專利名稱：靜電電容－電壓轉換器及轉換方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種靜電電容-電壓轉換器及相關轉換方法，可以通過消除出現于信號傳輸線上的寄生電容的影響，高精度地將靜電電容轉換成相應的電壓，所述信號傳輸線用于將靜電電容連到運算放大器。


圖1一般地表示日本未審公開專利申請?zhí)亻_昭61-14578中描述的一種靜電電容-電壓轉換器的結構。所提出的這種靜電電容-電壓轉換器用于解決現有技術的問題，該現有技術缺少精確的電壓轉換的能力，這是由于以下事實所致，即用來連接未知靜電電容的電纜的寄生電容疊加在該未知電容上，而且由于電纜等的移動和彎曲，可能使這些寄生電容改變。如圖1所示，用電纜將一個未知電容Cx連到交流(AC)信號發(fā)生器OS與運算放大器OP之間，所述電纜包有屏蔽的傳輸線s，用以減小寄生電容Cs1，Cs2，Cs3的影響。具體地說，通過由包括電阻Rf和電容Cf之并聯(lián)電路形成的反饋電路使運算放大器OP的輸出端與反相輸入端相連。未知電容Cx的一端通過屏蔽線s連到運算放大器OP的反相端，另一端通過另一條屏蔽線s連到AC信號發(fā)生器OS。所述兩條屏蔽線及運算放大器OP的同相端接地。
采用上述結構，由于未知電容Cx兩端之間實際上不存在電位差，所以寄生電容Cs2不被充電。另外，由于寄生電容Cs3被認為是兩條屏蔽線s的耦合電容，所以通過接地屏蔽線s可以消除寄生電容Cs3。按照這種方法，通過使用屏蔽線s，減小因連接未知電容Cx用的電纜的寄生電容所產生的影響，使與未知靜電電容Cx上感應的電荷相等的電荷被感應到反饋電路的電容器Cf上，導致與從運算放大器OP產生的未知靜電電容Cx成正比的輸出。規(guī)定的另一種方法是，假設AC信號發(fā)生器OS的輸出電壓是Vi，運算放大器OP的輸出電壓Vo由-(Cx/Cf)/Vi表示，使得圖1的轉換器可被用于將未知靜電電容Cx轉換成電壓Vo，從這個電壓可以與已知值Cf和Vi一起得到未知靜電電容Cx。
然而，圖1所示的靜電電容-電壓轉換器包含一個問題，當未知靜電電容Cx比較小時，寄生電容的影響變得顯著，使得不能將靜電電容Cx精確地轉換成電壓。另外，由于運算放大器OP的反饋電路由包含電阻Rf和電容Cf的并聯(lián)電路形成，為了實際上把必須的元件以一個芯片的形式集成到轉換器中，就需要多個分開的步驟，以形成電阻和電容，這就引出使制作過程復雜化和使芯片尺寸加大的缺點。此外，由于在使靜電電容Cx的一個電極被加以一定偏壓時，不能給電容器加以AC信號，所以不能實現靜電電容向輸出電壓的轉換。
為解決上述問題，本申請人提出一種如圖2所示那樣構成的靜電電容-電壓轉換器。在以下的敘述中，將參照圖2詳細描述這種靜電電容-電壓轉換器。運算放大器21的電壓增益遠大于閉環(huán)增益。增益仿佛差不多是無窮大。反饋電阻23被連在運算放大器21的輸出端22與反相輸入端(-)之間，對運算放大器21形成負反饋。運算放大器21具有連到交流(AC)信號發(fā)生器24的同相輸入端(+)和連到信號傳輸線25一端的反相輸入端(-)，所述信號傳輸線25的另一端連到具有未知或已知靜電電容之電容器26的一個電極261。電容器26的另一個電極262接地，使其定位于一個固定的直流(DC)偏壓，或者不接地?？山o此另一電極262加以交流偏壓。在這種情況下，偏壓電流的頻率可能具有相同于或者不同于來自AC信號發(fā)生器24的AC信號輸出的頻率。
信號傳輸線25被屏蔽線27所環(huán)繞，以防止不想要的信號，如噪聲信號從外界引入信號傳輸線25。屏蔽線27不接地，而是接到運算放大器21的同相輸入端(+)。
由于通過反饋電阻器23使運算放大器21形成負反饋，而且運算放大器21的電壓增益遠大于閉環(huán)增益，所以運算放大器21處于假短路狀態(tài)，并且增益仿佛差不多是無窮大。換句話說，運算放大器21的反相輸入端(-)與同相輸入端(+)間的電位差實際上為0。于是，由于信號傳輸線25和屏蔽線27處在相同的電位，所以能夠消除可能存在于信號傳輸線25與屏蔽線27之間的寄生電容。這一點與信號傳輸線25的長度無關，也與信號傳輸線25的移動、彎曲、折疊等無關。
