高性能電容傳感器檢測系統*(上)

摘要： 本文介紹了一種基于交流測量法的電容傳感器檢測系統及其設計方法。

關鍵詞： 電容檢測；交流法；運算放大器；A/D轉換器

引言

有多種測量電容的方法。但只有運算電容法適合自動在線測量。應用中使用較多的有直流充放電法和交流法。

從信號處理過程來看，充放電法與交流法并無本質區別。

充放電法的信號處理流程如圖1。

圖1 充放電法的信號處理流程圖

交流法的信號處理流程如圖2。

圖2 交流法的信號處理流程

因此，可以將兩個電路統一起來。信號流程圖如圖3。

圖3 統一的測量變換電路

相控整流電路對輸入噪聲信號的頻譜產生搬移的作用。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將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號中的低頻噪聲不會對最終測量結果產生影響。而(2n-1)fc附近的噪聲將被搬移到低頻出，影響最終測量結果。

為使測量電路有較高的分辨率，應使輸入到相控整流電路的信號有較大的幅度，并有較高的信噪比。

前級放大電路，不但將信號放大，同時也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號經過一級處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號幅度一定時，信號的信噪比與信號的平均值成正比。

充放電法，在施加方波激勵時，交流放大輸出的是窄脈沖，信號占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號要較大的帶寬，高次諧波兩側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作為激勵。信號平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時，由于所處理的信號為單一頻率正弦信號，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器引入的噪聲，進一步輸出信號的信噪比。

交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結構并不會比充放電法復雜。因此選用交流激勵信號來構成本測量系統。

激勵電路設計

激勵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，便于同后級相控整流驅動信號同步，便于在大范圍內調整與相控整流驅動信號的相對相位。

本設計中，使用高精度、低噪聲基準穩壓源保證生成的脈沖信號幅度的穩定。使用溫補振蕩器產生高頻高穩定度的信號，通過分頻得高頻率穩定度、低相位抖動的到控制信號。然后經過帶通濾波放大得到激勵信號輸出。

電壓基準源的選擇

理想的電壓基準源應該是內阻為零，不論電流是流進去還是流出來，都應當保持輸出電壓恒定。內阻為零的基準源是不存在的，然而內阻只有毫歐數量級的基準源是可以做得到的。基準源的工作原理、參數和選擇方法，對于系統設計是一個頗為重要的因素。