一种微弱电容变化测量电路的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种微弱电容变化测量电路，特别适用于传感器基础电容（本体电容或静态电容）比较小的微弱电容变化检测，属于微弱电容信号转换和检测技术领域。


背景技术：

[0002]
电容式传感器基本原理是把某种物理量例如位移、面积、电介质等转化为电容，然后通过测量电容来间接测量所求物理量。电容传感器具有十分广泛的用途。尤其是在高精度检测领域，电容传感器具有无可替代的地位。电容传感器具有灵敏度高、响应快的优点，但是测量电路较为复杂。大部分情况下，电容传感器的电容量比较微弱，电路容易受到自身寄生参数、环境变化的影响，这使得问题变得更加复杂。
[0003]
常见的微弱电容测量技术有直流充放电法、交流电桥法、v/t转换法和基于运算放大器的负反馈交流激励法；直流充放电法采用直流激励，测量精度容易受到放大器失调电压漂移的影响。另外，该方法要对电容进行快速充放电，需要用到电子开关，电路精度容易受电子开关电荷注入效应的影响；交流电桥法调零比较繁琐，而且容易受到电路寄生电容的影响，实际实施过程中需要实施复杂的屏蔽措施。该法对于小电容的微弱变化电容测量较为困难；v/t转换法是利用测量电容充放电时间来测量电容值，同直流充放电法一样，测量精度容易受电路直流电压漂移和电子开关注入电荷的影响；从部分公开文献来看，目前微弱电容检测实际应用中测量精度最高的电路是基于运算放大器的负反馈交流激励法。该方法具有很高的分辨率，而且抗寄生电容能力强。另外还有一种高压双边激励检测方法，需要用到高频高压激励信号，仅使用于特定对象和场合，限制条件较多。
[0004]
以上几种微弱电容测量方法还有一个共同的问题是，电路的输出正比于待测电容的容值，而非电容变化量。而很多时候需要的结果是电容的变化量，而非电容值本身。这种情况下需要引入控制器，在程序的控制下引入一个平衡信号将待测电容传感器的基础电容平衡掉，这在一定程度上引入了数字噪声，使测量系统的精度降低，也使系统变得更加的复杂。因此，需要一种微弱电容变化测量电路以解决上述问题。


技术实现要素：

[0005]
（一）解决的技术问题
[0006]
本实用新型的目的是提供一种微弱电容变化测量电路，用于精确检测电容传感器微弱电容变化量的技术问题。
[0007]
（二）技术方案
[0008]
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种微弱电容变化测量电路，包括：cv转换电路、放大电路、模拟乘法器、低通滤波器和移相电路；激励信号正弦波输入到cv转换电路和移相电路的输入端，cv转换电路输出端连接到模拟乘法器第一输入端，移相电路输出端连接模拟乘法器第二输入端；模拟乘法器输出端连接低通滤波器输入端；低通滤波器输出最终有用信号。
[0009]
所述cv转换电路把电容传感器的电容值相对变化率转换为一个微弱正弦信号的幅值变化，该微弱正弦信号被放大电路放大。
[0010]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、电容传感器cx；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和第一电容c1的一端共同连接至运算放大器u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和第一电容c1的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和电容传感器cx的一个输入端共同连接至运算放大器的u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和电容传感器cx的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0011]
优选地，上述cv转换电路中第一电容c1与电容传感器cx接入位置可以互换。
[0012]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4，第一电容c1、电容传感器cx、寄生电容补偿电容cs1、寄生电容补偿电容cs2；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和第一电容c1的一端共同连接至运算放大器的u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和第一电容c1的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和电容传感器cx的一个输入端共同连接至运算放大器u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和电容传感器cx的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；寄生电容补偿电容cs1一端连接至运算放大器的u1的同相输入端，另一端接地；寄生电容补偿电容cs2一端连接至运算放大器的u1的反相输入端，另一端接地；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0013]
优选地，上述cv转换电路中第一电容c1与电容传感器cx接入位置可以互换。
[0014]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、电容传感器差动电容cx1、电容传感器差动电容cx2、寄生电容补偿电容cs1、寄生电容补偿电容cs2；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和传感器差动电容cx2的一端共同连接至运算放大器u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和传感器差动电容cx2的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和传感器差动电容cx1的一个输入端共同连接至运算放大器的u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和传感器差动电容cx1的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；寄生电容补偿电容cs1一端连接至运算放大器的u1的同相输入端，另一端接地；寄生电容补偿电容cs2一端连接至运算放大器的u1的反相输入端，另一端接地；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0015]