現在假設AC信號發(fā)生器24的AC輸出電壓是Vi；它的角頻率為ω；電容器26的靜電電容為Cx；流過電容器26的電流為i1；反饋電阻23的阻值是Rf；流過反饋電阻23的電流是i2；運算放大器21反相輸入端的電位是Vm；運算放大器21的輸出電壓是V，由于有如上面所述者，運算放大器21處于假短路狀態(tài)，所以反相輸入端(-)的電壓與AC信號發(fā)生器24的AC信號輸出電壓Vi相同。這就是說，下面的方程被滿足Vi＝Vm另外，下面的方程也被滿足i1＝-Vm/(1/jωCx)＝-Vi/(1/jωCx)i2＝(Vm-V)/Rf＝(Vi-V)/Rf這里由于i1＝i2，所以運算放大器21的輸出電壓V由下面的方程表示V＝Vi(1+jωRf·Cx)這個方程表明運算放大器21的輸出電壓V包含與靜電電容Cx成正比的AC分量。因此，通過適當處理輸出電壓V，就能得到與靜電電容Cx成正比的DC電壓。
如上所述，由于運算放大器21處于假短路狀態(tài)，于是信號傳輸線25與屏蔽線27之間存在的寄生電容將不會出現在運算放大器21的反相輸入端(-)和同相輸入端(+)之間，表示運算放大器21輸出電壓V的方程不包括與信號傳輸線25與屏蔽線27之間存在的寄生電容有關的項。非常小的靜電電容Cx也都轉換為電壓。為此，即使AC輸出電壓Vi的角頻率ω較低，也能輸出與靜電電容Cx精確地對應的電壓V。
在圖2所示的靜電電容-電壓轉換器中，由于信號傳輸線25和反饋電阻23的一端被連到運算放大器21的反相輸入端(-)，所以信號傳輸線25在靠近與所述反相輸入端相連的端部處必然包括未被屏蔽線27環(huán)繞的裸露部分。由于在信號傳輸線25的裸露部分與其周圍之間形成寄生電容，在靜電電容Cx比較小時，這種寄生電容的影響有時就變得比較突出，造成使靜電電容Cx的精確測定受到妨礙的問題。
為解決上述問題提出本發(fā)明，于是本發(fā)明的目的在于提供一種阻抗-電壓轉換器和與之相關的轉換方法，通過利用處于假短路狀態(tài)的運算放大器，消除連到運算放大器同相輸入端的傳輸線與環(huán)繞該傳輸線的屏蔽線之間寄生電容的影響，并消除由信號傳輸線的未被屏蔽部分形成的寄生電容的影響，能夠高精度地將被測量目標的阻抗轉換成相應的電壓。
為實現上述目的，本發(fā)明提供一種靜電電容-電壓轉換器，它包括具有反相輸入端、同相輸入端及輸出端的運算放大器，其中運算放大器的輸出端與反相輸入端通過反饋電阻相連，并可在反相輸入端與同相輸入端假短路的狀態(tài)下工作；信號傳輸線，其一端連到所述反相輸入端，另一端可以連到具有靜電電容的靜電電容元件；屏蔽，它至少環(huán)繞所述信號傳輸線的一部分，并與所述同相輸入端相連；交流信號發(fā)生器，用于給所述同相輸入端加以交流信號；與運算放大器的輸出端和交流信號發(fā)生器的輸出端相連的調整裝置，用于在未將靜電電容元件連到所述信號傳輸線時將靜電電容-電壓轉換器的輸出調整到最小(幾乎等于0)。
所述調整裝置包括可變頻率交流信號發(fā)生器，還包括一個調整運算放大器輸出信號和交流信號的幅值和相位，使它們互相抵銷的調整器。
所述調整裝置最好包括第一調整器，用于調整交流信號的幅值；第二調整器，用于調整運算放大器的輸出電壓的相位和幅值，使輸出電壓具有與第一調整器的輸出相同的幅值和相反的相位；加法器，用于將第一調整器的輸出與第二調整器的輸出相加。
另外，所述調整裝置最好包括第三調整器，用于調整運算放大器輸出電壓的幅值；第四調整器，用于調整交流信號的相位和幅值，使交流信號具有與第三調整器的輸出相同的幅值和相反的相位；加法器，用于將第三調整器的輸出與第四調整器的輸出相加。
此外，可附帶提供一個積分器，用以積分所述調整裝置的輸出，以致當把靜電電容連到信號傳輸線另一端時，可產生與靜電電容器的靜電電容對應的信號，作為積分器的輸出。此外，可提供一個比較器，用以使積分器輸出的相位與交流信號的相位比較。在這種情況下，當把靜電電容器連到信號傳輸線另一端時，作為比較器的輸出，產生代表靜電電容器的靜電電容介電損耗正切的信號。
還可提供第一和第二同步檢測器，用以接收積分器的輸出和所述交流信號，第一同步檢測器輸出一個代表靜電電容器的靜電電容信號，第二同步檢測器輸出一個代表靜電電容器的靜電電容介電損耗正切的信號。
本發(fā)明還提供一種將靜電電容轉換成電壓的方法，包括以下步驟在運算放大器的反相輸入端與同相輸入端之間建立假短路狀態(tài)；將信號傳輸線的一端連到所述反相輸入端，其中信號傳輸線至少有一部分為屏蔽層所環(huán)繞；將屏蔽層置于與同相輸入端相同的電位；將交流信號加給所述同相輸入端；
