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电容传感器检测系统设计

2014年07月11日 13:50 次阅读
  引言   有多种测量电容的方法。但只有运算电容法适合自动在线测量。应用中使用较多的有直流充放电法和交流法。   从信号处理过程来看,充放电法与交流法并无本质区别。 充放电法的信号处理流程图   图1 充放电法的信号处理流程图   交流法的信号处理流程如图2. 交流法的信号处理流程   图2 交流法的信号处理流程   因此,可以将两个电路统一起来。信号流程图如图3. 统一的测量变换电路   图3 统一的测量变换电路   相控整流电路对输入噪声信号的频谱产生搬移的作用。低频噪声成分被搬移到高频段,高频噪声成分被搬移到低频段。   相控整流输出的信号将被送入到低通滤波器中处理。输出噪声信号中的高频成分将被滤除掉。因此,相控整流电路输入信号中的低频噪声不会对最终测量结果产生影响。而(2n-1)fc附近的噪声将被搬移到低频出,影响最终测量结果。   为使测量电路有较高的分辨率,应使输入到相控整流电路的信号有较大的幅度,并有较高的信噪比。   前级放大电路,不但将信号放大,同时也引入了噪声。放大电路引入的噪声是由放大电路本身决定的。信号经过一级处理电路后,将加入固定幅度的噪声。因此,在输出信号幅度一定时,信号的信噪比与信号的平均值成正比。   充放电法,在施加方波激励时,交流放大输出的是窄脉冲,信号占空比很低。因此,信噪比也很低。其次,放大脉冲信号要较大的带宽,高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段,加大了低频噪声。   交流法,使用单频率正弦信号作为激励。信号平均值大,因而能得到较高的输出信噪比。同时,由于所处理的信号为单一频率正弦信号,可以使用窄带带通放大器,减小放大器引入的噪声,进一步输出信号的信噪比。   交流法测量变换电路可以得到更高的分辨率。而电路结构并不会比充放电法复杂。因此选用交流激励信号来构成本测量系统。   激励电路设计   激励电路输出固定频率的正弦波。要求正弦波频率、幅度、相位恒定,便于同后级相控整流驱动信号同步,便于在大范围内调整与相控整流驱动信号的相对相位。   本设计中,使用高精度、低噪声基准稳压源保证生成的脉冲信号幅度的稳定。使用温补振荡器产生高频高稳定度的信号,通过分频得高频率稳定度、低相位抖动的到控制信号。然后经过带通滤波放大得到激励信号输出。   电压基准源的选择   理想的电压基准源应该是内阻为零,不论电流是流进去还是流出来,都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的,然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。基准源的工作原理、参数和选择方法,对于系统设计是一个颇为重要的因素。   基准源的类型   基准源主要有齐纳二极管、埋入式齐纳二极管和带隙电压基准三种。它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。   齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管,需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下,齐纳二极管通常是不适合的。   埋入式齐纳二极管集成基准的噪声比带隙式的低,长期稳定型好,温漂小。但是输出电压高,大约为6~7V,需要较高的供电电压。   带隙式基准的输出电压可以低至1V.现已经有1.235V,1.25V,2.048V,2.5V,4.096V,5V的器件。   电压基准源的选择   选择电压基准源时,应当针对系统的要求,综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多,主要的指标是:初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪声等。   噪音是无法补偿的误差,因而基准源的噪音应当低。   输出电压温度迟滞现象(THYS)也是一个不能修正的误差。THYS是25℃温度下,由于温度从热到冷,然后从冷到热变化时引起的输出电压的变化。它的幅度与温度变化的大小成正比。在很多情况下,THYS误差是不重复的,它与电路设计及封装有关。   温度漂移通常是可以修正的误差,因为它是可重复的。高分辨率系统都需要补偿。对一个5V系统,如果要求在整个商用温度范围(0~70℃,以25℃为基准点)保持±1LSB.如果基准源的漂移为1ppm/℃,ΔV=1ppm/℃&TImes;5V&TImes;45℃=225mV.因此1ppm/℃的性能仅适用于整个商用温度范围内的14位系统。常用器件的温度漂移性能为1ppm/℃到100ppm/℃   长期稳定性(LTS)给出了某一种封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移的程度。注意在温度和湿度处在极端状态下,电路板清洁度对此参数有很大的影响。还要注意LTS仅在25℃基准温度下有效。   电压基准源流出和吸入电流的能力是另一个重要参数。大多数应用只需要基准源对负载供出电流。许多基准源不能吸入电流。还需注意基准源的带负载能力。   高性能基准电压源-LTZ1000   LTZ1000和 LTZ1000A是一个具有极高稳定性的,带有温度补偿的参考电压源。输出电压为7V;温度漂移0.05ppm/℃;低频噪声1.2mVP-P;长期稳定性2mV/胟Hr.   一个典型的应用如图4. LTZ1000典型应用电路   图4 LTZ1000典型应用电路

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