專利名稱：基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號設(shè)備與檢測領(lǐng)域，特別涉及一種適用于快速、低噪聲測定電容基傳感器系統(tǒng)的電路。

背景技術(shù)：
當(dāng)前的電容測試技術(shù)多種多樣，包括高精準(zhǔn)的LCR測試儀，高精度的一步式電容數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路，低精度的實(shí)驗(yàn)儀表等等。不同的電容測試技術(shù)所基于的技術(shù)也不同，因此也具有相應(yīng)的缺陷。對于高精準(zhǔn)的LCR測試儀，雖然精度高，但是其體積龐大，而且價(jià)格極其昂貴，主要滿足實(shí)驗(yàn)室的精度需求。高精度的一步式電容數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路的精度高，價(jià)格低，穩(wěn)定性好，但是其處理速度相對緩慢。而普通的實(shí)驗(yàn)儀表，價(jià)格低，但是精度過低，速度慢。這些缺點(diǎn)造成了這些測試系統(tǒng)無法檢測一些基于電容技術(shù)的傳感器。而此類傳感器的檢測系統(tǒng)需要快速，小型化，低噪音，低成本的準(zhǔn)確測試電容值以及電容的變化。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高速、小型、低噪的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路。
本發(fā)明將文氏電橋中的負(fù)反饋環(huán)路中的一個(gè)或兩個(gè)電容由傳感器電容替代，從而將可變電容傳感器集成到文氏電橋中，實(shí)現(xiàn)電橋?qū)鞲衅麟娙葑兓恼{(diào)制過程。通過利用電橋負(fù)反饋電路中的電阻的控制，從而簡便的完成對傳感器工作頻率的調(diào)節(jié)與優(yōu)化；文氏電橋的輸出通過鎖相環(huán)進(jìn)行解調(diào)，鎖相環(huán)電路自身的頻率調(diào)節(jié)電阻在這里被改造為靈敏度條件電阻，可以有效設(shè)定傳感器的敏感度和工作寬容度。同時(shí)利用鎖相環(huán)自身具有的二階低通濾波屬性，合理的調(diào)節(jié)低通屬性，過濾解調(diào)后輸出的電壓。鎖相環(huán)的輸出電壓經(jīng)過一個(gè)放大電路，通過調(diào)節(jié)儀表電路的參考電壓達(dá)到調(diào)節(jié)整個(gè)傳感器偏置工作電壓的目的，同時(shí)也達(dá)到降低輸出阻抗，調(diào)整電路增益，改善輸出抗干擾性。
本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案 一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括 文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負(fù)反饋環(huán)路中的一個(gè)或兩個(gè)電容為傳感器電容； 鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調(diào)節(jié)電阻為靈敏度條件電阻； 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
進(jìn)一步地，還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間的放大電路。
進(jìn)一步地，所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個(gè)或兩個(gè)為傳感器電容。
進(jìn)一步地，所述第一放大元件的型號為LT1354。
進(jìn)一步地，所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件的型號為74HC4046B，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調(diào)制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。
進(jìn)一步地，所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器。
進(jìn)一步地，所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。
進(jìn)一步地，所述放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，所述第三放大元件的型號為AD627，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第三放大元件的負(fù)極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。
本發(fā)明具有以下有益效果 1、通過有效的電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制解調(diào)過程，有效降低噪音干擾，極大的提高了測量的精度和敏感度，可測量10-2pF數(shù)量級的電容變化。
2、通過調(diào)整電路自身的屬性電阻達(dá)到誤差修正，多工作量程設(shè)定，偏置電壓調(diào)整的目的，降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，無需添加專用的功能模塊。
3、使用通用集成電路芯片，制造成本低廉，相對同一精度的測量儀器，成本大幅下降。
4、將電容傳感器集成進(jìn)文氏電橋，電容與頻率直接耦合，達(dá)到調(diào)制的目的，結(jié)構(gòu)簡單。
5、經(jīng)過簡單調(diào)整，整個(gè)電路可以移植得到基于電阻變化的檢測系統(tǒng)中。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。



圖1為本發(fā)明基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路實(shí)施例框圖； 圖2為本發(fā)明基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路具體電路圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中文氏電橋靈敏度分布圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括 文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負(fù)反饋環(huán)路中的一個(gè)或兩個(gè)電容為傳感器電容； 鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調(diào)節(jié)電阻為靈敏度條件電阻； 放大電路，所述鎖相環(huán)電路的輸出端與所述放大電路相連接，用于對鎖相環(huán)電路輸出信號進(jìn)行放大； 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，與所述放大電路相連接，用于將放大電路輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本實(shí)施例用來測定一個(gè)電容值為2pF的傳感器的電容變化。這個(gè)傳感器用來檢測以1.5m/s移動的生物質(zhì)的數(shù)量。由于生物質(zhì)的水分極低且距離較遠(yuǎn)，因此電容的變化僅為1％～2％，即20～40fF(10-15F)。