調整運算放大器的輸出信號和交流信號，使得在未將靜電電容器接到所述信號傳輸線的另一端情況下，該輸出信號和交流信號互相抵銷；在調整運算放大器的輸出信號和交流信號，使得在未將靜電電容器接到所述信號傳輸線的另一端情況下該輸出信號和交流信號互相抵銷之后，將靜電電容器連到信號傳輸線的另一端，以補償與靜電電容器的靜電電容對應的電壓信號。
調整運算放大器的輸出信號和所述交流信號，在未把靜電電容器連到信號傳輸線另一端的情況下，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷，這種調整最好包括以下步驟改變所述交流信號的頻率；調整運算放大器的輸出信號和交流信號的相位和幅值，使所述輸出信號和交流信號互相抵銷。
另外，調整運算放大器的輸出信號和所述交流信號，在未把靜電電容器連到信號傳輸線另一端的情況下，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷，這種調整還可包括以下步驟調整所述交流信號的幅值；調整運算放大器輸出電壓的相位和幅值，使該輸出電壓與具有其被調整幅值的所述交流信號有相同的幅值和相反的相位；把具有其被調整幅值的交流信號與具有其被調整之相位和幅值的運算放大器的輸出電壓相加。
另外，調整運算放大器的輸出信號和交流信號，在未把靜電電容器連到信號傳輸線另一端的情況下，使所述輸出信號和交流信號互相抵銷，這種調整還可包括以下步驟調整運算放大器輸出電壓的幅值；調整交流信號的相位和幅值，使交流信號與具有它的被調整幅值的運算放大器輸出電壓有相同的幅值和相反的相位；把具有它的被調整幅值的輸出電壓與具有它的被調整相位和幅值的交流信號相加。
這種轉換方法還可包括以下步驟積分所述電壓信號，輸出與靜電電容對應的信號，和/或使積分信號的相位與交流信號的相位比較，以輸出代表靜電電容介電損耗正切的信號。
另外，可使積分信號與交流信號同步地被檢測，以輸出一個代表靜電電容元件之靜電電容值的信號和一個代表靜電電容元件之靜電電容介電損耗正切的信號。
所述屏蔽最好是沿整個長度環(huán)繞信號傳輸線的屏蔽線。另外，靜電電容器可以是一個電容傳感器。此外，靜電電容器可以包含測量電極，以便在被測量目標與該測量電極之間形成靜電電容。
此外，在等候測量期間，將測量電極調整在一種情況下，即置于與運算放大器同相輸入端同樣的電位，并進行零位調整，以抵銷測量電極與它的周圍間所形成的寄生電容。
由于使運算放大器處于反相輸入端與同相輸入端之間假短路的狀態(tài)，所以使信號傳輸線與屏蔽線間形成的寄生電容被抵銷。再有，通過調整靜電電容-電壓轉換器，在未將靜電電容器連到信號傳輸線時，使它的輸出最小(幾乎等于0)，靜電電容-電壓轉換器免受所因信號傳輸線裸露部分形成之寄生電容的影響。因而輸出一個與靜電電容對應的電壓，即使是較長的信號傳輸線和屏蔽，也不會受這種寄生電容的損害。
圖1是表示現有技術靜電電容-電壓轉換器一個實例的示意電路圖；圖2是表示為解決圖1靜電電容-電壓轉換器缺點由申請人提出的一種靜電電容-電壓轉換器的示意電路圖；圖3是一般性地表示本發(fā)明靜電電容-電壓轉換器第一實施例結構的方框圖；圖4是表示圖3靜電電容-電壓轉換器之特定結構實例的電路圖；圖5是表示應用圖3所示靜電電容-電壓轉換器之電容計的結構方框圖；圖6是表示對圖5所示電容計改型的一個實例的方框圖；圖7是一般性地表示本發(fā)明靜電電容-電壓轉換器第二實施例結構的方框圖；圖8是表示圖7所示靜電電容-電壓轉換器之特殊結構的一個實例的電路圖；圖9是表示應用圖7所示靜電電容-電壓轉換器之電容計結構的方框圖；圖10是表示對圖9所示電容計改型的一個實例方框圖；圖11表示由圖4所示靜電電容-電壓轉換器實例所得的實驗結果。該實例的電路中選用合適的電子器件。
以下將參照各圖并結合優(yōu)選實施例詳細描述本發(fā)明。圖3是一般性地表示本發(fā)明靜電電容-電壓轉換器第一實施例結構的方框圖。具體地參照圖3，靜電電容-電壓轉換器包括電容-電壓轉換單元1；相位調節(jié)器2，用于調節(jié)電容-電壓轉換單元1的輸出電壓的相位；第一幅值調節(jié)器3，用于調節(jié)相位被調節(jié)的電壓的幅值；交流(AC)信號發(fā)生器4，它有一個可變頻率發(fā)生器；第二幅值調節(jié)器5，用于調節(jié)AC信號發(fā)生器4的AC信號的幅值；以及加法器6，將第一幅值調節(jié)器3和第二幅值調節(jié)器5輸出的電壓相加。
