一种信号调理电路的制作方法

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种信号调理电路。

背景技术：

电容接近开关是以各类电容器作为传感元件，是将机械量转换成电容变化量的一种装置。传统接近开关中振荡器由电感电容参与工作，实现基本的电感、电容检测单元，振荡器输出可受有无被测物而变化的正弦信号，信号的幅值、频率、相位作为判断条件，信号调理电路是变量转换或判断比较的重要环节。信号调理电路的判断方法决定了接近开关的灵敏度。

接近开关信号处理主要是对信号进行电压变换，对得到的直流电压信号进行比较判断，可以借助比较器判断输出高低电平信号，或是使用单片机adc进行模数转换，软件处理判断结果值，常用的信号转换电路：

a)正弦信号通过二极管整流及滤波电路变换成直流电压信号即均值检波电路，目标物的远近改变信号幅度变化，从而改变直流电压的大小，与设置的阈值电压进行比较判断。见图4。

b)峰值检波电路是检测出信号波形的峰值大小，典型的峰值检波电路，见图5.

上述的转换电路存在以下缺点：

a)输入较低电压信号时，实际二极管导通压降不能忽略，不适用于小信号如0.7v以下的电压信号对其整流。

b)电容存在充放电的过程，为了得到平滑的电压信号，rc的时间常数就越大，意味着输出响应就越慢，因此这种检波电路适用于幅值变化缓慢，频率较高的信号测量。

c)灵敏度低，只检测单边信号变化，而不能实现信号峰峰值的差值变化，而针对mv级的信号变化检测存在更大难度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种信号调理电路，该信号调理电路采用针对激励脉冲信号f2的波形，对充放电信号进行针对性的变换，并对变换后的信号进行累积，解决了现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是，一种信号调理电路，其包括：

充放电电流检测模块，用于将被测电容在激励脉冲信号作用下的充放电电流转换为脉冲电压信号；

切换开关，具有输入端、第一输出端、第二输出端以及控制端，用于根据控制端的电平将输入端在第一输出端和第二输出端之间切换；所述切换开关的输入端用于接收所述脉冲电压信号；

控制驱动模块，用于在变换控制脉冲信号的控制下将所述激励脉冲信号同相或反相耦合至所述切换开关的控制端；

两个低通滤波模块，分别与所述切换开关的第一输出端以及第二输出端连接，用于对接收到的信号进行滤波；

信号累积模块，具有两个分别与一所述低通滤波模块的输入输出端连接的输入端；所述信号累积模块用于对两个输入端的信号差值进行累积，得到输出信号。

本发明的进一步改进在于：所述充放电电流检测模块为lc网络，通过将被测电容的充放电电流作用在lc网络的电感从而得到脉冲电压信号。

本发明的进一步改进在于：所述激励脉冲信号以及所述变换控制脉冲信号均为方波；所述变换控制脉冲信号的占空比为50％。

本发明的进一步改进在于：所述驱动控制模块为异或门。

本发明的进一步改进在于：所述低通滤波模块包括输入输出端，所述输入出端通过一个电阻与偏置电源连接，并通过一个电容与公共端连接；所述输入输出端用于和所述切换开关的输出端以及所述信号累积模块的输入端连接。

本发明的进一步改进在于：所述信号累积模块包括运算放大器、第一输入电阻、第二输入电阻、反馈电阻以及反馈电容；所述运算放大器的同相端通过第一输入电阻与所述信号累积模块的一个输入端连接；所述第二输入电阻的第一端与所述运算放大器的反相端连接，其第二端与所述信号累积模块的另一个输入端连接；所述反馈电阻连接在所述运算放大器的输出端与所述第二输入电阻的第二端之间；所述反馈电容连接在所述运算放大器的输出端与所述运算放大器的反相端之间；所述运算方放大器的输出端为所述信号累积模块的输出端。

本发明的进一步改进在于：所述充放电电流检测模块的输出端与所述切换开关的输入端之间设置有滤波电路，用于滤除所述脉冲电压信号中的直流分量。

本发明的进一步改进在于：还包括微控制器，所述微控制器通过定时器输出激励脉冲信号以及变换控制脉冲信号，通过adc对信号累积模块的输出信号进行转换，并根据转换后的输出信号计算被测电容的电容值。

