标题:
高性能电容传感器检测系统
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作者:
Bazinga
时间:
2014-5-6 20:04
标题:
高性能电容传感器检测系统
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如图1。
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。
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。
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/℃×5V×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。
图4 LTZ1000典型应用电路
电压基准源的缓冲放大
在这个环节着重考虑运算
放大器
的失调电压温度漂移和放大器的低频噪声。
LTC1250 是一个高性能低噪声，零温度漂移运算放大器。0.1Hz~1Hz等效输入噪声0.75mVP-P；温度漂移±0.01mV/℃
脉冲形成
脉冲形成的电路原理如图5。
图5 脉冲形成电路原理图
当开关s闭合时，运算放大器同相输入端接地，电阻R2并联在输入信号源与地之间，可将其忽略掉。则此时放大器为单位增益反相放大器。
当开关s断开时，由于运算放大器输入端阻抗很高。电阻R2上的电压降近似等于零，R2可以近似等效为短路。同时由于放大器两输入端虚短的特性，流过电阻R1的电流等于零。因此，R1可以等效为去掉。此时放大器为单位增益同相放大器。
脉冲信号的形成可以用如下公式表示。
uout=uin·GC
输
入信号为电压为5V，并带有噪声的直流信号。
控制信号为：
(n=0,1,2...)
输入电压为常数Vref，uout(t)可用傅氏级数表示为：
可见，输出信号中含有基波和奇次谐波。滤除掉高次谐波即得到所需的单一频率正弦激励信号。正弦信号的幅度由基准电压源决定，频率由控制脉冲决定。
在这个环节，放大器处理的时交流信号，同时信号幅度较大，需要着重考虑的指标有：噪声电压密度，频率响应特性，输出电压摆率。激励环节最终输出的信号将作用在电容(
传感器
)上，低频信号将被滤除掉。同时放大器的增益很小。因此，放大器的输入失调电压，失调电流，低频噪声等参数可以不考虑。
放大器选用LT1128。LT1128是一个单位增益稳定的低噪声运算放大器。等效输入电压噪声密度最大值为1.1nV/肏z。增益带宽积不小于13MHz。输出电压摆率5V/ms。
在这里输出电压摆率要求不小于。如果取正弦信号频率为500KHz，则要求放大器的输出电压摆率不小于30V/ms。远远高于LT1128的能力。这个问题采用下面的技术解决。
电路中的开关使用一个N沟道MOSFET来实现。
大输出电压摆幅放大技术—运算放大器复合
在这个环节要求运算放大器的等效输入噪声要尽量小，输出电压摆幅、摆率要大，并且大信号开环增益要大。低噪声高性能运算放大器都不能很好的满足要求。而这几项指标中，噪声性能是无法通过补偿改善的。通过增加一个高速的输出驱动级(如图6)可以提高低噪声放大器的输出电压摆率。
在输出级放大器A2的选取上要考虑输出电压摆率要大，放大器带宽要高，频率响应中相位移动要小。运算放大器A2在设计通频带内的相移要小于A1在此范围内的相位裕量值。
图6 高输出电压摆率组合放大器
输出放大器的增益值等于要求的电压摆率除以A1的最小输出电压摆率值。
A2放大器选用LT1227。LT1227是一个电流反馈宽带运算放大器。140MHz 带宽1100V/us输出电压摆率。
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