專利名稱：全數(shù)字差動電容檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電子線路，特別涉及一種檢測差動電容的電路。
背景技術(shù)：
差動電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好、穩(wěn)定性高、非接觸測量等優(yōu)點，在位移、壓力、加速度、物質(zhì)成分、物位等參數(shù)的測量中有著廣泛的應(yīng)用。差動電容傳感器輸出信號通常十分微弱，甚至完全淹沒在各類干擾信號中，利用有效的差動電容檢測技術(shù)將極微小差動電容變化量檢測出來，是差動電容傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵。典型的差動電容檢測技術(shù)包括高穩(wěn)定溫補時鐘源、激勵信號發(fā)生器、電荷放大器、移相網(wǎng)絡(luò)、帶陷濾波器、帶通選頻網(wǎng)絡(luò)、相敏解調(diào)器、低通濾波器等環(huán)節(jié)，并且檢測輸出是緩變的直流模擬量信號，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能與數(shù)字測量系統(tǒng)連接。典型的差動電容檢測技術(shù)所包含的各環(huán)節(jié)通常由分立和集成電路混合設(shè)計而成， 硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成化程度低，調(diào)整點多、調(diào)整靈活性差，檢測分辨率固定、小信號檢測分辨率和大檢測量程難以兼顧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硬件結(jié)構(gòu)簡單，既能提高小信號檢測分辨率，又能實現(xiàn)較大檢測量程的差動電容檢測電路。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種全數(shù)字差動電容檢測裝置，它包括數(shù)字控制器，數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器，數(shù)字可編程波形發(fā)生器，電荷放大器，放大倍數(shù)可編程儀表放大器，雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述數(shù)字控制器通過串行或I/O端口對所述數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器進(jìn)行編程，使其輸出預(yù)期時鐘信號，作為所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器的時鐘源；所述數(shù)字控制器通過串行或并行端口對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器進(jìn)行編程，使其輸出幅值為A、頻率為F。、相位為θ c的正弦激勵信號，同時輸出幅值為A、頻率為F。、相位為θ Ε的正弦參考信號，以及頻率為NS*F。的方波信號；所述電荷放大器由一對差動電容及其補償電容，一對均帶有反饋回路、放大系數(shù)均為K的運算放大器組成；在所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器給出的所述正弦激勵信號作用下，所述一對運算放大器分別輸出與所接差動電容成線性比例的兩路電壓信號；所述儀表放大器的同相或反相輸入端接入所述兩路電壓信號，所述儀表放大器的放大倍數(shù)G由所述數(shù)字控制器通過編程決定，其輸出為U0 = Gk (Csa-Csb) Asin (2 π Fct+ θ c+ θ s)其中CSA_CSB為被檢測的所述一對差動電容的差值A(chǔ)e ； θ s為所述電荷放大器及所述儀表放大器造成的相移；所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通道A接入所述儀表放大器的輸出，通道B接入所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器輸出所述正弦參考信號，并以所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器輸出的所述頻率為NS*FC的方波信號作為采樣觸發(fā)信號，在所述儀表放大器輸出的每個周期內(nèi)采樣Ns次；所述數(shù)字控制器接收所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器輸出的所述頻率為NS*F。的方波信號作為外部中斷觸發(fā)信號，進(jìn)入INT中斷服務(wù)程序，進(jìn)行以下處理a.