電容-電壓轉換單元1包括運算放大器11，它可以是一個電壓增益遠大于閉環(huán)增益的放大器。增益仿佛差不多是無窮大。反饋電阻12被連在運算放大器11的輸出端和反相輸入端(-)之間，對運算放大器11形成負反饋。運算放大器11具有被加給來自AC信號發(fā)生器4的AC信號的同相輸入端(+)，和連到信號傳輸線13一端的反相輸入端(-)?？蓪⑿盘杺鬏斁€13的另一端連到具有靜電電容Cx的靜電電容元件14，如電容器等。靜電電容元件14包括電極141和另一個接地的電極142，所述電極142被定位于一個固定的DC偏壓，或者不接地。另一種情況是，所述電極142也可被加以AC偏壓，該偏壓的頻率相同于或者不同于AC信號發(fā)生器4的AC信號的頻率。當通過寄生電容Cp進一步將一外界AC信號加給反相輸入端(-)時，一般地說，此AC信號具有與AC信號發(fā)生器4的AC信號及加在電極142的AC偏壓不同的頻率。
信號傳輸線13被屏蔽線15環(huán)繞，以防止不想要的信號，如噪聲從外界引入信號傳輸線13。屏蔽線15不接地，而接到運算放大器11的同相輸入端(+)。
電容-電壓轉換單元1實際上具有與圖7所示靜電電容-電壓轉換器相同的結構。具體地說，由于通過反饋電阻12給運算放大器11形成負反饋，所以運算放大器11的電壓增益遠大于閉環(huán)增益，而且增益仿佛差不多是無窮大，運算放大器11處于其二輸入端之間的假短路狀態(tài)。換言之，運算放大器11的反相輸入端(-)與同相輸入端(+)之間的電位差基本上為0。因此，由于信號傳輸線13和屏蔽線15處于相同定位(所謂電壓)，所以能夠抵銷信號傳輸線13和屏蔽線15之間可能存在的寄生電容。這一點與信號傳輸線13的長度無關，也與信號傳輸線13的移動、彎曲、折疊等無關。
但由于信號傳輸線13有一部分靠近與運算放大器11之反相輸入端(-)相連的端部被裸露，未被屏蔽線15所屏蔽，在信號傳輸線13的裸露部分及其周圍之間就形成寄生電容Cp。寄生電容Cp有害地影響運算放大器11的輸出電壓，因此，電容-電壓轉換單元1的輸出電壓V′，其結果是輸出電壓V′未能精確地表示靜電電容元件14的靜電電容。
為了消除寄生電容Cp的影響，在本發(fā)明的第一實施例中，調整AC信號發(fā)生器4之AC信號輸出的頻率，使得在未把靜電電容元件14連到信號傳輸線13的另一端時，加法器6的輸出電壓Vout減小到基本上為0，以及由相位調整器2和第一幅值調整器3分別使輸出電壓V′的相位和幅值受到調整，并由第二幅值調整器5使AC信號發(fā)生器4之AC信號的幅值受到調整，以便第一幅值調整器3的輸出具有與第二幅值調整器5相同的幅值和相反的相位。于是，兩個輸出被加法器6相加。按照這種方式，第一幅值調整器3和第二幅值調整器5的輸出被抵銷。
規(guī)定的另一種方式是，AC信號發(fā)生器4的可變頻率發(fā)生器、相位調節(jié)器2、第一幅值調節(jié)器3、第二幅值調節(jié)器5和加法器6構成調整裝置，該裝置使電位差最小，或者它調整電位差。當在進行了最小化調整或零位調整之后把靜電電容元件14連到信號傳輸線13的另一端時，從加法器6輸出一個精確地對應于靜電電容器14之靜電電容的電壓Vout，而不會受到寄生電容Cp和信號傳輸線13與屏蔽線15之間寄生電容的影響。
圖4是表示圖3靜電電容-電壓轉換器的各個組件之間的結構和相互連接實例的電路圖。圖4表示電阻R1-R13；電容C1；運算放大器AMP1-AMP6；角頻率為ω的交流信號Vin；以及加在相位調整器2、第一幅值調整器3、第二幅值調整器5和加法器6中各自的運算放大器的同相輸入端的偏壓Vs。應予說明的是，圖4中的電容-電壓轉換單元1包括代表反饋電阻12的電阻R1和代表運算放大器11的運算放大器AMP1。依次使AC信號發(fā)生器4成形為，將振蕩器的輸出Vin加到包括運算放大器AMP4的緩沖器，以產生輸出單元Vd(＝Vin)。
在下面的敘述中，將從數學觀點描述圖4的靜電電容-電壓轉換器的工作過程?，F在假設電容-電壓轉換單元1的輸出電壓是Va；相位調整器2的輸出電壓是Vb；第一幅值調整器3的輸出電壓是Vc；AC信號發(fā)生器4的輸出電壓是Vd；第二幅值調整器5的輸出電壓是Ve；并且R3＝R4。另外，為簡化計算，假設Vs＝0，則下述方程被滿足Va＝Vin[1+R1·jω(Cx+Cp)]Vb＝Va(1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)Vc＝(R7/R6)VbVd＝VinVe＝(R11/R10)VinVout＝-(R9/R8)Vc+[1+(R9/R8)]×[R13/(R12+R13)]Ve
