电容传感器检测系统设计 - 全文

　　引言

　　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和交流法。

　　从信号处理过程来看，充放电法与交流法并无本质区别。

　　图1 充放电法的信号处理流程图

　　交流法的信号处理流程如图2.

　　图2 交流法的信号处理流程

　　因此，可以将两个电路统一起来。信号流程图如图3.

　　图3 统一的测量变换电路

　　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）fc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较大的幅度，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，由于所处理的信号为单一频率正弦信号，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。

　　激励电路设计

　　激励电路输出固定频率的正弦波。要求正弦波频率、幅度、相位恒定，便于同后级相控整流驱动信号同步，便于在大范围内调整与相控整流驱动信号的相对相位。

　　本设计中，使用高精度、低噪声基准稳压源保证生成的脉冲信号幅度的稳定。使用温补振荡器产生高频高稳定度的信号，通过分频得高频率稳定度、低相位抖动的到控制信号。然后经过带通滤波放大得到激励信号输出。

　　电压基准源的选择

　　理想的电压基准源应该是内阻为零，不论电流是流进去还是流出来，都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的，然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。基准源的工作原理、参数和选择方法，对于系统设计是一个颇为重要的因素。

　　基准源的类型

　　基准源主要有齐纳二极管、埋入式齐纳二极管和带隙电压基准三种。它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。

　　齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的。

　　埋入式齐纳二极管集成基准的噪声比带隙式的低，长期稳定型好，温漂小。但是输出电压高，大约为6~7V，需要较高的供电电压。

　　带隙式基准的输出电压可以低至1V.现已经有1.235V，1.25V，2.048V，2.5V，4.096V，5V的器件。

　　电压基准源的选择

　　选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪声等。

　　噪音是无法补偿的误差，因而基准源的噪音应当低。

　　输出电压温度迟滞现象（THYS）也是一个不能修正的误差。THYS是25℃温度下，由于温度从热到冷，然后从冷到热变化时引起的输出电压的变化。它的幅度与温度变化的大小成正比。在很多情况下，THYS误差是不重复的，它与电路设计及封装有关。

　　温度漂移通常是可以修正的误差，因为它是可重复的。高分辨率系统都需要补偿。对一个5V系统，如果要求在整个商用温度范围（0~70℃，以25℃为基准点）保持±1LSB.如果基准源的漂移为1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV.因此1ppm/℃的性能仅适用于整个商用温度范围内的14位系统。常用器件的温度漂移性能为1ppm/℃到100ppm/℃

　　长期稳定性（LTS）给出了某一种封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移的程度。注意在温度和湿度处在极端状态下，电路板清洁度对此参数有很大的影响。还要注意LTS仅在25℃基准温度下有效。

　　电压基准源流出和吸入电流的能力是另一个重要参数。大多数应用只需要基准源对负载供出电流。许多基准源不能吸入电流。还需注意基准源的带负载能力。

　　高性能基准电压源-LTZ1000

　　LTZ1000和 LTZ1000A是一个具有极高稳定性的，带有温度补偿的参考电压源。输出电压为7V;温度漂移0.05ppm/℃；低频噪声1.2mVP-P;长期稳定性2mV/胟Hr.

　　一个典型的应用如图4.

　　图4 LTZ1000典型应用电路

　　电压基准源的缓冲放大

　　在这个环节着重考虑运算放大器的失调电压温度漂移和放大器的低频噪声。

　　LTC1250 是一个高性能低噪声，零温度漂移运算放大器。0.1Hz~1Hz等效输入噪声0.75mVP-P;温度漂移±0.01mV/℃

　　脉冲形成

　　脉冲形成的电路原理如图5.

　　图5 脉冲形成电路原理图

　　当开关s闭合时，运算放大器同相输入端接地，电阻R2并联在输入信号源与地之间，可将其忽略掉。则此时放大器为单位增益反相放大器。

　　当开关s断开时，由于运算放大器输入端阻抗很高。电阻R2上的电压降近似等于零，R2可以近似等效为短路。同时由于放大器两输入端虚短的特性，流过电阻R1的电流等于零。因此，R1可以等效为去掉。此时放大器为单位增益同相放大器。

　　脉冲信号的形成可以用如下公式表示。

　　uout=uin·GC

　　输入信号为电压为5V，并带有噪声的直流信号。

　　控制信号为：

　　（n=0，1，2…）

　　输入电压为常数Vref，uout（t）可用傅氏级数表示为：

　　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，放大器处理的时交流信号，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。

　　放大器选用LT1128.LT1128是一个单位增益稳定的低噪声运算放大器。等效输入电压噪声密度最大值为1.1nV/肏z.增益带宽积不小于13MHz.输出电压摆率5V/ms.

　　在这里输出电压摆率要求不小于。如果取正弦信号频率为500KHz，则要求放大器的输出电压摆率不小于30V/ms.远远高于LT1128的能力。这个问题采用下面的技术解决。

　　电路中的开关使用一个N沟道MOSFET来实现。

　　大输出电压摆幅放大技术-运算放大器复合

　　在这个环节要求运算放大器的等效输入噪声要尽量小，输出电压摆幅、摆率要大，并且大信号开环增益要大。低噪声高性能运算放大器都不能很好的满足要求。而这几项指标中，噪声性能是无法通过补偿改善的。通过增加一个高速的输出驱动级（如图6）可以提高低噪声放大器的输出电压摆率。

　　在输出级放大器A2的选取上要考虑输出电压摆率要大，放大器带宽要高，频率响应中相位移动要小。运算放大器A2在设计通频带内的相移要小于A1在此范围内的相位裕量值。

　　图6 高输出电压摆率组合放大器

　　输出放大器的增益值等于要求的电压摆率除以A1的最小输出电压摆率值。

　　A2放大器选用LT1227.LT1227是一个电流反馈宽带运算放大器。140MHz 带宽1100V/us输出电压摆率。