電容傳感器檢測系統設計

　　引言

　　有多種測量電容的方法。但只有運算電容法適合自動在線測量。應用中使用較多的有直流充放電法和交流法。

　　從信號處理過程來看，充放電法與交流法并無本質區(qū)別。

　　圖1 充放電法的信號處理流程圖

　　交流法的信號處理流程如圖2.

　　圖2 交流法的信號處理流程

　　因此，可以將兩個電路統一起來。信號流程圖如圖3.

　　圖3 統一的測量變換電路

　　相控整流電路對輸入噪聲信號的頻譜產生搬移的作用。低頻噪聲成分被搬移到高頻段，高頻噪聲成分被搬移到低頻段。

　　相控整流輸出的信號將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號中的低頻噪聲不會對最終測量結果產生影響。而（2n-1）fc附近的噪聲將被搬移到低頻出，影響最終測量結果。

　　為使測量電路有較高的分辨率，應使輸入到相控整流電路的信號有較大的幅度，并有較高的信噪比。

　　前級放大電路，不但將信號放大，同時也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號經過一級處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號幅度一定時，信號的信噪比與信號的平均值成正比。

　　充放電法，在施加方波激勵時，交流放大輸出的是窄脈沖，信號占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號要較大的帶寬，高次諧波兩側的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段，加大了低頻噪聲。

　　交流法，使用單頻率正弦信號作為激勵。信號平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時，由于所處理的信號為單一頻率正弦信號，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器引入的噪聲，進一步輸出信號的信噪比。

　　交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結構并不會比充放電法復雜。因此選用交流激勵信號來構成本測量系統。

　　激勵電路設計

　　激勵電路輸出固定頻率的正弦波。要求正弦波頻率、幅度、相位恒定，便于同后級相控整流驅動信號同步，便于在大范圍內調整與相控整流驅動信號的相對相位。

　　本設計中，使用高精度、低噪聲基準穩(wěn)壓源保證生成的脈沖信號幅度的穩(wěn)定。使用溫補振蕩器產生高頻高穩(wěn)定度的信號，通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動的到控制信號。然后經過帶通濾波放大得到激勵信號輸出。

　　電壓基準源的選擇

　　理想的電壓基準源應該是內阻為零，不論電流是流進去還是流出來，都應當保持輸出電壓恒定。內阻為零的基準源是不存在的，然而內阻只有毫歐數量級的基準源是可以做得到的。基準源的工作原理、參數和選擇方法，對于系統設計是一個頗為重要的因素。

　　基準源的類型

　　基準源主要有齊納二極管、埋入式齊納二極管和帶隙電壓基準三種。它們都可以設計成兩端并聯式電路或者三端串聯式電路。

　　齊納二極管是工作在反向偏置的二極管，需要一個串聯的限流電阻。在要求高精度和低功耗的情況下，齊納二極管通常是不適合的。

　　埋入式齊納二極管集成基準的噪聲比帶隙式的低，長期穩(wěn)定型好，溫漂小。但是輸出電壓高，大約為6~7V，需要較高的供電電壓。

　　帶隙式基準的輸出電壓可以低至1V.現已經有1.235V，1.25V，2.048V，2.5V，4.096V，5V的器件。

　　電壓基準源的選擇

　　選擇電壓基準源時，應當針對系統的要求，綜合考慮電壓基準源的技術指標。電壓基準源的技術指標很多，主要的指標是：初始精度、輸出電壓溫度漂移、提供電流以及吸入電流的能力、靜態(tài)電流、長期穩(wěn)定性、輸出電壓溫度遲滯、噪聲等。

　　噪音是無法補償的誤差，因而基準源的噪音應當低。

　　輸出電壓溫度遲滯現象（THYS）也是一個不能修正的誤差。THYS是25℃溫度下，由于溫度從熱到冷，然后從冷到熱變化時引起的輸出電壓的變化。它的幅度與溫度變化的大小成正比。在很多情況下，THYS誤差是不重復的，它與電路設計及封裝有關。

　　溫度漂移通常是可以修正的誤差，因為它是可重復的。高分辨率系統都需要補償。對一個5V系統，如果要求在整個商用溫度范圍（0~70℃，以25℃為基準點）保持±1LSB.如果基準源的漂移為1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV.因此1ppm/℃的性能僅適用于整個商用溫度范圍內的14位系統。常用器件的溫度漂移性能為1ppm/℃到100ppm/℃

　　長期穩(wěn)定性（LTS）給出了某一種封裝或某類器件中潛在的硅片應力或離子遷移的程度。注意在溫度和濕度處在極端狀態(tài)下，電路板清潔度對此參數有很大的影響。還要注意LTS僅在25℃基準溫度下有效。

　　電壓基準源流出和吸入電流的能力是另一個重要參數。大多數應用只需要基準源對負載供出電流。許多基準源不能吸入電流。還需注意基準源的帶負載能力。

　　高性能基準電壓源-LTZ1000

　　LTZ1000和 LTZ1000A是一個具有極高穩(wěn)定性的，帶有溫度補償的參考電壓源。輸出電壓為7V;溫度漂移0.05ppm/℃；低頻噪聲1.2mVP-P;長期穩(wěn)定性2mV/胟Hr.

　　一個典型的應用如圖4.

　　圖4 LTZ1000典型應用電路