于是，加法器6的輸出電壓Vout由下列方程表示Vout＝(R9/R8)(R7/R6)×{[1+R1·jω(Cx+Cp)](1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}Vin-{1+(R9/R8)[R13/(R12+R13)]}×(R11/R10)Vin這里，當選擇各電阻，使?jié)M足R1＝R2、R6＝R7、R8＝R9、R10＝2R11、R12＝R13，可將加法器6的輸出電壓Vout改寫如下Vout＝{[1+R1·jω(Cx+Cp)](1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}Vin-2Vin(1)在本發(fā)明中，首先當未把靜電電容元件14連到信號傳輸線13時，即當Cx＝0時，電容-電壓轉換單元1輸出電壓的相位和幅值以及AC信號發(fā)生器4的AC信號輸出的角頻率和幅值都受到調整，使得方程(1)中的Vout為0。將Vout＝0代入方程(1)中，找到Vout為0的條件，則得到下述方程{[1+R1·jω(Cp)](1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}-2＝0這個方程被改寫成下列形式R1R5ω2C1Cp-1+(R1Cp-3R5C1)jω＝0為滿足此方程，必須符合下列條件R1R5ω2C1Cp＝1 (2)R1Cp＝3R5C1 (3)于是，將方程(3)代入方程(2)中并解方程(2)，以得到ω，ω＝1/(R1CpR5C1)1/2＝1/[(3)1/2R5C1] (4)恰如從上文將能理解的，本發(fā)明中，在未把靜電電容元件14連到信號傳輸線13的情況下，調整R5、C1和ω，使?jié)M足方程(3)和(4)，以使加法器6的輸出電壓Vout變?yōu)?。
繼而，當把靜電電容元件14連到信號傳輸線13時，有如上述那樣，下述方程將被滿足{[1+R1·jω(Cp)](1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}Vin-2Vin＝0進而，由于方程(3)和(4)被滿足，所以方程(1)可被改寫如下Vout＝R1·jωCx(1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}
將此代入方程(4)，Vout被表示如下Vout＝(4/3)VinR1·jωCx (5)此方程(5)表明，除了靜電電容元件14的靜電電容Cx外，加法器6的輸出電壓Vout并非總受到任何靜電電容的影響。
有如上面詳細敘述的，由于圖3和圖4所示的靜電電容-電壓轉換器抵銷了信號傳輸線13與屏蔽線15之間形成的寄生電容，和信號傳輸線13裸露部分與其周圍部分間的寄生電容，所以能輸出與靜電電容元件14的靜電電容Cx準確對應的電壓，而不受這些寄生電容的影響。
在迄今所做的描述中，具有靜電電容Cx的靜電電容元件14與信號傳輸線13的連接等價于由Cx將靜電電容器連到運算放大器AMP1的反相輸入端。所以，在連到信號傳輸線13的靜電電容元件14的靜電電容Cx改變ΔCx時，圖3和圖4的靜電電容-電壓轉換器還可輸出一個與ΔCx準確對應的電壓。下面將關于圖4靜電電容-電壓轉換器詳細描述這種工作過程。
在把靜電電容元件14連到信號傳輸線13的情況下，加法器6的輸出電壓Vout由前述方程(1)表示。假設在這種條件下輸出Vout為0。通過在方程(1)中給以Vout＝0，可以求得滿足此的條件R5C1＝(1/3)R1(Cx+Cp) (6)ω＝1/(3)1/2R5C1 (7)規(guī)定的另一種方式是，通過調整AC信號發(fā)生器4的AC信號的角頻率ω、R5和C1，使?jié)M足方程(6)和(7)，可以使加法器6的輸出電壓Vout為0。
接下去，當靜電電容元件14的靜電電容Cx已經改變ΔCx時，加法器6的輸出電壓Vout可由Cx+ΔCx代換方程(1)中的Cx表示Vout＝{[1+R1·jω(Cx+ΔCx+Cp)]x(1-R5·jωC1)/(1+R5·jωC1)}Vin-2Vin (8)然后將方程(6)和(7)代入方程(8)，并在方程(1)中取V＝0Vout＝(4/3)VinR1 ·jωΔCx (9)
