張曉輝， 馬殿光， 徐青菁， 唐厚君

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

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數(shù)控切割機(jī)調(diào)高器系統(tǒng)的微電容測量電路設(shè)計

張曉輝， 馬殿光， 徐青菁， 唐厚君

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

設(shè)計了一種應(yīng)用于數(shù)控切割機(jī)調(diào)高器系統(tǒng)的微小電容容值測量電路，采用多諧振蕩器產(chǎn)生方波，將電容的容值轉(zhuǎn)化為頻率數(shù)字信號，抗干擾能力強(qiáng)，處理速度快。對方波進(jìn)行差頻和倍頻處理，故電路的溫度漂移小，分辨率和靈敏度高。經(jīng)過理論分析和實驗證明，電路的測量效果良好，符合設(shè)計要求。

調(diào)高器；微電容測量；多諧振蕩器；差頻；倍頻

0 引 言

數(shù)控激光切割機(jī)在工作過程中會遇到鋼板高低不平的情況，為了防止割槍(也稱割炬)與鋼板產(chǎn)生碰撞損壞割槍，以及保持割槍與鋼板的距離穩(wěn)定不變，以得到較好的切割質(zhì)量，需要使用自動調(diào)高器來控制割槍高度[1]。激光調(diào)高器通過測量割槍內(nèi)層的金屬部分與鋼板間形成的微電容來判斷割槍的高度，實時與高度設(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制割槍高度保持恒定。由于實際的等效電容僅為pF級別，普通的電容測量電路的分辨率無法滿足實際要求。另外，調(diào)高器系統(tǒng)需要快速采集當(dāng)前電容值并實時進(jìn)行處理，所以這種電容測量需要很高的實時性。而目前較為成熟的一些應(yīng)用于電容觸摸屏的微電容測量芯片處理速度需要幾十甚至幾百毫秒，無法滿足實時性的要求。因此，需要設(shè)計一種微電容測量電路，要求該電路具備分辨率和靈敏度高、溫度漂移低、電路處理速度快以及電路簡單、易于集成等特點。

本電路采用將電容量直接轉(zhuǎn)化為方波頻率數(shù)字量的方法，使用兩個相同的多諧振蕩器電路產(chǎn)生方波，然后對兩個方波進(jìn)行差頻操作，得到的方波進(jìn)行倍頻后得到最后的輸出頻率。

1 方波發(fā)生環(huán)節(jié)

方波發(fā)生環(huán)節(jié)的核心為多諧振蕩器電路，本電路使用的核心器件為555定時器。555定時器的優(yōu)點是成本低、性能可靠、在組成多諧振蕩器時所需外接電阻和電容數(shù)量少[2]。

555定時器內(nèi)部包括由三個相同阻值的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器、一個基本RS觸發(fā)器、一個放電管和一個緩沖器[3]。分壓器對電源電壓Vcc進(jìn)行分壓，得到的兩個電壓2Vcc/3和Vcc/3分別作為兩個比較器的比較電壓。比較器將THRES和TRIG腳輸入電壓分別與兩個比較電壓比較，得到的輸出電壓控制RS觸發(fā)器的狀態(tài)，通過緩沖器輸出，同時控制放電管的導(dǎo)通和截止。

本電路中555定時器工作在多諧振蕩器模式(如圖1所示)，THRES和TRIG腳短接，其輸入電壓值即為電容C兩端的電壓值。電源接通后，電源通過RA和RB給電容C充電，使電容C兩端電壓值上升，當(dāng)電壓值達(dá)到2Vcc/3后，RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出變?yōu)榈碗娖?，同時放電管導(dǎo)通。此時電容C開始通過RB、DISCH腳、內(nèi)部放電管、GND腳的路徑放電，兩端電壓值下降。當(dāng)電壓值達(dá)到Vcc/3后，RS觸發(fā)器置位，輸出變?yōu)楦唠娖?，同時放電管截止。此時電容C重新開始充電，如此循環(huán)往復(fù)，輸出端就可以得到一個周期性方波。

圖1 多諧振蕩器原理圖

由于電容C充電時的路徑為RA、RB和C，因此電容C兩端電壓從Vcc/3上升到2Vcc/3所需時間為：

t1=(RA+RB)Cln2

(1)

而電容C放電時的路徑為RB和C，因此電容C兩端電壓從2Vcc/3下降到Vcc/3所需時間為：

t2=RBCln2

(2)

從而輸出的方波周期為：

t=t1+t1=(RA+RB)Cln2+RBCln2=

(RA+2RB)Cln2

(3)

由此，可得頻率為：

(4)

2 差頻環(huán)節(jié)

用單個555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器雖然能夠產(chǎn)生方波，但當(dāng)被測電容較小時，電路的分辨率不高。并且外界溫度變化時，外圍電路的溫度漂移會導(dǎo)致輸出頻率隨溫度發(fā)生變化。因此需要對電路進(jìn)行改進(jìn)。

