专利名称：基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路的制作方法
技术领域：
本发明属于信号设备与检测领域，特别涉及一种适用于快速、低噪声测定电容基传感器系统的电路。
背景技术：
当前的电容测试技术多种多样，包括高精准的LCR测试仪，高精度的一步式电容数字转换集成电路，低精度的实验仪表等等。不同的电容测试技术所基于的技术也不同，因此也具有相应的缺陷。对于高精准的LCR测试仪，虽然精度高，但是其体积庞大，而且价格极其昂贵，主要满足实验室的精度需求。高精度的一步式电容数字转换集成电路的精度高，价格低，稳定性好，但是其处理速度相对缓慢。而普通的实验仪表，价格低，但是精度过低，速度慢。这些缺点造成了这些测试系统无法检测一些基于电容技术的传感器。而此类传感器的检测系统需要快速，小型化，低噪音，低成本的准确测试电容值以及电容的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速、小型、低噪的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路。
本发明将文氏电桥中的负反馈环路中的一个或两个电容由传感器电容替代，从而将可变电容传感器集成到文氏电桥中，实现电桥对传感器电容变化的调制过程。通过利用电桥负反馈电路中的电阻的控制，从而简便的完成对传感器工作频率的调节与优化；文氏电桥的输出通过锁相环进行解调，锁相环电路自身的频率调节电阻在这里被改造为灵敏度条件电阻，可以有效设定传感器的敏感度和工作宽容度。同时利用锁相环自身具有的二阶低通滤波属性，合理的调节低通属性，过滤解调后输出的电压。锁相环的输出电压经过一个放大电路，通过调节仪表电路的参考电压达到调节整个传感器偏置工作电压的目的，同时也达到降低输出阻抗，调整电路增益，改善输出抗干扰性。
本发明具体采用如下技术方案 一种基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，包括 文氏电桥电路，所述文氏电桥电路的负反馈环路中的一个或两个电容为传感器电容； 锁相环电路，所述文氏电桥电路的输出端与锁相环电路的输入端相连接，所述锁相环电路中的频率调节电阻为灵敏度条件电阻； 模数转换电路，与所述锁相环电路的输出端相连接，用于将所述锁相环电路输出的信号进行模数转换。
进一步地，还包括连接于所述锁相环电路的输出端与模数转换电路之间的放大电路。
进一步地，所述文氏电桥电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16，第一放大元件、电容C11、电容C12，二极管D11、二极管D22，所述电阻R13串接于所述第一放大元件的正极输入端与地之间，所述电阻R14和电阻R15串接后连接于所述第一放大元件的正极输入端和输出端之间，所述二极管D11正向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述二极管D12反向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述电阻R15的另一端连接于电阻R14和电阻R15之间的连线上，所述电阻R11串接于所述第一放大元件的负极输入端与地之间，所述电容C11连接于所述电阻R11的两端，所述电容C12与所述电阻R12串接后连接于所述第一放大元件的负极输入端和输出端之间，所述电容C11和电容C12中的一个或两个为传感器电容。
进一步地，所述第一放大元件的型号为LT1354。
进一步地，所述锁相环电路包括第二放大元件，该第二放大元件的型号为74HC4046B，所述文氏电桥电路的输出信号与所述第二放大元件的引脚14相连接，调制后的信号通过所述第二放大元件的引脚13输出，所述第二放大元件的引脚R1与地之间连接有电阻R21，所述第二放大元件的引脚R2与地之间连接有电阻R22，所述第二放大元件的引脚CIA与引脚CIB之间连接有电容C21。
进一步地，所述锁相环电路与所述放大电路之间还连接有一阶低通滤波器。
进一步地，所述一阶低通滤波器包括连接于所述第二放大元件的输出端与所述放大电路输入端的电阻R23和连接于所述放大电路输入端与地之间的电容C22。
进一步地，所述放大电路包括第三放大元件、变阻器R31、变阻器R32和电阻R33，所述第三放大元件的型号为AD627，所述变阻器R31和电阻R33串接后接入+5V电极与地之间，所述第三放大元件的负极输入端连接于所述变阻器R31和电阻R33之间，所述变阻器R32连接于所述第三放大元件的引脚1和引脚8之间。
本发明具有以下有益效果 1、通过有效的电路结构和调制解调过程，有效降低噪音干扰，极大的提高了测量的精度和敏感度，可测量10-2pF数量级的电容变化。
2、通过调整电路自身的属性电阻达到误差修正，多工作量程设定，偏置电压调整的目的，降低结构复杂度，无需添加专用的功能模块。
3、使用通用集成电路芯片，制造成本低廉，相对同一精度的测量仪器，成本大幅下降。
4、将电容传感器集成进文氏电桥，电容与频率直接耦合，达到调制的目的，结构简单。