這個方程表明Vout準確地對應于ΔCx。這還表明圖4的靜電電容-電壓轉換器能夠輸出與連到信號傳輸線13的靜電電容元件14的電容變化準確對應的電壓。
雖然上面已關于假設滿足Vs＝0進行了描述，但當Vs≠0時，僅只是除了相關的計算更為復雜化之外，也能得到同樣的結論。另外，圖3和圖4中可用一減法器代替加法器6，將第一幅值調整器3的輸出和第二幅值調整器5的輸出加給減法器，所述二調整器的輸出已被調整，具有相同的幅值和相同的相位。
繼而，將參照圖5描述一個電容計，它是圖3所示靜電電容-電壓轉換器的一種示例性應用。此電容計被構造成使積分器16附加地連到圖3中的加法器上，積分器16和AC信號發(fā)生器4的輸出端被連到相位比較器17。
如上所述，加法器6的輸出電壓Vout由方程(5)和(9)表示。通過由積分器16積分這個電壓，可以產生一個電壓E，它與靜電電容元件14的靜電電容Cx或靜電電容Cx的變化ΔCx成正比。另外，通過采用相位比較器17得到積分器16輸出的電壓E與AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin之間的相位差，可以對靜電電容元件14得到介電損耗正切。
按照與上述類似的方式，還可將圖5所示的電容計設計成使靜電電容元件14的一個電極141被用為測量電極，另一電極142被用為測量的目標，根據一個電極141與另一電極142之間形成的靜電電容Cx的量值進行有關此被測目標是否為好的亦或是壞的的確定。在這種情況下，使電容計的外殼達到具有與運算放大器11相同電位(稱為電壓)的情況。將測量電極容納于這種外殼內之后，加法器6的輸出電壓Vout被調整到最小或0。在這種情況下，如果在測量期間使測量電極脫離這種情況，則加法器6有一與該測量電極及其周圍之間的寄生電容成正比的電壓漂移。于是通過校正相位調整器2、第一幅值調整器3和第二幅值調整器5，使所述漂移值變得最小或為0，可以愈加準確地測量所述測量電極與被測目標之間的靜電電容。當采用由硅制成的半導體裝置實際進行測量時，電容計能夠測量1飛法(10-15F)到2飛法量級的非常小的靜電電容，從而表明本發(fā)明是非常有效的。
圖6是一般性地表示對圖5所示電容計的示例性改型的方框圖，其中圖5中積分器16的輸出端被連到第一同步檢測器18和第二同步檢測器19，致使該二同步檢測器18和19被加給AC信號發(fā)生器4的AC信號。當第一同步檢測器18同步地檢測自積分器16輸出的電壓E與AC信號Vin時，其中AC信號與所述電壓E同相，可作為第一同步檢測器18的輸出而得到靜電電容元件14的靜電電容Cx或靜電電容Cx的變化ΔCx。類似地，當第二同涉檢測器19同步地檢測來自積分器16的電壓E與AC信號Vin時，其中AC信號與所述電壓E差90°相位，則可以作為第二同步檢測器19的輸出而得到靜電電容元件14的介電損耗正切。
具體地說，可由第一同步檢測器18得到靜電電容元件14的靜電電容Cx，作為電壓E關于AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin在0°到180°范圍的平均值或積分值。另外，可由第二同步檢測器19得到關于靜電電容元件14的靜電電容Cx的介電損耗正切，作為電壓E關于AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin在90°到270°范圍的平均值或積分值。
接下去將關于參照圖7的結構描述本發(fā)明靜電電容-電壓轉換器的第二實施例。圖7中所示的第二實施例與圖3所示之第一實施例的不同在于相位調整器2并不接在電容-電壓轉換單元1和第一幅值調整器3之間，而是接在AC信號發(fā)生器4與第二幅值調整器5之間。雖然在圖3和圖4所示的電路布局中可能把由AC信號發(fā)生器4輸出的AC信號Vin的高次諧波成分引入相位調整器2或第一幅值調整器3，但通過像圖7所示那樣，將相位調整器2連到AC信號發(fā)生器4與第二幅值調整器5之間，就可以有效地防止這樣的麻煩。
圖8是表示圖7的靜電電容-電壓轉換器中每個組件的結構及這些組件間相互連接實例的電路圖，其中與圖4所示組件相同或者類似的組件用相同的參考標號表示。但應予說明的是第一幅值調整器3被改型，使電容-電壓轉換單元1的輸出端通過電阻R6′連到運算放大器AMP3的同相輸入端，并通過電阻R7′將AC偏壓Vs加給運算放大器AMP3的反相輸入端。