針對以上問題，采用差頻的方法對電路進(jìn)行改進(jìn)。即使用兩個相同的多諧振蕩器電路產(chǎn)生相近的頻率，其中一個多諧振蕩器的對固定參考電容進(jìn)行測量，另一個多諧振蕩器對被測電容進(jìn)行測量。再對兩個頻率做差。由于兩個多諧振蕩器電路所處的環(huán)境相同，因此兩個電路由溫度變化導(dǎo)致的輸出頻率變化也完全相同，這時對兩個輸出頻率做差即可消除輸出結(jié)果中的干擾。另外，由于差頻環(huán)節(jié)不改變被測電容引起的輸出頻率變化量，而減小了輸出頻率的絕對值，相當(dāng)于提高了測量電路的靈敏度。

為了最大程度上保證兩個多諧振蕩器電路環(huán)境相同，改用556芯片代替555。556芯片實際上就是兩個555定時器集成在了同一個芯片上。而固定參考電容的具體值可由被測電容的實際值確定，即選擇接近被測電容的電容值，但應(yīng)使被測電容產(chǎn)生的頻率值略大于參考電容產(chǎn)生的頻率值，在差頻環(huán)節(jié)中相當(dāng)于用被測電容產(chǎn)生的頻率減去參考電容產(chǎn)生的頻率作為最終輸出。實際操作中可設(shè)置多個參考電容，并通過旋鈕或撥碼開關(guān)選擇檔位。

差頻環(huán)節(jié)由CD4013芯片實現(xiàn)[4]。CD4013包含兩個相互獨立的D觸發(fā)器。D觸發(fā)器具有數(shù)據(jù)輸入(1D)、時鐘輸入(1CP)和原碼輸出端(1Q)[5]。在時鐘輸入信號達(dá)到上升沿時，觸發(fā)器將數(shù)據(jù)輸入信號的邏輯電平傳送到原碼輸出端(1Q)。

在本電路中，被測電容產(chǎn)生的方波從數(shù)據(jù)輸入端1D輸入，參考電容產(chǎn)生的方波從時鐘輸入端1CP輸入，原碼輸出端1Q輸出的波形頻率即為1D輸入的波形頻率減去1CP輸入的波形頻率。

下面分析實現(xiàn)差頻環(huán)節(jié)的原理。記數(shù)據(jù)輸入端方波為VD，其頻率、周期為fD、TD，時鐘輸入端方波為VCP，其頻率、周期為fCP、TCP，輸出端方波為VQ，其頻率、周期為fQ、TQ。由電路設(shè)定可知TCP>TD，定義兩個周期之差為ΔT，即:

ΔT=TCP-TD

(5)

首先考慮在理想情況下的分析(如圖2所示)，假設(shè)VD和VCP占空比均為50%，TD為ΔT的整數(shù)倍，設(shè)倍數(shù)為整數(shù)n，即

TD=nΔT

(6)

并設(shè)在t0時刻VD和VCP同時達(dá)到上升沿，此時VQ應(yīng)輸出低電平，在t0+TCP時刻，VCP再次達(dá)到上升沿，但VD上升沿要先于VCP出現(xiàn)，因此此時VD為高電平，VQ輸出變?yōu)楦唠娖健?/p>

在t0+nTCP時刻，VD比VCP超前一個周期，再一次同時達(dá)到上升沿，因此在t0+(n+1)TCP時刻，VQ輸出再次變?yōu)楦唠娖健Ｓ纱丝芍?，VQ的周期為:

(7)

① t0；② t0+TCP；③ ；④ ；⑤ t0+nTCP；⑥ t0+(n+1)TCP圖2 差頻電路波形(上圖n為偶數(shù)，下圖n為奇數(shù))

即:

(8)

因此有:

fQ=fD-fCP

(9)

在非理想情況下，TD不為ΔT的整數(shù)倍。仍然假設(shè)在t0時刻VD和VCP同時達(dá)到上升沿，取一個足夠長的時間段T，則在t0時刻到t0+T時刻的這段時間內(nèi)，VCP出現(xiàn)了T/TCP個上升沿，VD出現(xiàn)了T/TD個上升沿，因此VD比VCP超前了T/TD-T/TCP個周期。與上文的分析類似，可知VQ出現(xiàn)了T/TD-T/TCP個上升沿。只要T足夠大，使得不大于TQ的誤差相對于T來說可以忽略，則可近似認(rèn)為VQ的頻率為：

(10)

3 倍頻環(huán)節(jié)

為了進(jìn)一步提高測量電路的分辨率，在差頻環(huán)節(jié)之后使用倍頻環(huán)節(jié)。倍頻環(huán)節(jié)放大輸出頻率值的同時，也放大了被測電容值變化引起的輸出頻率變化量，從而達(dá)到提高分辨率的效果。