本发明的有益效果为：信号调理电路根据激励信号对被处理信号进行切换，避免整流电路存在的导通压降的问题，可以对微小信号进行检测；信号调理电路的灵敏度可以通过硬件修改，结合接收的信号进行配置，切换开关的切换时间可通过外部微控制器(调节变换控制脉冲信号的频率)进行控制，使得输出信号完全可控。

附图说明

图1为本发明信号调理电路的框图；

图2为本发明信号调理电路的原理图；

图3为本发明信号调理电路的一个具体实施例的原理图；

图4是现有技术中采用整流原理的信号调理电路的原理图；

图5是现有技术中采用的峰值检波电路的原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的实施例提供了一种信号调理电路，应用于电容接近开关，用于检测被测电容在充放电过程中的充放电电流，通过充放电电流可以求得被测电容的电容值，进而得出被测电容的极板间距。

具体的，本发明实施例中信号调理电路包括：充放电电流检测模块10、切换开关30、控制驱动模块20、两个低通滤波模块40、信号累积模块50以及微控制器60。

微控制器60用于生成激励脉冲信号f2以及变换控制脉冲信号f1。在一个具体实施例中，激励脉冲信号f2频率为5mhz，变换控制脉冲信号f1的频率为500hz。激励脉冲信号f2用于耦合在被测电容上，以得到充放电电流。在激励脉冲信号f2的每个周期中，被测电容在高电平充电，低电平放电。充放电电流的大小随着被测电容的电容值的变化而变化。充放电电流检测模块10用于将被测电容在激励脉冲信号f2作用下的充放电电流转换为脉冲电压信号。在一个具体实施例中，充放电电流检测模块为lc网络，通过将被测电容的充放电电流作用在lc网络的电感从而得到脉冲电压信号。

充放电电流检测模块10的输出端连接有滤波电路70，用于滤除脉冲电压信号中的直流分量。在一个具体实施例中，滤波电路70包括依次串联的第六电阻r6、第三电容c3以及第七电阻r7。

切换开关30具有输入端com、第一输出端a、第二输出端b以及控制端。切换开关30用于根据控制端的电平将输入端com在第一输出端a和第二输出端b之间切换。切换开关30的输入端com用于接收滤除直流分量后的脉冲电压信号。在一个具体实施例中，控制端为低电平时输入端com和第一输出端a导通，反之输入端com和第二输出端b导通。

控制驱动模块20用于在变换控制脉冲信号f1的控制下将激励脉冲信号f2同相或反相耦合至切换开关30的控制端。

在一个具体实施例中，激励脉冲信号f2以及变换控制脉冲信号f1均为方波。变换控制脉冲信号f1的占空比为50％。驱动控制模块为异或门。

变换控制脉冲信号f1为高电平时，激励脉冲信号f2被正向输出至切换开关30的控制端，由于激励脉冲信号f2与充放电电流以及脉冲电压信号同步，此时切换开关30将被测电容充电周期对应的脉冲电压信号从第一输出端a输出，并将放电周期对应的脉冲电压信号从第二输出端b输出。

变换控制脉冲信号f1为低电平时，切换开关30受反相的激励脉冲信号f2控制，将被测电容充电周期对应的脉冲电压信号从第二输出端b输出，并将放电周期对应的脉冲电压信号从第一输出端a输出。

两个低通滤波模块40分别与切换开关30的第一输出端a以及第二输出端b连接，用于对接收到的信号进行滤波。在一个具体实施例中，低通滤波模块包括输入输出端，输入出端通过一个电阻(r1\r2)与偏置电源v1连接，并通过一个电容(c1\c2)与公共端gnd连接。输入输出端用于和切换开关30的输出端以及信号累积模块50的输入端连接。