在下面的敘述中將從數學的觀點描述圖8靜電電容-電壓轉換器的工作過程。在圖8中，以下的方程被滿足Va＝Vin[1+R1·jω(Cx+Cp)]Vb＝VinVc＝(R7/R6)Vin+[1+(R7/R6)]×[R7′/(R6′+R7′)]VaVd＝[(1+R4/R3)/(1+R5·jωC1)-R4/R3]VbVe＝(R11/R10)VdVout＝-(R9/R8)Vc+[1+(R9/R8)]×[R13/(R12+R13)]Ve于是，加法器6的輸出電壓Vout由下列方程表示Vout＝(R9/R8)(R7/R6)Vin-{[1+(R7/R6)]×[R7′/(R6′+R7′)][1+R1·jω(Cx+Cp)]}Vin-{[1+(R9/R8)]×[R15/(R12/R3)](R11/R10)×[1+(R4/R3)]/(1+R5·jωC1)-(R4/R3)}Vin這里，當選擇各電阻，使?jié)M足R3＝R4、R6＝R7、R6′＝R7′、R8＝R9、R10＝R11和R12＝R13，可將加法器6的輸出電壓Vout改寫如下Vout＝{[(R5·jωC1-1)/(1+R5·jωC1)]-R1·jω(Cx+Cp)}Vin(10)當未把靜電電容元件14連到信號傳輸線13時，即當Cx＝0時，電容-電壓轉換單元1輸出電壓的幅值以及AC信號發(fā)生器4的AC信號輸出的角頻率、幅值和相位都受到調整，使得方程(10)中的Vout為0。將0代入方程(10)中的Vout(Vout＝0)，并將0代入方程(10)中的Cx(Cx＝0)，找到Vout為0的條件，則方程(10)可被改寫如下[(R5·jωC1-1)/(1+R5·jωC1)]-R1·jωCp＝0 (11)由此方程，得到R5C1＝R1Cp (12)ω＝1/(R5C1R1Cp)1/2(13)
于是，通過調整R5、C1和ω，使得在未將靜電電容元件14連到信號傳輸線13的情況下滿足方程(12)和(13)，從而可使Vout為0。
繼而當把靜電電容元件14連到信號傳輸線13時，由于像上面所說的那樣，方程(11)、(12)和(13)被滿足，所以可將方程(10)改寫如下Vout＝VinR1·jωCx (14)此方程(14)表明，除了靜電電容元件14的靜電電容Cx之外，加法器6的輸出電壓Vout全不會受任何靜電電容的影響。
有如上面所詳細描述的，由于圖7和8所示第二實施例的靜電電容-電壓轉換器也抵銷信號傳輸線13與屏蔽線15之間形成的寄生電容和信號傳輸線13的裸露部分與其周圍之間形成的寄生電容，所以它能輸出與靜電電容元件14的靜電電容Cx準確對應的電壓，而不受這些寄生電容的影響。
在迄今關于圖8的靜電電容-電壓轉換器的連接所做的描述中，具有靜電電容Cx的靜電電容元件14與信號傳輸線13的連接等價于連到運算放大器AMP1之反相輸入端的靜電電容的變化ΔCx。所以，在連到信號傳輸線13的靜電電容元件14的靜電電容Cx改變ΔCx時，圖8的靜電電容-電壓轉換器也能輸出與ΔCx準確對應的電壓。在下面的敘述中將詳細描述這種工作過程。
在把靜電電容元件14連到信號傳輸線13的情況下，加法器6的輸出電壓Vout由前述方程(10)表示。假設在這種條件下Vout為0。通過在方程(10)中以0代入Vout(Vout＝0)，可以求得滿足于此的條件R5C1＝R1(Cx+Cp) (15)ω＝1/[R5C1R1(Cx+Cp)]1/2＝1/R5C1 (16)規(guī)定的另一種方式是，通過調整AC信號發(fā)生器4的AC信號的角頻率ω、R5和C1，使?jié)M足方程(15)和(16)，可以使加法器6的輸出電壓Vout為0。
接下去，當靜電電容元件14的靜電電容Cx已經改變ΔCx時，加法器6的輸出電壓Vout可由Cx+ΔCx代換方程(1)中的Cx表示Vout＝{[(R5·jωC1-1)/(1+R5·jωC1)]-R1·jω(Cx+ΔCx+Cp)}Vin (17)然后將方程(15)和(16)代入方程(17)，并在方程(17)中取Vout＝0Vout＝-VinR1·jωΔCx (18)這個方程表明Vout準確地對應于ΔCx。這還表明圖8的靜電電容-電壓轉換器能夠輸出與連到信號傳輸線13的靜電電容元件14的電容變化準確對應的電壓。
雖然上面已關于假設滿足Vs＝0進行了描述，但當Vs≠0時，僅只是除了相關的計算更為復雜化之外，也能得到同樣的結論。另外，圖7和圖8中可用一減法器代替加法器6，將第一幅值調整器3的輸出和給減法器第二幅值調整器5的輸出加給減法器，所述二調整器的輸出已被調整，具有相同的幅值和相同的相位。