5、经过简单调整，整个电路可以移植得到基于电阻变化的检测系统中。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
图1为本发明基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路实施例框图； 图2为本发明基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路具体电路图； 图3为本发明实施例中文氏电桥灵敏度分布图。
具体实施例方式 如图1所示，一种基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，包括 文氏电桥电路，所述文氏电桥电路的负反馈环路中的一个或两个电容为传感器电容； 锁相环电路，所述文氏电桥电路的输出端与锁相环电路的输入端相连接，所述锁相环电路中的频率调节电阻为灵敏度条件电阻； 放大电路，所述锁相环电路的输出端与所述放大电路相连接，用于对锁相环电路输出信号进行放大； 模数转换电路，与所述放大电路相连接，用于将放大电路输出的信号进行模数转换。
本实施例用来测定一个电容值为2pF的传感器的电容变化。这个传感器用来检测以1.5m/s移动的生物质的数量。由于生物质的水分极低且距离较远，因此电容的变化仅为1％～2％，即20～40fF(10-15F)。
如图2所示，所述文氏电桥电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16，第一放大元件、电容C11、电容C12，二极管D11、二极管D22，所述电阻R13串接于所述第一放大元件的正极输入端与地之间，所述电阻R14和电阻R15串接后连接于所述第一放大元件的正极输入端和输出端之间，所述二极管D11正向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述二极管D12反向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述电阻R15的另一端连接于电阻R14和电阻R15之间的连线上，所述电阻R11串接于所述第一放大元件的负极输入端与地之间，所述电容C11连接于所述电阻R11的两端，所述电容C12与所述电阻R12串接后连接于所述第一放大元件的负极输入端和输出端之间，所述电容C11和电容C12中的一个或两个为传感器电容。
其中，第一放大元件选用LT1354，其驱动电压为+5V。
在本实施例中，电容C11为传感器电容，而电容C12为电容值接近2pF的固定值贴片电容。电容C11与电容C12在测试敏感度上是不对等的，根据实验具体决定较敏感的电容，两者不可调换。当电容值大于30-50pF时，可以将电容C11与电容C12都使用传感器电容，这样可以增加响应敏感度。调节电阻R11和电阻R12可以调节电桥的工作频率，优化工作点。最佳工作点的选择必须通过实验获得，理论模型基本失效。图3为传感器电容的敏感度分布图，可以看到不同的电阻R11与电阻R12之间的传感器敏感度分布情况，由图判定电阻R11为50KΩ左右，电阻R12为200KΩ左右，再经过实验微调，将电阻R11、电阻R12分别标定在43KΩ和169KΩ，此时的工作频率为245KHz。
如果使文氏电桥可以稳定工作，则正反馈环路的放大增益应该为3。正反馈中的电器元件的具体值可通过Pspice计算机软件仿真获得，然后通过具体实验微调，以获得最佳的震荡稳定性。有关的电气元件参数为 如图2所示，所述锁相环电路包括第二放大元件，该第二放大元件为德州仪器的74HC4046B，其驱动电压为+5V，所述文氏电桥电路的输出信号与所述第二放大元件的引脚14相连接，调制后的信号通过所述第二放大元件的引脚13输出，所述第二放大元件的引脚R1与地之间连接有电阻R21，所述第二放大元件的引脚R2与地之间连接有电阻R22，所述第二放大元件的引脚CIA与引脚CIB之间连接有电容C21。测试电路的高精度将通过调节锁相环的工作点来实现，即调整电阻R21、电阻R22和电容C21，具体的值通过实验确定。
本实施例中，所述锁相环电路与所述放大电路之间还连接有一阶低通滤波器，所述一阶低通滤波器包括连接于所述第二放大元件的输出端与所述放大电路输入端的电阻R23和连接于所述放大电路输入端与地之间的电容C22。电阻R23和电容C22组成的一阶低通滤波电路与锁相环电路相结合，形成一个二阶低通滤波器。电阻R13和电容C12的具体值可先由理论计算初步获取，再通过实际测试确定最终值。有关的电气元件参数为 所述锁相环电路的输出信号已经为可用的电压信号，信噪比不低于5，但是还可能存在输出阻抗偏大，直流偏置严重，信号绝对值偏小等缺点，因此为了后期的模数转换，增加一放大电路，以同时消除这些缺点。该放大电路包括第三放大元件、变阻器R31、变阻器R32和电阻R33，该第三放大元件选用AD627，其驱动电压为+5V，所述变阻器R31和电阻R33串接后接入+5V电极与地之间，所述第二放大元件的负极输入端连接于所述变阻器R31和电阻R33之间，所述变阻器R32连接于所述第三放大元件的引脚1和引脚8之间。其中，所述变阻器R31用于调节直流偏置电压，变阻器R32用于调节电压增益。变阻器R31和电阻R33的具体值由 特定的电路应用决定。
