摘 要：近幾年微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展迅猛，微電容傳感器的電容信號(hào)更加薄弱，其檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了電容式傳感器發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。因此，微弱電容傳感信號(hào)讀取電路技術(shù)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要對(duì)微弱電容傳感信號(hào)的檢測(cè)方法、基于TDC微弱電容傳感信號(hào)讀取電路技術(shù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：微弱電容傳感；信號(hào)讀?。浑娐芳夹g(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）05-0034-02

Discussion on Reading Circuit Technology of Weak Capacitive Sensing Signal

LUO Xiaoming

（Guangzhou Radio and Television Measurement test Co.，Ltd.，Guangzhou 510656，China）

Abstract：The micro electro mechanical system has developed rapidly in recent years，and the capacitance signal of the micro capacitance sensor is weaker. Its detection technology has become the bottleneck of the development and application of the capacitive sensor. Therefore，the weak capacitance sensing signal reading circuit technology has become the focus of attention. This paper mainly focuses on the detection methods of weak capacitive sensing signals and the design of reading circuit technology for weak capacitance sensing signals based on TDC.

Keywords：weak capacitance sensing；signal reading；circuit technology

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)集成電路技術(shù)、信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的迅速提高，傳感技術(shù)涉及到的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。現(xiàn)如今新時(shí)代的科學(xué)技術(shù)發(fā)展離不開(kāi)傳感器技術(shù)，傳感器具有檢測(cè)、獲取以及信息感知的作用，是信息技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)。傳感器的組成部分包括轉(zhuǎn)換元件以及敏感元件，轉(zhuǎn)換元件可將待測(cè)量轉(zhuǎn)換為不同的輸出信號(hào)，例如電流、電壓以及頻率等，而待測(cè)量有敏感元件來(lái)進(jìn)行感知。待測(cè)量的種類(lèi)也相對(duì)較多，例如力、位移量、速度值以及加速度等，同時(shí)與之相應(yīng)的傳感器種類(lèi)同樣較多，比如壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。可根據(jù)轉(zhuǎn)換后的電路參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，其中包括電感式傳感器、電容式傳感器以及電阻式傳感器。

1 微弱電容傳感信號(hào)的檢測(cè)方法

1.1 直流充放電式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式

直流充放電式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式具有避免雜散電容影響測(cè)量精度的優(yōu)勢(shì)，是一種可用于微弱電容的檢測(cè)方式，并且具有成本低廉以及電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，直流充放電式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式的開(kāi)關(guān)控制頻率較高，甚至可達(dá)到數(shù)兆赫茲，大大提升了數(shù)據(jù)獲取的速度，并且使用軟件進(jìn)行補(bǔ)償后還可提升測(cè)量電路的穩(wěn)定性。但同時(shí)也存在一些不足之處，首先是使用CMOS開(kāi)關(guān)來(lái)控制充放電工作，在控制過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生電荷注入的現(xiàn)象；其次是使用直流放大，其跟隨溫度漂移過(guò)大。但現(xiàn)如今直流充放電式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的使用，其電路分辨率可達(dá)到3fF。

1.2 交流式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方法

該方法包括運(yùn)放式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式以及交流激勵(lì)式微弱電容傳感器檢測(cè)方式。

首先，交流激勵(lì)式微弱電容傳感器檢測(cè)方式在對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)使用交流激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)待測(cè)量電容，之后使用檢波器把信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷翰⑦M(jìn)行輸出，待測(cè)量電容值和輸出電壓值形成比例關(guān)系。電路原理為：正弦發(fā)生器產(chǎn)生交流激勵(lì)信號(hào)，由反饋?zhàn)杩挂约斑\(yùn)算放大器組成檢測(cè)波。交流式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方法具有兩方面優(yōu)勢(shì)：

（1）電路具有直流漂移小、精度高以及信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電路使用了交流放大器以及交流激勵(lì)，因此避免了因電荷注入而產(chǎn)生的不良影響；

（2）電路還具有較高的抗雜散性能，并且電路中激勵(lì)信號(hào)和雜散電容進(jìn)行并聯(lián)，同時(shí)運(yùn)算放大器，反向輸入端和雜散電容進(jìn)行連接，避免兩者對(duì)輸出電壓造成影響，具有避免雜散電容影響的優(yōu)勢(shì)，但其電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且成本高昂，通常情況下必須對(duì)其添加相敏檢波單位對(duì)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行提高，這大大增加了電路的復(fù)雜程度，并且難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高頻激勵(lì)信號(hào)。所以因頻率限制問(wèn)題，此電路只能在低頻場(chǎng)合使用。

