基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路的制作方法
【专利摘要】基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，包括：文氏电桥的振荡系统模块，锁相环模块，后期放大模块以及模数转换模块，上述模块依次相连；其中，振荡系统模块的文氏电桥负反馈环路中的一个或两个电容器由传感器电容器替代；文氏电桥的输出通过锁相环模块进行解调，锁相环自身的频率调节电阻器为灵敏度调节电阻器，同时锁相环模块具有一阶低通滤波器组成的外加电路；锁相环模块的输出电压经过后期放大模块进行调节。根据本发明的电容传感器电路通过有效的电路结构和调制解调过程，有效降低了噪音干扰，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；并且具有结构简单、成本低以及适应性强等优点。
【专利说明】基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体涉及信号检测设备，具体涉及电容传感器电路。
【背景技术】
[0002]当前的电容测试技术多种多样，包括高精度LCR测试仪，高精度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。对于高精度的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；高精度一步式电容数字集成电路的精度高,价格低,稳定性好，但是其处理速度相对较慢；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，因为此类传感器检测系统需要快速、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】
[0003]本发明的目的是提供一种基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0004]根据本发明的基于文氏电桥和锁相环的电容传感器电路，包括:
[0005]文氏电桥的振荡系统模块，锁相环模块，后期放大模块以及模数转换模块，上述模块依次相连；
[0006]其中，振荡系统模块的文氏电桥负反馈环路中的一个或两个电容器由传感器电容器替代；文氏电桥的输出通过锁相环模块进行解调，锁相环自身的频率调节电阻器为灵敏度调节电阻器，同时锁相环模块具有一阶低通滤波器组成的外加电路，一阶低通滤波器与锁相环模块的集成电路相结合，形成二阶低通滤波器；锁相环模块的输出电压经过后期放大模块进行调节，后期放大模块具有第一和第二变阻器，第一变阻器用来调节直流偏置电压，第二变阻器用来调节电压增益。
[0007]在本发明的一个具体实施例中，其中振荡系统模块的放大元件选用LT1354，驱动电压为+5V。
[0008]在本发明的又一个具体实施例中，其中锁相环模块的放大元件选用74HC4046B，驱动电压为+5V。
[0009]在本发明的另一个具体实施例中，其中后期放大模块的放大元件选用AD627，驱动电压为+5V。
[0010]在本发明的一个优选实施例中，其中文氏电桥负反馈环路中的一个电容器由传感器电容器替代，另一个电容器是电容值为2pF的固定值贴片电容器。
[0011 ] 根据本发明的电容传感器电路，通过有效的电路结构和调制解调过程，有效降低了噪音干扰，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；并且具有结构简单、成本低以及适应性强等优点。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为根据本发明的电容传感器电路的功能模块图；
[0013]图2为根据本发明的电容传感器电路的电路图；以及
[0014]图3为根据本发明的电容传感器电路的文氏电桥灵敏度分布图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图详细描述根据本发明的电容传感器电路。
[0016]如图1所示，根据本发明的电容传感器电路主要包括文氏电桥的振荡系统模块(Ul)，锁相环模块(U2)，后期放大模块(U3)以及模数转换模块，上述模块依次相连。
[0017]在本发明的一个具体实施例中，用来测定一个电容值为2pF的传感器的电容变化。这个传感器可以用来检测以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 (IO-15F)0下面以该具体实施例为对象来具体描述根据本发明的电容传感器电路。
[0018]如图2所示，Ul模块为文氏电桥的振荡器系统，该振荡系统的放大元件(AMP)选用LT1354，驱动电压(Vdd)为+5V。探测感应单元为Cl和/或C2，由图1和图2所示，感应单元是文氏电桥的一部分。Cl为传感器单元，而C2为电容值接近2pF的固定值贴片电容，Cl与C2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。在本发明的具体实施中，测量目的为2pF电容，然而在一些其他的应用实施中，如果被测电容传感器的电容值大于30-50pF时，可以考虑同时使用Cl与C2，相对于使用两个平行传感器，这样相应敏感度会有一个平方量的增加，从而增加响应敏感度。调节Rl与R2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，结合图3所示的传感器敏感度分布图，可以看到不同的Rl与R2之间的传感器敏感度分布情况，由图3判定Rl为50ΚΩ左右，R2为200ΚΩ左右，再经过实验微调，将Rl，R2分别标定在43ΚΩ和169ΚΩ，此时的工作频率为245KHz。
[0019]如果使文氏电桥可以稳定工作，根据稳定振荡的原则进行计算，可知正反馈环路的放大增益应该为固定在3倍。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优选为:
[0020]
【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，包括: 文氏电桥的振荡系统模块，锁相环模块，后期放大模块以及模数转换模块，上述模块依次相连； 其中，振荡系统模块的文氏电桥负反馈环路中的一个或两个电容器由传感器电容器替代；文氏电桥的输出通过锁相环模块进行解调，锁相环自身的频率调节电阻器为灵敏度调节电阻器，同时锁相环模块具有一阶低通滤波器组成的外加电路，一阶低通滤波器与锁相环模块的集成电路相结合，形成二阶低通滤波器；锁相环模块的输出电压经过后期放大模块进行调节，后期放大模块具有第一和第二变阻器，第一变阻器用来调节直流偏置电压，第二变阻器用来调节电压增益。
2.根据权利要求1所述的电容传感器电路，其中振荡系统模块的放大元件选用LT1354，驱动电压为+5V。
3.根据权利要求1所述的电容传感器电路，其中锁相环模块的放大元件选用74HC4046B，驱动电压为+5V。
4.根据权利要求1所述的电容传感器电路，其中后期放大模块的放大元件选用AD627，驱动电压为+5V。
5.根据权利要求1所述的电容传感器电路，其中文氏电桥负反馈环路中的一个电容器由传感器电容器替代，另一个电容器是电容值为2pF的固定值贴片电容器。
【文档编号】G01R27/26GK103869176SQ201410126279
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月30日 优先权日:2014年3月30日
【发明者】管骁, 李海洲, 刘静 申请人:上海理工大学