优选地，所述第一电容c1和电容传感器cx对称布置、电容材质及结构相同、走线对称，两者产生的寄生电容始终接近或者相同。
[0016]
以上cv转换电路的优选方案使用于任何应用本专利的cv转换电路的方案中，因此也使用于下文中的应用方案。
[0017]
本实用新型还提供另外一种微弱电容变化测量电路，包括：cv转换电路、放大电路、电子开关乘法器、低通滤波器、移相电路和过零比较器；激励信号正弦波输入到cv转换
电路和移相电路输入端，cv转换电路输出端连接到电子开关乘法器第一输入端；移相电路输出端连接过零比较器输入端，过零比较器输出端连接电子开关乘法器的第二输入端；电子开关乘法器输出端连接低通滤波器输入端；低通滤波器输出最终有用信号。
[0018]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、电容传感器cx；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和第一电容c1的一端共同连接至运算放大器u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和第一电容c1的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和电容传感器cx的一个输入端共同连接至运算放大器的u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和电容传感器cx的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0019]
优选地，上述cv转换电路中第一电容c1与电容传感器cx接入位置可以互换。
[0020]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4，第一电容c1、电容传感器cx、寄生电容补偿电容cs1、寄生电容补偿电容cs2；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和第一电容c1的一端共同连接至运算放大器的u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和第一电容c1的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和电容传感器cx的一个输入端共同连接至运算放大器u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和电容传感器cx的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；寄生电容补偿电容cs1一端连接至运算放大器的u1的同相输入端，另一端接地；寄生电容补偿电容cs2一端连接至运算放大器的u1的反相输入端，另一端接地；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0021]
优选地，上述cv转换电路中第一电容c1与电容传感器cx接入位置可以互换。
[0022]
优选地，所述cv转换电路包括：运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、电容传感器差动电容cx1、电容传感器差动电容cx2、寄生电容补偿电容cs1、寄生电容补偿电容cs2；第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端共同连接至cv转换电路输入信号，第一电阻r1的另一端连接至运算放大器u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端连接至运算放大器u1的反相输入端；第三电阻r3的一端和传感器差动电容cx2的一端共同连接至运算放大器u1的同相输入端，第三电阻r3的另一端和传感器差动电容cx2的另一端共同连接至地；第四电阻r4的一端和传感器差动电容cx1的一个输入端共同连接至运算放大器的u1的反相输入端，第四电阻r4的另一端和传感器差动电容cx1的另一个接入端共同连接至运算放大器u1的输出端；寄生电容补偿电容cs1一端连接至运算放大器的u1的同相输入端，另一端接地；寄生电容补偿电容cs2一端连接至运算放大器的u1的反相输入端，另一端接地；运算放大器u1的输出端为cv转换电路输出端。
[0023]
优选地，所述第一电容c1和电容传感器cx对称布置、电容材质及结构相同、走线对称，两者产生的寄生电容始终接近或者相同。
附图说明
[0024]
图1示出本实用新型第一实施例电路原理框图；
[0025]
图2示出本实用新型第一实施例cv转换电路原理图1；
[0026]
图3示出本实用新型第一实施例cv转换电路原理图2；
[0027]
图4示出本实用新型第一实施例cv转换电路原理图3；
[0028]
图5示出本实用新型第一实施例电容布局图；
[0029]
图6示出本实用新型第二实施例电路方框流程图；
[0030]
图7示出本实用新型第二实施例电子开关乘法器电路原理图；
[0031]
图8示出本实用新型第二实施例过零比较器电路原理图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0034]
本实用新型所述的连接指电连接，可以是直接电连接，也可以是通过某个器件间接电连接。
[0035]