两个低通滤波模块40的偏置电源v1的电压为激励脉冲信号f2的高电平的一半。在没有输入时，低通滤波模块40输出的电压均等于偏置电源v1的电压。在连续的脉冲作用下，低通滤波模块40输出电压会一定程度上偏离偏置电源v1的电压。

例如，当变换控制脉冲信号f1为低电平时，被测电容充电周期对应的脉冲电压信号输出至一个低通滤波模块40上，被测电容放电周期对应的脉冲电压信号输出至另一个低通滤波模块40上，使得两个低通滤波模块40输出的电压具有一个稳定的差值。当脉冲电压信号幅值稳定时，两个低通滤波模块40输出的电压差值随着变换控制脉冲信号f1电位正反切换。

信号累积模块50具有两个分别与低通滤波模块40的输入输出端连接的输入端。信号累积模块50用于对两个输入端的信号差值进行累积，得到输出信号。

在一个具体实施例中，信号累积模块50包括运算放大器u1、第一输入电阻r3、第二输入电阻r4、反馈电阻r5以及反馈电容c4。运算放大器u1的同相端通过第一输入电阻r3与信号累积模块50的一个输入端连接。第二输入电阻r4的第一端与运算放大器u1的反相端连接，其第二端与信号累积模块50的另一个输入端连接。反馈电阻r5连接在运算放大器u1的输出端与第二输入电阻r4的第二端之间。反馈电容c4连接在运算放大器u1的输出端与运算放大器u1的反相端之间。运算放大器u1的输出端为信号累积模块50的输出端。

微控制器60通过adc对信号累积模块50的输出信号进行转换，并根据转换后的输出信号计算被测电容的电容值。信号累积模块50的输出信号的周期与变换控制脉冲信号f1相同，其峰峰值为与被测电容的电容值正相关。由于信号累积模块50输出的信号幅值较大，可直接由adc变换后进行处理。微控制器60可在变换控制脉冲信号f1的上升沿和下降沿分别采样，以得到信号累积模块50的输出信号的峰峰值。

在信号累积模块50中，第一输入电阻r3、第二输入电阻r4是运放输入平衡电阻。反馈电容c4决定了电压变化速率，较低的速率有助于微控制器ad转换得到更稳定的结果值。反馈电阻r5决定了运放输出电压的幅值大小。在反馈电阻r5较大时，灵敏度高，脉冲电压信号很小的变化可以得到检测。在脉冲电压信号变化较大时，可以降低r5减小灵敏度进行检测。

本实施例中，激励脉冲信号f2的频率选取范围为1～5mhz，具体数值根据被测电容的检测极板c大小，lc网络中差模电感大小有关，可依据实验确定参数。变换控制脉冲信号f1的频率由充放电电流的信号强弱确定，信号强变换控制控制的频率适当高，信号弱，放大器的充放电时间需加长，变换控制频率适当低。激励脉冲信号f2以及变换控制脉冲信号f1的频率可根据实际工作情况进行确定。

本实施例的信号调理电路可以对微小信号进行检测，其灵敏度可以通过硬件修改，结合接收的信号进行配置，切换开关的切换时间可通过外部微控制器进行控制，使得输出信号完全可控。

如图3所示，在一些实施例中，切换开关30的第一输出端a通过可调电阻r8用于接收幅值变化的变换控制脉冲信号f1。此处的变换控制脉冲信号f1可改变运放的输入电平，使得信号累积模块50的输出信号反相。

具体的，可调电阻r8的接收到的变换控制脉冲信号f1可通过dac产生，其幅值与第一输出端a的电压va和第二输出端b的电压vb之间的差值正相关，该幅值由微控制器60根据运放u1的输出信号进行预测并调节，下文中将该信号称为dacf1。其改变信号累积模块50的输出信号相位的原理是：dacf1改变va的偏置电压，因为vavb的信号由s1开关切换，其切换频率也是f1，因此需对应上。例如：在不施加dacf1时，在f1前半个周期，va大于vb，后半个周期，va小于vb。施加dacf1时，仅调节va，vb不控制保持自身状态，va被dac调节，可实现，在f1前半个周期，va小于vb，后半个周期，va大于vb，从而使得运放u1的输出反向。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。