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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)讀取；電路技術(shù)

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)杩梗o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。

2TDC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。

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作者：駱小明 單位：廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司