其次，AC運(yùn)放式微弱電容傳感器信號(hào)檢測(cè)方式使用高頻率的正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，并將電阻與電容相并聯(lián)形成反饋?zhàn)杩?，給電路提供直流反饋信號(hào)，將待測(cè)量的電容值與輸出交流電壓值形成正比關(guān)系，最后完成測(cè)量。

最后，AC電橋式微弱電容傳染信號(hào)檢測(cè)方式具有信噪比高、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于對(duì)精密電容的檢測(cè)。電路原理為：將可調(diào)阻抗與被測(cè)電泳放置在相鄰的橋臂上，并且將兩個(gè)橋臂連接到相同頻率以及相同振幅的信號(hào)源上，同時(shí)調(diào)節(jié)橋臂中的阻抗，從而使參考橋臂和待測(cè)橋臂間處于平衡狀態(tài)，從而達(dá)到共軛相等。

2 TDC微弱電容傳感信號(hào)讀取電路技術(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題

其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案由PS021芯片為核心的電容檢測(cè)模塊以及由CPLD為核心的微控制模塊兩種模塊形成。同時(shí)，PS021電容檢測(cè)模塊具有施密特觸發(fā)單元、模擬開(kāi)關(guān)單元以及傳感器單元三部分。而CPLD微控制模塊具有LCD數(shù)據(jù)顯示單元、RS232串口單元和JTAG接口單元三部分。CPLD微控制模塊以及PS021電容檢測(cè)模塊之間可使用SPI總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送活動(dòng)，其系統(tǒng)的工作原理為：

（1）使用CPLD微控制單元配置PS021芯片內(nèi)的寫(xiě)寄存器；

（2）使用PS021電容檢測(cè)模塊開(kāi)展電容檢測(cè)環(huán)節(jié)，同時(shí)使用SPI總線對(duì)CLPD微控制模塊進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送活動(dòng)；

（3）最后使用CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)以及分析工作，最后的測(cè)量結(jié)果可使用RS232串行接口向計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及分析工作，并且還可使用LCD進(jìn)行顯示。

在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，應(yīng)使用在10pF以下以及50pF以上的電容檢測(cè)工作，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試工作以及性能分析工作。在不同測(cè)量頻率的情況下，開(kāi)展多次測(cè)量工作，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析，從而獲取待測(cè)電路中刷新頻率以及分辨率和待測(cè)電容之間的關(guān)系，從而完成對(duì)微弱電容的檢測(cè)工作，完成其設(shè)計(jì)目標(biāo)。與此同時(shí)，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可對(duì)數(shù)字電路涉及調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行記錄并總結(jié)，提升自身的綜合技術(shù)能力。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)微弱電容傳感信號(hào)讀取電路技術(shù)進(jìn)行了深入探討，并且開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)針對(duì)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的微弱電容傳感信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)調(diào)試功能、軟件編程開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)以及硬件電路設(shè)計(jì)三部分。同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的使用要求，其電路系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的測(cè)量范圍為幾十到幾百皮法，同時(shí)測(cè)量精度是0.01～0.001pF，可達(dá)到實(shí)施檢測(cè)的功能。同時(shí)具有電路穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)，避免了分布電容以及雜散電容對(duì)整體電路系統(tǒng)造成不良影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 倪鶴立，袁煒雄，臧英，等.面向油浸式變壓器類(lèi)繞組暫態(tài)電壓測(cè)量的耦合電容傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（11）：21-26.

[2] 陶韜.基于薄板搭接擺動(dòng)式相鄰電容焊縫跟蹤傳感器的研究 [D].湘潭：湘潭大學(xué)，2016.

[3] 焦敬品，李亮，何存富，等.厚度漸變結(jié)構(gòu)介電性能測(cè)試用變間距叉指型相鄰電容傳感器設(shè)計(jì) [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（18）：1-9.

[4] 趙麗清，尚書(shū)旗，高連興，等.基于同心軸圓筒式電容傳感器的花生仁水分無(wú)損檢測(cè)技術(shù) [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（9）：212-218.

作者簡(jiǎn)介：駱小明（1983-），男，漢族，湖南桂陽(yáng)人。研究方向：電子、電磁計(jì)量。