利用DMA或其它方式通過其串行或并行接口讀取所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器對所述儀表放大器輸出的采樣結(jié)果U^k)，和對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器輸出所述正弦參考信號的采樣結(jié)果Uk (k)；b.將所述U0 (k)添加至存儲序列Uof (η)隊尾，所述Uof (η)表示為Uof (n) = GK (Csa-Csb) Asin (2 π n/Ns+ θ c+ θ s)c.將所述Ur (k)添加至存儲序列Urf (η)隊尾，所述Urf (η)表示為Uef (n) = Asin (2 π n/Ns+ θ R)d.以&為中心頻率，對所述^(η)和所述UKF(n)進(jìn)行帶通濾波，得到所述U。(k) 的濾波輸出UwGO和所述uK(k)的濾波輸出Ukf(k)；將所述UwGO和所述Ukf (k)進(jìn)行相乘得到U。(k)，并添加至存儲序列U。F (η)隊尾，所述U。F(n)表示為 UCF{n) = —GKiC^ -Csb)A2 cos (4πη/ Ns +Θε+ΘΞ+Θκ)+ ^GKiCs4 - Csb)Α2 cos (Gc +es-eR)e.通過串行或并行端口對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器輸出的所述激勵信號相位 θ c和所述參考信號相位θ κ進(jìn)行編程，使θ。+、-θκ*0°附近的某一常值θρ;f.對所述Uct (η)進(jìn)行低通濾波，得到所述U。(k)的濾波輸出Ud (k)Ud (k) = ^GK{Csa -Cse)A2 cos {0F)其中Α、Κ是由電路所決定的常值，G、θ F為通過所述數(shù)字控制器編程得到的常值， Ud (k)為對所述一對差動電容差值Csa-Csb的檢測值；g.退出所述INT中斷服務(wù)程序，準(zhǔn)備對下一組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本發(fā)明利用數(shù)字控制器對可編程時鐘發(fā)生器提供的時鐘源進(jìn)行編程控制，使可編程波形發(fā)生器的各輸出信號頻率能根據(jù)需要靈活調(diào)整，具有較大的頻率調(diào)整范圍。利用數(shù)字控制器對可編程波形發(fā)生器進(jìn)行編程控制，可編程波形發(fā)生器輸出的激勵信號、參考信號、采樣信號完全同步，采樣信號頻率始終是激勵信號和參考信號頻率F。的 Ns倍，可以避免由于時鐘源漂移造成非整數(shù)倍采樣。利用數(shù)字控制器對可編程波形發(fā)生器進(jìn)行編程控制，調(diào)整激勵信號相位θ c與參考信號相位θ κ之間的差值，以補償由于電荷放大器及儀表放大器對激勵信號造成的相位偏移9S，使θ。+θ3-θκ*0°附近的某一常值，避免93使θ。+Os-Or位于90°或90° 整數(shù)倍附近而使得ΔC無法解算，并使AC的解算結(jié)果具有盡可能高的靈敏度。儀表放大器的放大倍數(shù)G由數(shù)字控制器編程控制，當(dāng)AC較小時通過增大G值，使 AC檢測在小信號時具有極高的分辨率；當(dāng)AC較大時通過減小G值，使AC檢測在大信號時具有極大的檢測范圍。采樣信號為雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換啟動信號，雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采樣信號觸發(fā)下啟動對儀表放大器輸出信號^和參考信號Uk的同步采樣，具有極高的定時
5準(zhǔn)確度，避免軟件或其它定時方式造成的采樣時鐘抖動。采樣信號同時為數(shù)字控制器提供外部中斷信號，使數(shù)字控制器可以采取DMA等無需控制器干預(yù)的方式完成采樣數(shù)據(jù)讀取， 提高了控制器的工作效率。數(shù)字控制器對差動電容檢測各環(huán)節(jié)的控制均通過編程實現(xiàn)，并通過軟件代碼完成帶通選頻濾波、混頻解調(diào)、低通濾波等環(huán)節(jié)，硬件結(jié)構(gòu)簡潔，調(diào)整靈活性好。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式參見附圖，一種全數(shù)字差動電容檢測裝置，其特征是它包括數(shù)字控制器1，數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器2，數(shù)字可編程波形發(fā)生器3，電荷放大器4，放大倍數(shù)可編程儀表放大器 5，雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器6;所述數(shù)字控制器1通過串行或I/O端口對所述數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器2進(jìn)行編程，使其輸出預(yù)期時鐘信號，作為所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3的時鐘源；所述數(shù)字控制器1通過串行或并行端口對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3進(jìn)行編程，使其輸出幅值為A、頻率為F。