韋仁攀

桂林市晶瑞傳感技術有限公司

關于鑒相型容柵傳感器機理及測量系統(tǒng)構建的探究

韋仁攀

桂林市晶瑞傳感技術有限公司

本文章將深入對鑒相型容柵傳感器當中的機理進行分析，并且對容柵傳感器測量系統(tǒng)當中的芯片，數(shù)據(jù)的采集，鑒相電路分析從而最終來構建測量系統(tǒng)。

鑒相；容柵傳感器；測量

前言

容柵位移傳感器作為容柵數(shù)顯卡尺的核心部件，以其良好的性能與優(yōu)惠的價格，在測量領域當中有著至關重要的位置。容柵傳感器測量系統(tǒng)其主要是分為兩種，一種是鑒相型與鑒幅型。

1 、鑒相型容傳感器芯片結構

容柵傳感器測量系統(tǒng)主要涵蓋了容柵傳感器與信號處理系統(tǒng)以及液晶驅動系統(tǒng)等內容。容柵傳感器測量系統(tǒng)當前主要是運用專用的集成芯片電路。其芯片可以很好的進行測量與數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的顯示作用。這樣將使得容柵數(shù)顯系統(tǒng)的結構也更加的簡單，其功能也會更加完善與耗能更小，從而易于便攜使用。本文當中以鑒相型容柵為例，容柵工作的時候，把震蕩器產(chǎn)生的基本時鐘信號在施加發(fā)射極上可以作為激勵信號，其信號是以電容耦合的方式在接收極上形成相關的調制信號，輸入信號處理系統(tǒng)上進行相關的處理。容柵傳感器的激勵是利用電容變化來獲得位移變化的信息，由于容柵電容量較小，只有幾十pF甚至幾pF，即是電路檢測的是電容的細小的變化，這樣將容易使得其受到外部因素的影響，另外容柵的阻抗性很高，帶負載的能力也相對較差，因此在設計容柵數(shù)顯卡專用芯片的時候要把影響其效果的各種因素要充分考慮進去。

容柵式數(shù)顯卡尺芯片的功能與原理就是芯片產(chǎn)生的驅動信號被傳送到容柵傳感器當中，傳感器將這一信號轉換成調制信號，再由芯片對其進行有效的解調與放大以及鑒相等相關數(shù)據(jù)的處理工作，從而轉變成為數(shù)字量，再經(jīng)過二進制的運算與公英制運算，最終將數(shù)據(jù)輸送到LCD進行顯示。要根據(jù)以上對系統(tǒng)芯片的全面闡述，其芯片的電路按功能一顆分成以下幾個模塊：時鐘發(fā)生器、基準分頻器、激勵信號編碼器、電源變換器、數(shù)據(jù)采集和解調電路、相位檢測電路、運算器、控制器等。

該芯片是一個模數(shù)混合專用集成電路，用于低功耗便攜式測量系統(tǒng)，因此，在設計時應考慮以下幾方面的因素：第一，由于該系統(tǒng)是便攜式工具，設計時要采用低壓低功耗技術，因此系統(tǒng)須可由小型低壓電池類電源供電；第二，由于容柵傳感器上的信號十分微弱，數(shù)據(jù)采集時，既要保證足夠的增益又要考慮采集精度；第三，同一塊芯片上集成了數(shù)字電路和模擬電路，數(shù)字電路和模擬電路的相互干擾問題是主要的干擾因素；第四，要驅動LCD 液晶屏，電壓差必須在2V 以上，需要對芯片上電源部分進行分組設計；第五，該芯片所集成的是一個處理位移量的系統(tǒng)，要考慮位移速度與芯片處理速度等問題。