倍頻環(huán)節(jié)采用鎖相環(huán)CD4046、計數(shù)器CD4040來實現(xiàn)。

CD4046是一種CMOS微小功率鎖相環(huán)芯片。基本的鎖相環(huán)系統(tǒng)由三部分組成：相位比較器、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)，三部分連接在一起組成一個閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)[6]。芯片的輸入信號和壓控振蕩器輸出的反饋信號輸入相位比較器，相位比較器對這兩個信號的相位和頻率進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個正比于這兩個信號的相位和頻率差的誤差電壓。這個誤差電壓經(jīng)過低通濾波器濾波之后輸入到壓控振蕩器的控制輸入端，并控制壓控振蕩器的輸出頻率變化。由于是負(fù)反饋系統(tǒng)，控制輸入端的輸入信號的變化方向可以減少壓控整蕩器輸出頻率和芯片輸入信號頻率之間的頻率差。當(dāng)兩個頻率足夠接近之后，鎖相環(huán)的閉環(huán)性質(zhì)迫使壓控振蕩器的輸出頻率與芯片輸入信號鎖定，即兩個頻率完全相同。

在本電路中，為了實現(xiàn)倍頻的功能，將壓控振蕩器的輸出信號經(jīng)過分頻器進(jìn)行分頻后再作為反饋信號輸入相位比較器，這樣在鎖相環(huán)鎖定之后，芯片輸入信號將與分頻后的信號頻率相等，此時壓控振蕩器的輸出即為分頻前的信號，相當(dāng)于由芯片輸入信號倍頻得到的信號[7]。

本電路中的分頻部分由計數(shù)器CD4040實現(xiàn)，CD4040是一種CMOS 12級紋波進(jìn)位二進(jìn)制計數(shù)器。計數(shù)器CD4040的基本功能是對輸入信號的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，同時用以12位二進(jìn)制數(shù)的形式將結(jié)果輸出[8]。而如果只取其中一位輸出，就可以得到與輸入方波頻率相關(guān)的方波。例如取最低位輸出，得到的將是頻率與輸入方波完全相同的方波，而取第二位時，由于最低位每計數(shù)兩次進(jìn)位一次，因此頻率為其一半。依此類推，第n位輸出的方波頻率為輸入方波的1/2n-1，即實現(xiàn)了2n-1分頻。

4 結(jié)束語

在556芯片組成的兩個多諧振蕩器電路中，記被測電容和參考電容分別為C和C1，計數(shù)器CD4040的分頻倍數(shù)設(shè)置為n倍，則電路最終輸出的頻率值f與被測電容C的關(guān)系為：

(11)

完整的電路原理如圖3所示。

圖3 完整電路原理圖

圖4 實際電路輸出波形

在實測電路中，設(shè)置RA和RB分別為10 kΩ和30 kΩ，倍頻環(huán)節(jié)倍數(shù)為64倍，對數(shù)控切割機(jī)的割槍與鋼板間的電容進(jìn)行測量。當(dāng)割槍高度為0.2 mm時輸出波形如圖4所示，割槍高度從0.1 mm移動到10 mm過程中輸出頻率值曲線如圖5所示。槍頭高度每增加0.1 mm，輸出頻率值增加至少40 Hz，因此可以成功地對高度進(jìn)行分辨。

圖5 電路測量結(jié)果

本電路中所有芯片的延遲時間均不足1 μs，因此電路響應(yīng)速度較快，可達(dá)微秒級。

經(jīng)過理論分析和實際電路驗證，本電路能夠成功測量微電容的電容值，在數(shù)控切割機(jī)電容調(diào)高器系統(tǒng)中的高度分辨率小于0.1 mm，符合設(shè)計要求。

[1] 鄒愛成,王群英,張云.基于微電容檢測技術(shù)的數(shù)控切割機(jī)自動調(diào)高系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓,2014,42(18):80-82.

[2] 文華兵,陳常婷,劉頻.基于NE555方波脈沖發(fā)生器的設(shè)計及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,38(11):138-139.

[3] Texas Instruments.XX555 Precision Timers [EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ne555.pdf, 2014-09-15.

[4] 程坤,黃慶安,秦明,等.一種簡單實用的差頻方法原理研究及應(yīng)用[J].電子器件,2006,29(2):473-475.

[5] Texas Instruments. CD4013B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4013b.pdf, 2015-03-11.

[6] Texas Instruments. CD4046B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4046b.pdf, 2003-06-27.

[7] 曾素瓊.鎖相環(huán)CD4046的應(yīng)用設(shè)計及研究[J].電子質(zhì)量,2012,33(1):72-75.

[8] Texas Instruments. CD4020B, CD4024B, CD4040B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4040b.pdf, 2013-12-11.

Design of a Micro-capacitance Measurement Circuit for the Height Adjustment System of the CNC Cutting Machine

Zhang Xiaohui, Ma Dianguang, Xu Qingjing, Tang Houjun

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The design of a micro-capacitance measurement circuit applied to the height adjustment system of the CNC cutting machine is introduced. This circuit, containing a multi-vibrator to generate square waves and transfer capacitance to digital frequency signal, has strong anti-interference ability and high processing speed. The difference frequency and frequency multiplication section ensures low temperature drift and high resolution and sensibility. Theoretical analysis and experiments indicate that the circuit has good measurement results and conforms to the design requirements.

height adjuster; micro-capacitance measurement; multi-vibrator; difference frequency; frequency multiplication

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.010

TM934.23

A

1000-3886(2016)04-0030-03

張曉輝(1990-)，男，山東濰坊人，碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，數(shù)控技術(shù)，嵌入式開發(fā)。

定稿日期: 2015-12-17