、相位為θ e的正弦激勵信號，同時輸出幅值為A、頻率為F。、 相位為θ Ε的正弦參考信號UE，以及頻率為NS*F。的方波信號；所述電荷放大器4由一對差動電容CSA、CSB及其補償電容C。A、C。B，一對均帶有反饋回路Cfa，Rfa ；Cfb, Rfb、放大系數(shù)均為K的運算放大器A，B組成；在所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3給出的所述正弦激勵信號作用下，所述一對運算放大器A，B分別輸出與所接差動電容 CSA、Csb成線性比例的兩路電壓信號UA, Ub ；所述儀表放大器5的同相或反相輸入端接入所述兩路電壓信號UA，Ub，所述儀表放大器5的放大倍數(shù)G由所述數(shù)字控制器1通過編程決定，其輸出為U0 = GK (Csa-Csb) Asin (2 π Fct+ θ c+ θ s)其中CSA-CSB*被檢測的所述一對差動電容CSA、CSB的差值A(chǔ)C; es為所述電荷放大器4及所述儀表放大器5造成的相移；所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器6的通道A接入所述儀表放大器的輸出U。，通道B接入所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3輸出所述正弦參考信號Uk，并以所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3輸出的所述頻率為NS*F。的方波信號作為采樣觸發(fā)信號，在所述儀表放大器輸出U0的每個周期內(nèi)采樣Ns次；所述數(shù)字控制器1接收所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3輸出的所述頻率為NS*FC的方波信號作為外部中斷觸發(fā)信號，進(jìn)入INT中斷服務(wù)程序，進(jìn)行以下處理a.利用DMA或其它方式通過其串行或并行接口讀取所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器6 對所述儀表放大器輸出U0的采樣結(jié)果U^k)，和對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器3輸出所述正弦參考信號Uk的采樣結(jié)果Uk (k)；b.將所述U0 (k)添加至存儲序列Uof (η)隊尾，所述Uof (η)表示為Uof (n) = GK (Csa-Csb) Asin (2 π n/Ns+ θ c+ θ s)c.將所述Uk(k)添加至存儲序列Ukf (η)隊尾，所述Ukf (η)表示為
Uef (n) = Asin (2 π n/Ns+ θ R)d.以&為中心頻率，對所述^(η)和所述UKF(n)進(jìn)行帶通濾波，得到所述U。(k) 的濾波輸出UwGO和所述uK(k)的濾波輸出Ukf(k)；將所述UwGO和所述Ukf (k)進(jìn)行相乘得到U。(k)，并添加至存儲序列U。F (η)隊尾，所述U。F(n)表示為
權(quán)利要求
1. 一種全數(shù)字差動電容檢測裝置，其特征是它包括數(shù)字控制器(1)，數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器O)，數(shù)字可編程波形發(fā)生器(3)，電荷放大器G)，放大倍數(shù)可編程儀表放大器 (5)，雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)；所述數(shù)字控制器(1)通過串行或I/O端口對所述數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器( 進(jìn)行編程，使其輸出預(yù)期時鐘信號，作為所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器(3)的時鐘源；所述數(shù)字控制器(1)通過串行或并行端口對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)進(jìn)行編程，使其輸出幅值為A、頻率為F。、相位為θ e的正弦激勵信號，同時輸出幅值為A、頻率為F。、 相位為θ Ε的正弦參考信號(Uk)，以及頻率為NS*F。的方波信號；所述電荷放大器由一對差動電容(CSA、CSB)及其補償電容(C。A、C。