[發(fā)明專利]電容傳感器量程自適應(yīng)信號電路

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710132687.4
• 申請日: 2007-09-18
• 公開（公告）號: CN101135574A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周杏鵬;朱文俊
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01D5/24
• 分類號: G01D5/24
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 陸志斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種通用微小電容的檢測電路，尤其涉及一種電容傳感器量程自適應(yīng)信號電路。

背景技術(shù)

電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。它廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等物理量的測量，而且還逐步擴大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、介質(zhì)介電常數(shù)的測量。它的結(jié)構(gòu)簡單，具有高分辨率，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，這是它的獨特優(yōu)點。電容式傳感器將被測非電量信號變換成電容變化后，必須由后續(xù)測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。電容傳感器因為其電極的極板面積比較小，相應(yīng)的電容容量(0.1pF～100pF)及變化量(小至fF級)也很小，其后續(xù)測量電路的設(shè)計就顯得十分重要。

目前，用于解決測量微弱電容的方法主要有電荷轉(zhuǎn)移法和交流法。這兩種電路的基本測量原理是通過激勵信號連續(xù)對被測電容進行充放電，形成與被測電容成比例的電流或電壓信號，從而測量出被測電容值。因此，這兩種方法都需要設(shè)計和配置穩(wěn)頻穩(wěn)幅高精度的交流信號源。由于連續(xù)充放電測量信號中具有脈動噪聲，需要先進行濾波除去其中的脈動成分，但濾波器的引入?yún)s成為提高數(shù)據(jù)采集速度的一個瓶頸。另外，電荷轉(zhuǎn)移法是利用電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制電路的充放電，電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)對測量結(jié)果的影響還難以完全消除；交流法需要考慮相位補償，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本也較高。

一種新的方式是采用美國模擬器件公司的高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)。它解決了從電容到數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的復(fù)雜而困難的信號處理難題。由于將先進的信號處理技術(shù)和高集成度制造工藝相結(jié)合，AD7746達到了以前只能通過需要大量的分立元件支持的傳統(tǒng)模擬電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換器才可能達到的精度水平(AD7746是一種高精度，∑-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。被檢測的電容直接連接到芯片的輸入端即可)。此芯片具有很高的分辨率(24位無誤碼，達到21位有效分辨率)，優(yōu)秀的線性度(±0.01％)和精度(±4fF)。AD7746的電容輸入范圍為0～8pF。)。ADI公司的這款器件為設(shè)計工程師提供了超過現(xiàn)有的電容檢測分立解決方案的明顯優(yōu)勢，因為這些分立解決方案過去一直缺乏足夠的精度，并且已經(jīng)證明設(shè)計困難并且成本都很高。這款器件適合于各種高性能儀表和檢測應(yīng)用。但是，這種方法同時也存在一個致命的缺點：此款芯片的量程為0～8pF，往往不能滿足需要(大部分電容傳感器的動態(tài)范圍為0～100pF左右)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種通用性強、測量量程大的電容傳感器量程自適應(yīng)信號電路。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種電容傳感器量程自適應(yīng)信號電路，包括處理器和電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，處理器的時鐘信號輸出端SCL與電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時鐘信號輸入端SCL連接，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)信號輸出端SDA與處理器的數(shù)據(jù)信號輸入端SDA連接，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號輸出端RDY與處理器的外部中斷信號輸入端EXINT1連接，該電容傳感器量程自適應(yīng)信號電路還包括量程轉(zhuǎn)換模塊，處理器的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出端P0.0與量程轉(zhuǎn)換模塊的使能信號輸入端EN連接，處理器的第一標(biāo)準(zhǔn)信號輸出端P0.1、第二標(biāo)準(zhǔn)信號輸出端P0.2分別與量程轉(zhuǎn)換模塊的第一通道選擇信號輸出端A0、第二通道選擇信號輸出端A1連接，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一激勵信號輸出端EXCA與量程轉(zhuǎn)換模塊的第一模擬信號輸入端DA連接，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第二激勵信號輸出端EXCB與量程轉(zhuǎn)換模塊的第二模擬信號輸入端DB連接，量程轉(zhuǎn)換模塊的輸出端作為測量端，電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號輸入端CIN+作為另一測量端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明通用性強而且能夠擴大測量的量程范圍。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7746的核心是一個由二階調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器組成的高精度轉(zhuǎn)換器，同時，AD7746整合了一個多路復(fù)用器，一個激勵源。在通常的情況下，被測電容連接在激勵源和∑-Δ調(diào)制器的輸入端之間，在進行轉(zhuǎn)換時，從激勵源發(fā)出的方波激勵信號加載在被測電容上，而調(diào)制器則連續(xù)地采集通過被測電容上的電荷。接著，數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出。通過校正系數(shù)對數(shù)字濾波器的輸出結(jié)果加以校正后，就能得出最終結(jié)果。經(jīng)過對AD7746的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測量原理加以分析，可以得出AD7746的測量范圍與激勵源的激勵電壓值成反比的結(jié)論。于是，本發(fā)明在AD7746的激勵信號輸出端后連接了模擬多路開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)和電壓跟隨器，根據(jù)量程的需求，應(yīng)用電阻的分壓原理，按照比例改變了激勵信號的幅值，從測量原理的角度成比例的擴大了測量范圍，增強了本發(fā)明的通用性。

附圖說明