2 、數(shù)據(jù)采集與解調電路

從對容柵傳感器工作機理的分析可知，容柵傳感器的輸入信號為8 路幅值相等相鄰位相差的激勵信號，輸入信號經(jīng)容柵傳感器反射極和接收極兩次電容耦合后輸出，由于輸出信號十分微弱，因此可采用了四個特殊放大器輪流工作，實現(xiàn)對傳感器輸出信號的采樣、維持、放大及解調。將經(jīng)傳感器調制后的信號送入解調器進行解調處理，解調器受開關矩陣的控制，開關矩陣由四個運算放大器組成，其周期為四倍的時鐘周期。解調器在電壓開關的控制下，將接收電極上的輸出信號存于電容器兩端，并進行迭加，使輸出電壓的幅值增大近一倍，同時還將輸出電壓的極性反映出來。解調后電壓的周期與激勵電壓的周期一致。由于解調后的信號含有高頻分量，還需進行濾波處理，使輸出電壓曲線變得光滑，以提高相位的分辨率。濾波后的電壓為正弦波形式。再通過整形使輸出電壓變成方波形式，從而易于相位控制。

3 、測量系統(tǒng)對鑒相電路的功能要求

鑒相器也是相位比較器，是對信號進行處理的重要部件，鑒相器的主要功能是檢測輸入信號與基準信號間的相位的偏差，利用相位偏差來產(chǎn)生控制信號。為了更好取得容柵傳感器的輸出信號和輸入信號間的相位偏差，也可以采用鑒相的原理。把傳感器的輸出信號經(jīng)解調之后之后送入鑒相器，與此同時也把時鐘分頻信號與傳感器的輸入信號一同送至鑒相器，構成相對相位基準。在初始狀態(tài)的時候，傳感器輸出信號和相對相位基準信號有著同相位，鑒相器的輸出為零，計數(shù)器保持原有的數(shù)值不變。當傳感器移動一定的距離之后，輸出信號的相位超前或者滯后相對相位基準，此時鑒相器有輸出，計數(shù)器便相應的做加法或減法運算，然后將其值鎖存在移位寄存器中。相位差信號中含有一定數(shù)量的脈沖當量， 由計數(shù)器進行計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)定時由振蕩器輸出信號控制，計數(shù)器的中止由鑒相電路的信號控制。運算單元將計數(shù)器的輸出變換成絕對值，通過顯示驅動器， 測量結果在液晶上顯示。

4 、電荷泵電路的引入

隨著工藝水平的不斷提高，容柵傳感器件尺寸的不斷減小，所以低功耗的要求越來越來高，對低壓電源電壓的要求也越高。尤其是對于這種便攜式系統(tǒng)，為了降低成本，節(jié)省能源，延長電池壽命，低功耗是至關重要的，由此一個主要的設計趨勢就是降低電源電壓。在傳統(tǒng)的數(shù)字CMOS ICS 中，電源電壓的降低直接導致速度變慢，噪聲容限變小。而在模擬開關控制的應用中，低于2V將不能正常工作。那么，要讓整個系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)中的不同成份必須工作在不同的電源電壓下。要解決這個問題，方法就是利用電荷泵電路來泵出電壓以滿足不同的要求。

電荷泵電路是一種通過電容上電荷積累效應來產(chǎn)生高于電源電壓或負電壓的電路。通常使用電池作為電源的顯示器電源都存在致命的缺陷：電池一開始使用，電壓就遞減，影響使用效果。在電路中，使用一個升壓型電荷泵，就能把遞減的電壓在一段較短的時間內穩(wěn)定至工作電壓。如果需要負電壓供電，就需要降壓型電荷泵。在普遍情況之下電荷泵可以實現(xiàn)90%的峰值效率，電荷泵外圍只需要很少數(shù)的幾個電容數(shù)，并且不需要公路電感器與續(xù)流二級管以及MOSFET?？梢詼p少自身的功耗，降低尺寸與成本。假如設計鑒相容柵傳感器測量系統(tǒng)需要兼顧效率與占用的PCB面積的大小的時候，那么就可以考慮選用電荷泵。因此，在設計與構建鑒相型容柵傳感器測量系統(tǒng)的時候，要充分考慮好數(shù)據(jù)的采集和調制、鑒相、電荷泵電源模塊的功能與要求。

[1] 張銀芳。容柵位移傳感器的工作原理及其特點.航空精密制造技術[J].2005 年第4 期。

[2] 金寧，汪偉，張增耀等。高精度數(shù)字檢相電路設計[J].中國計量學院學報。2002，V13(1)：60-63