B)，一對均帶有反饋回路(CFA，Rfa ；Cfb, Rfb)、放大系數(shù)均為K的運算放大器(A，B)組成；在所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器(3)給出的所述正弦激勵信號作用下，所述一對運算放大器(A，B)分別輸出與所接差動電容(CSA、CSB)成線性比例的兩路電壓信號(UA，UB)；所述儀表放大器( 的同相或反相輸入端接入所述兩路電壓信號(UA，UB)，所述儀表放大器(5)的放大倍數(shù)G由所述數(shù)字控制器(1)通過編程決定，其輸出為 U0 = GK (Csa-Csb) Asin (2 π Fct+ θ c+ θ s)其中=Csa-Csb為被檢測的所述一對差動電容(CSA、Csb)的差值Δ。； θ s為所述電荷放大器(4)及所述儀表放大器( 造成的相移；所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)的通道A接入所述儀表放大器的輸出( )，通道B接入所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)輸出所述正弦參考信號(Uk)，并以所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)輸出的所述頻率為NS*F。的方波信號作為采樣觸發(fā)信號，在所述儀表放大器輸出 (U0)的每個周期內(nèi)采樣Ns次；所述數(shù)字控制器(1)接收所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)輸出的所述頻率為NS*FC的方波信號作為外部中斷觸發(fā)信號，進(jìn)入INT中斷服務(wù)程序，進(jìn)行以下處理a.利用DMA或其它方式通過其串行或并行接口讀取所述雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)對所述儀表放大器輸出( )的采樣結(jié)果U^k)，和對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)輸出所述正弦參考信號(Uk)的采樣結(jié)果Uk (k)；b.將所述U^k)添加至存儲序列Utff(Ii)隊尾，所述Uot(η)表示為 Uof(n) = GK (Csa-Csb) Asin (2 π n/Ns+ θ c+ θ s)c.將所述Uk(k)添加至存儲序列Ukf (η)隊尾，所述Ukf (η)表示為Uef (n) = Asin(2 3in/Ns+eR)d.以F。為中心頻率，對所述Uot(η)和所述UKF(n)進(jìn)行帶通濾波，得到所述^(k)的濾波輸出Uqf (k)和所述Uk (k)的濾波輸出Ukf (k)；將所述Uqf (k)和所述Ukf (k)進(jìn)行相乘得到 Uc(k)，并添加至存儲序列U。F(n)隊尾，所述U。F(n)表示為UcM) = ~\gK{Csa - Csb)A2 cos (4πη / Ns + θε +θ5+ θ,)+^GKiCs, - CSB)A2 COS (9C +0S- ΘΚ)e.通過串行或并行端口對所述數(shù)字可編程波形發(fā)生器C3)輸出的所述激勵信號相位 θ c和所述參考信號相位θ κ進(jìn)行編程，使θ。+、-θκ*0°附近的某一常值θρ;f.對所述U。F(n)進(jìn)行低通濾波，得到所述U。(k)的濾波輸出 (k) Ud (k) = ^GK(Csa-Csb)A2 cos (Θρ)其中Α、Κ是由電路所決定的常值，G、θ 通過所述數(shù)字控制器(1)編程得到的常值， Ud (k)為對所述一對差動電容(CSA、CSB)差值Csa-Csb的檢測值；g.退出所述INT中斷服務(wù)程序，準(zhǔn)備對下一組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種電子線路，特別涉及一種檢測差動電容的電路。全數(shù)字差動電容檢測裝置，包括數(shù)字控制器(1)，數(shù)字可編程時鐘發(fā)生器(2)，數(shù)字可編程波形發(fā)生器(3)，電荷放大器(4)，放大倍數(shù)可編程儀表放大器(5)，雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)。本發(fā)明利用數(shù)字控制器對可編程時鐘發(fā)生器提供的時鐘源進(jìn)行編程控制，使可編程波形發(fā)生器的各輸出信號頻率能根據(jù)需要靈活調(diào)整，具有較大的頻率調(diào)整范圍；儀表放大器的放大倍數(shù)G由數(shù)字控制器編程控制，當(dāng)ΔC較小時通過增大G值，使ΔC檢測在小信號時具有極高的分辨率；當(dāng)ΔC較大時通過減小G值，使ΔC檢測在大信號時具有極大的檢測范圍，數(shù)字控制器對差動電容檢測各環(huán)節(jié)的控制均通過編程實現(xiàn)，并通過軟件代碼完成帶通選頻濾波、混頻解調(diào)、低通濾波等環(huán)節(jié)，硬件結(jié)構(gòu)簡潔，調(diào)整靈活性好。
文檔編號G01R27/26GK102226825SQ20111015248
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者康寧民, 鄭應(yīng)強 申請人:第二炮兵裝備研究院中試與檢測中心