权利要求
1、一种基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于包括文氏电桥电路，所述文氏电桥电路的负反馈环路中的一个或两个电容为传感器电容；锁相环电路，所述文氏电桥电路的输出端与锁相环电路的输入端相连接，所述锁相环电路中的频率调节电阻为灵敏度条件电阻；模数转换电路，与所述锁相环电路的输出端相连接，用于将所述锁相环电路输出的信号进行模数转换。
2、根据权利要求1所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于还包括连接于所述锁相环电路的输出端与模数转换电路之间的放大电路。
3、根据权利要求2所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述文氏电桥电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16，第一放大元件、电容C11、电容C12，二极管D11、二极管D22，所述电阻R13串接于所述第一放大元件的正极输入端与地之间，所述电阻R14和电阻R15串接后连接于所述第一放大元件的正极输入端和输出端之间，所述二极管D11正向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述二极管D12反向串接于所述电阻R15一端与第一放大元件的输出端之间，所述电阻R15的另一端连接于电阻R14和电阻R15之间的连线上，所述电阻R11串接于所述第一放大元件的负极输入端与地之间，所述电容C11连接于所述电阻R11的两端，所述电容C12与所述电阻R12串接后连接于所述第一放大元件的负极输入端和输出端之间，所述电容C11和电容C12中的一个或两个为传感器电容。
4、根据权利要求3所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述第一放大元件的型号为LT1354。
5、根据权利要求3或4所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述锁相环电路包括第二放大元件，该第二放大元件的型号为74HC4046B，所述文氏电桥电路的输出信号与所述第二放大元件的引脚14相连接，调制后的信号通过所述第二放大元件的引脚13输出，所述第二放大元件的引脚R1与地之间连接有电阻R21，所述第二放大元件的引脚R2与地之间连接有电阻R22，所述第二放大元件的引脚CIA与引脚CIB之间连接有电容C21。
6、根据权利要求5所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述锁相环电路与所述放大电路之间还连接有一阶低通滤波器。
7、根据权利要求6所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述一阶低通滤波器包括连接于所述第二放大元件的输出端与所述放大电路输入端的电阻R23和连接于所述放大电路输入端与地之间的电容C22。
8、根据权利要求7所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述放大电路包括第三放大元件、变阻器R31、变阻器R32和电阻R33，所述第三放大元件的型号为AD627，所述变阻器R31和电阻R33串接后接入+5V电极与地之间，所述第三放大元件的负极输入端连接于所述变阻器R31和电阻R33之间，所述变阻器R32连接于所述第三放大元件的引脚1和引脚8之间。
9、根据权利要求8所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16的阻值分别为43KΩ、169KΩ、1KΩ、1KΩ、6KΩ、2.4KΩ，所述电容C21为10nF，所述电容C22为1200pF，所述电阻R21、电阻R22、电阻R23的阻值分别为100KΩ、33KΩ、200KΩ。
10、根据权利要求9所述的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其特征在于所述二极管D11和二极管D22的型号为D1N914。
全文摘要
一种基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，包括文氏电桥电路，所述文氏电桥电路的负反馈环路中的一个或两个电容为传感器电容；锁相环电路，所述文氏电桥电路的输出端与锁相环电路的输入端相连接，所述锁相环电路中的频率调节电阻为灵敏度条件电阻；模数转换电路，与所述锁相环电路的输出端相连接，用于将所述锁相环电路输出的信号进行模数转换。进一步地，还包括连接于所述锁相环电路的输出端与模数转换电路之间的放大电路。本发明通过有效的电路结构和调制解调过程，有效降低噪音干扰，极大的提高了测量的精度和敏感度，可测量10-2pF数量级的电容变化。
文档编号G01N33/483GK101441236SQ20081020755
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者李海洲 申请人:上海理工大学