特别说明，实施例中的优选方案同样适用于
[0036]
实施例1：
[0037]
图1示出本实用新型第一实施例电路原理框图，本实用新型提供一种微弱电容变化测量电路，包括：cv转换电路、放大电路、模拟乘法器、低通滤波器和移相电路。正弦波激励信号输入至cv转换电路后，cv转换电路把电容传感器的电容值相对变化率转换为一个微弱正弦信号的幅值变化；该微弱正弦信号被放大电路放大；放大电路输出信号的幅值被模拟乘法器和低通滤波器构成的幅度解调电路解出，经低通滤波器输出正比于传感器等效电容相对变化率的直流有用信号；移相器改变幅度解调电路的参考信号与放大电路输出信号的相位差，提高电路的灵敏度。
[0038]
现结合具体电路说明具体实施电路的原理。
[0039]
cv转换电路实施例如图2所示。所述cv转换电路把传感器等效电容值的相对变化率转换为一个微弱正弦波的幅值变化。电路中的参数配置满足
[0040]
，可以推导出电路的传递函数：
[0041]
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（公式1）
[0042]
为输入激励正弦波角频率，令1/，取时，可以忽略上式分母中的1，可以进一步表示为:
[0043]
（公式2）
[0044]
与测量微小电容的交流激励负反馈法相似，上述电路利用了负反馈原理，不同的是运算放大器配置成了对称的差分放大电路形式。当电路中对称位置的元件取值相同时，电路输出为0。
[0045]
假设为传感器等效电容称为平衡电容，电容值与基础电容相同。
[0046]
取传感器基础电容为,，，具体可表示为：
[0047]
（公式3）
[0048]
当平衡电容与传感器位置互换时，上述等式右边取相反符号。
[0049]
根据上式可知，传感器等效电容的电容值相对变化率正比于输出正弦信号as1的幅值。
[0050]
图3所示的cv转换电路在图2的基本配置下增加了线路寄生电容补偿电容cs1、cs2。当传感器用导线引出时必然会产生对地寄生电容，此时电路无法调零。这时增加了寄生电容补偿电容cs1、cs2。为了表述上的方便，cs1表示人为增加的补偿电容与运算放大器u1同相输入引脚原本存在的寄生电容之和，cs2表示人为增加的补偿电容与运算放大器u1反相输入引脚原本存在的寄生电容之。此时电路传递函数为
[0051]
（公式4）
[0052]
取时，上式简化为：
[0053]
（公式5）
[0054]
当平衡电容与传感器位置互换时，上述等式右边取相反符号。
[0055]
为传感器等效电容和第一电容一侧对地寄生电容的差值，。调节补偿电容cs1、cs2的差值可以使电路调零。电路调零后，传感器等效电容的电容值相对变化率正比于输出正弦信号as1的幅值。
[0056]
图4电路实现差分电容的应用。电路原理与图3类似，仅把平衡电容c1换成差动电容传感器中的一个，灵敏度提高一倍，其余原理不再赘述。
[0057]
cv转换电路的具体实施需要考虑传感器等效电容量级、寄生电容量级，根据这两个参数选择合适的激励信号频率，再根据激励频率选择足够带宽余量的运算放大器。同时，为了尽量减少寄生电容的影响，需要对称布置电路，包括电子元器件和走线。如图5所示。
[0058]
所述放大器为通用放大电路，其作用是提供电路的增益。可用常规的反相放大器、同相放大器等电路实现。
[0059]
所述模拟乘法器、移相器和低通滤波器构成了幅度解调电路。模拟乘法器可用通用的单片集成模拟乘法器实现；移相器可以经典有源移相电路实现；低通滤波器的作用是滤除交流信号，可以用常规低通滤波器实现。
[0060]
电路基本原理如下：
[0061]
模拟乘法器直接提供待测信号as2和参考信号as5的乘积，其输出as3包含一个直流分量和一个倍频正弦波：
[0062]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式6）
[0063]
上式中为放大电路的输出正弦信号as2的幅值，的大小正比于传感器电容值的相对变化率，为激励信号的幅值，为乘法器的增益，为放大电路的增益，为激励信号的角频率。为信号as2和as5的相位差。
[0064]
信号as3经低通滤波后交流成分被滤除，得到电路的最终有用输出：
[0065]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（公式7）
[0066]
移相电路可以改变的大小，当趋近于0时，电路灵敏度最高。为零点误差。
[0067]
该电路具有极强的噪声抑制能力，可以从大量噪声中检出极为微弱的正弦信号。
[0068]
实施例2：
[0069]
为了降低成本，参考信号可以用方波替代，模拟乘法器则用电子开关乘法器替代。用参考信号去控制电子开关，使cv转换电路的输出交替地与一个绝对值相等但符号相反的系数相乘。相乘的结果包含一系列交流信号和一个有用直流信号。有用直流信号的电压值正比于cv转换电路的幅值，同时也正比于参考方波与cv转换电路输出信号的相位差的余弦值。移相电路的作用同上文所述。为了节省一个信号源，参考方波信号可由正弦激励信号经过一个过零比较器转换而来。电路原理框图如图6所示。
[0070]
所述电子开关乘法器如图7所示。电路中单刀双掷电子开关sw-spdt1被方波信号ds0控制。在ds0信号的控制下，sw-spdt1在两种稳定的状态之间周期性交替切换开关触点，这导致电路在两种增益之间周期性切换，这两种增益大小相同但符号相反。数学上等效于输入信号乘以一个对称方波。方波可以分解成基频正弦信号和谐波的加和。相乘的结果同样可以分解成直流信号和交流信号的和。交流成分被低通滤波器滤除后可以得到有用直流信号：
[0071]
ꢀꢀꢀꢀ
（公式8）
[0072]
上式中各变量的意义与公式7中的相同，不再赘述。
[0073]
参考方波信号通过激励正弦信号转换而来。如图8所示，当输入正弦信号处于正半周时电路输出高电平，当输入正弦信号处于负半周时电路输出低电平，从而得到一个50%占空比的方波信号。
[0074]
电路中的移相电路、放大电路、低通滤波电路均为通用电路，原理不再赘述。
[0075]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。