如圖2所示，所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個(gè)或兩個(gè)為傳感器電容。
其中，第一放大元件選用LT1354，其驅(qū)動電壓為+5V。
在本實(shí)施例中，電容C11為傳感器電容，而電容C12為電容值接近2pF的固定值貼片電容。電容C11與電容C12在測試敏感度上是不對等的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體決定較敏感的電容，兩者不可調(diào)換。當(dāng)電容值大于30-50pF時(shí)，可以將電容C11與電容C12都使用傳感器電容，這樣可以增加響應(yīng)敏感度。調(diào)節(jié)電阻R11和電阻R12可以調(diào)節(jié)電橋的工作頻率，優(yōu)化工作點(diǎn)。最佳工作點(diǎn)的選擇必須通過實(shí)驗(yàn)獲得，理論模型基本失效。圖3為傳感器電容的敏感度分布圖，可以看到不同的電阻R11與電阻R12之間的傳感器敏感度分布情況，由圖判定電阻R11為50KΩ左右，電阻R12為200KΩ左右，再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)微調(diào)，將電阻R11、電阻R12分別標(biāo)定在43KΩ和169KΩ，此時(shí)的工作頻率為245KHz。
如果使文氏電橋可以穩(wěn)定工作，則正反饋環(huán)路的放大增益應(yīng)該為3。正反饋中的電器元件的具體值可通過Pspice計(jì)算機(jī)軟件仿真獲得，然后通過具體實(shí)驗(yàn)微調(diào)，以獲得最佳的震蕩穩(wěn)定性。有關(guān)的電氣元件參數(shù)為 如圖2所示，所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件為德州儀器的74HC4046B，其驅(qū)動電壓為+5V，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調(diào)制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。測試電路的高精度將通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，即調(diào)整電阻R21、電阻R22和電容C21，具體的值通過實(shí)驗(yàn)確定。
本實(shí)施例中，所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器，所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。電阻R23和電容C22組成的一階低通濾波電路與鎖相環(huán)電路相結(jié)合，形成一個(gè)二階低通濾波器。電阻R13和電容C12的具體值可先由理論計(jì)算初步獲取，再通過實(shí)際測試確定最終值。有關(guān)的電氣元件參數(shù)為 所述鎖相環(huán)電路的輸出信號已經(jīng)為可用的電壓信號，信噪比不低于5，但是還可能存在輸出阻抗偏大，直流偏置嚴(yán)重，信號絕對值偏小等缺點(diǎn)，因此為了后期的模數(shù)轉(zhuǎn)換，增加一放大電路，以同時(shí)消除這些缺點(diǎn)。該放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，該第三放大元件選用AD627，其驅(qū)動電壓為+5V，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第二放大元件的負(fù)極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。其中，所述變阻器R31用于調(diào)節(jié)直流偏置電壓，變阻器R32用于調(diào)節(jié)電壓增益。變阻器R31和電阻R33的具體值由 特定的電路應(yīng)用決定。
權(quán)利要求
1、一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于包括文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負(fù)反饋環(huán)路中的一個(gè)或兩個(gè)電容為傳感器電容；鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調(diào)節(jié)電阻為靈敏度條件電阻；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間的放大電路。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負(fù)極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個(gè)或兩個(gè)為傳感器電容。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述第一放大元件的型號為LT1354。
5、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件的型號為74HC4046B，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調(diào)制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，所述第三放大元件的型號為AD627，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第三放大元件的負(fù)極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16的阻值分別為43KΩ、169KΩ、1KΩ、1KΩ、6KΩ、2.4KΩ，所述電容C21為10nF，所述電容C22為1200pF，所述電阻R21、電阻R22、電阻R23的阻值分別為100KΩ、33KΩ、200KΩ。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述二極管D11和二極管D22的型號為D1N914。
全文摘要
一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負(fù)反饋環(huán)路中的一個(gè)或兩個(gè)電容為傳感器電容；鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調(diào)節(jié)電阻為靈敏度條件電阻；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間的放大電路。本發(fā)明通過有效的電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制解調(diào)過程，有效降低噪音干擾，極大的提高了測量的精度和敏感度，可測量10-2pF數(shù)量級的電容變化。
文檔編號G01N33/483GK101441236SQ20081020755
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者李海洲 申請人:上海理工大學(xué)