，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)頗為重要的因素。?基準(zhǔn)源的類型基準(zhǔn)源主要有齊納二極管、埋入式齊納二極管和帶隙電壓基準(zhǔn)三種。它們都可以設(shè)計(jì)成兩端并聯(lián)式電路或者三端串聯(lián)式電路。齊納二極管是工作在反向偏置的二極管，需要一個(gè)串聯(lián)的限流電阻。在要求高精度和低功耗的情況下，齊納二極管通常是不適合的。埋入式齊納二極管集成基準(zhǔn)的噪聲比帶隙式的低，長期穩(wěn)定型好，溫漂小。但是輸出電壓高，大約為 7需要較高的供電電壓。帶隙式基準(zhǔn)的輸出電壓可以低至?，F(xiàn)已經(jīng)有 ， 2 ，,4.0，965需的器件。?電壓基準(zhǔn)源的選擇選擇電壓基準(zhǔn)源時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)系統(tǒng)的要求，綜合考慮電壓基準(zhǔn)源的技術(shù)指標(biāo)。電壓基準(zhǔn)源的技術(shù)指標(biāo)很多，主要的指標(biāo)是：初始精度、輸出電壓溫度漂移、提供電流以及吸入電流的能力、靜態(tài)電流、長期穩(wěn)定性、輸出電壓溫度遲滯、噪聲噪音是無法補(bǔ)償?shù)恼`差，因而基準(zhǔn)源的噪音應(yīng)當(dāng)?shù)汀］敵鲭妷簻囟冗t滯現(xiàn)象 也是一個(gè)不能修正的誤差。 逐25℃溫度下，由于溫度從熱到冷，然后從冷到熱變化時(shí)引起的輸出電壓的變化。它的幅度與溫度變化的大小成正比。在很多情況下， 誤差是不重復(fù)的，它與電路設(shè)計(jì)及封裝有關(guān)。溫度漂移通常是可以修正的誤差，因?yàn)樗强芍貜?fù)的。高分辨率系統(tǒng)都需要補(bǔ)償。對(duì)一個(gè)5V系統(tǒng)，如果要求在整個(gè)商用溫度范圍&70℃,以25℃為基準(zhǔn)點(diǎn)保持±1LSB。如果基準(zhǔn)源的漂移為1ppm/℃,△V=1ppm/℃X5VX45℃=225mV。因此lppm/二的性能僅適用于整個(gè)商用溫度范圍內(nèi)的14位系統(tǒng)。常用器件的溫度漂移性能為lppm/二到100ppm/℃長期穩(wěn)定性L給出了某一種封裝或某類器件中潛在的硅片應(yīng)力或離子遷移的程度。注意在溫度和濕度處在極端狀態(tài)下，電路板清潔度對(duì)此參數(shù)有很大的影響。還要注意LS僅在25℃基準(zhǔn)溫度下有效。電壓基準(zhǔn)源流出和吸入電流的能力是另一個(gè)重要參數(shù)。大多數(shù)應(yīng)用只需要基準(zhǔn)源對(duì)負(fù)載供出電流。許多基準(zhǔn)源不能吸入電流。還需注意基準(zhǔn)源的帶負(fù)載能力。?高性能基準(zhǔn)電壓源一L 1000L10（和L100（是一個(gè)具有極高穩(wěn)定性的，帶有溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷涸?。輸出電壓?V;溫度漂移0.05ppm/℃；低頻噪聲1.2mV；長期穩(wěn)定性2mV/服r一個(gè)典型的應(yīng)用如圖4。1N4148L僧006LT21000一個(gè)典型的應(yīng)用如圖4。1N4148L僧006LT21000I OUTPUT圖4L 10（典型應(yīng)用電路電壓基準(zhǔn)源的緩沖放大在這個(gè)環(huán)節(jié)著重考慮運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移和放大器的低頻噪聲。1是一個(gè)高性能低噪聲，零溫度漂移運(yùn)算放大器。0.1等效輸入噪聲0.mVp溫度漂移±0.01mV/℃脈沖形成脈沖形成的電路原理如圖5。R3GND圖5脈沖形成電路原理圖當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，運(yùn)算放大器同相輸入端接地，電阻并聯(lián)在輸入信號(hào)源與地之間，可將其忽略掉。則此時(shí)放大器為單位增益反相放大器。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于運(yùn)算放大器輸入端阻抗很高。電阻上的電壓降近似等于零，可以近似等效為短路。同時(shí)由于放大器兩輸入端虛短的特性，流過電阻1的電流等于零。因此，可以等效為去掉。此時(shí)放大器為單位增益同相放大器。脈沖信號(hào)的形成可以用如下公式表示。uout=uin^GC輸入信號(hào)為電壓為V并帶有噪聲的直流信號(hào)?？刂菩盘?hào)為：（n=0,1,2...）輸入電壓為常數(shù) ，uout土可用傅氏級(jí)數(shù)表示為：可見，輸出信號(hào)中含有基波和奇次諧波。濾除掉高次諧波即得到所需的單一頻率正弦激勵(lì)信號(hào)。正弦信號(hào)的幅度由基準(zhǔn)電壓源決定，頻率由控制脈沖決定。在這個(gè)環(huán)節(jié)，放大器處理的時(shí)交流信號(hào)，同時(shí)信號(hào)幅度較大，需要著重考慮的指標(biāo)有：噪聲電壓密度，頻率響應(yīng)特性，輸出電壓擺率。激勵(lì)環(huán)節(jié)最終輸出的信號(hào)將作用在電容（傳感器）上，低頻信號(hào)將被濾除掉。同時(shí)放大器的增益很小。因此，放大器的輸入失調(diào)電壓，失調(diào)電流，低頻噪聲等參數(shù)可以不考慮。放大器選用 ° 是一個(gè)單位增益穩(wěn)定的低噪聲運(yùn)算放大器。等效輸入電壓噪聲密度最大值為 nv/增益帶寬積不小于 。輸出電壓擺率/在這里輸出電壓擺率要求不小于。如果取正弦信號(hào)頻率為 ，則要求放大器的輸出電壓擺率不小于 。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 的能力。這個(gè)問題采用下面的技術(shù)解決。電路中的開關(guān)使用一個(gè)溝道來實(shí)現(xiàn)。大輸出電壓擺幅放大技術(shù)—運(yùn)算放大器復(fù)合在這個(gè)環(huán)節(jié)要求運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲要盡量小，輸出電壓擺幅、擺率要大，并且大信號(hào)開環(huán)增益要大。低噪聲高性能運(yùn)算放大器都不能很好的滿足要求。而這幾項(xiàng)指標(biāo)中，噪聲性能是無法通過補(bǔ)償改善的。通過增加一個(gè)高速的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)（如圖6可）以提高低噪聲放大器的輸出電壓擺率。在輸出級(jí)放