圖9表示一個應用圖7所示靜電電容-電壓轉換器的電容計的結構。這個電容計與圖5所示電容計類似，具有連到加法器6的積分器16，積分器16和AC信號發(fā)生器4的輸出端被連到相位比較器17。雖然在圖3和圖4所示的電路布局中可將由AC信號發(fā)生器4輸出的AC信號Vin的高次諧波成分引入相位調整器2或第一幅值調整器3，但利用在圖9中所示的位置配置相位調整器2，就可以有效地防止這種高次諧波成分的引入。
如上所述，由方程(14)和(18)表示加法器6的輸出電壓Vout。通過由積分器16積分這個電壓，可以產生一個電壓E，它與靜電電容元件14的靜電電容Cx或靜電電容Cx的變化ΔCx成正比。另外，通過采用相位比較器17得到積分器16輸出的電壓E與AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin之間的相位差，可以對靜電電容元件14得到介電損耗正切。
按照與圖5的電容計類似的方式，還可將圖9所示的電容計設計成使靜電電容元件14的一個電極141用作測量電極，另一電極142用作測量的目標，根據一個電極141與另一電極142之間形成的靜電電容Cx的量值進行有關此被測目標是否為好的亦或是壞的的確定。在這種情況下，使電容計的外殼達到具有與運算放大器11相同電位(稱為電壓)的情況。將測量電極容納于這種外殼之后，將加法器6的輸出電壓Vout調整到最小或0。在這種情況下，如果在測量期間使測量電極脫離這種情況，則加法器6有一與該測量電極及其周圍之間的寄生電容成正比的電壓漂移。因此通過校正相位調整器2、第一幅值調整器3和第二幅值調整器5，使所述漂移值變得最小或為0，可以愈加準確地測量所述測量電極與被測目標之間的靜電電容。從上面揭示出，圖9的電容計能夠測量非常小的靜電電容，如同圖5的電容計的情況一樣。
圖10是一般性地表示對圖9所示電容計的示例性改型的方框圖，其中圖9中積分器16的輸出端被連到第一同步檢測器18和第二同步檢測器19，致使該二同步檢測器18和19被加給AC信號發(fā)生器4的AC信號。當第一同步檢測器18同步地檢測自積分器16輸出的電壓E與AC信號Vin時，其中AC信號與所述電壓E同相，可作為第一同步檢測器18的輸出而得到靜電電容元件14的靜電電容Cx或靜電電容Cx的變化ΔCx。類似地，當第二同步檢測器19同步地檢測來自積分器16的電壓E與AC信號Vin時，其中AC信號與所述電壓E差90°相位，則可以作為第二同步檢測器19的輸出而得到靜電電容元件14的介電損耗正切。
具體地說，可由第一同步檢測器18得到靜電電容元件14的靜電電容Cx，作為電壓E關于AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin在0°到180°范圍的平均值或積分值。另外，可由第二同步檢測器19得到關于靜電電容元件14的靜電電容Cx的介電損耗正切，作為電壓E關于AC信號發(fā)生器4的AC信號Vin在90°到270°范圍的平均值或積分值。
在上述兩個實施例中，具有要轉換成電壓這靜電電容的靜電電容元件14的一個實例可以是電容傳感器，它的一個電極通過信號傳輸線13連到靜電電容-電壓轉換單元1的運算放大器AMP1的反相輸入端(-)，另一個電極(或它的相對極)接地，固定在一個適當的偏置電位(電壓)上，或者在空間上斷開，而不接地。這種電容傳感器可以包括各種用于檢測靜電電容的裝置，以及公知的電容傳感器，如加速度傳感器、地震儀、壓力傳感器、位移傳感器、浮子式液體比重計、距離傳感器、接觸傳感器、離子傳感器、濕度傳感器、雨滴傳感器、積雪傳感器、閃光傳感器、準直傳感器、接觸失效傳感器、形狀傳感器、端點檢測傳感器、振動傳感器、超聲傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、輻射傳感器、水位傳感器、冷凍傳感器、濕度計、振動儀、電荷傳感器和印刷電路板測試儀。另外，還可將本發(fā)明應用于鉗形電壓儀等，它們以非接觸的方式測量電壓。
另外，在第一和第二實施例中，可將靜電電容元件14的一個電極141用作測量電極，而另一電極142用作測量的目標，根據一個電極141與另一電極142之間形成的靜電電容Cx的量值進行有關此被測目標是否為好的亦或是壞的的確定。
為改變靜電電容-電壓轉換器的工作，形成被構造成比如圖4所示的靜電電容-電壓轉換器，以得到輸出電壓Vout(mV)與靜電電容Cx(fF)之間的關系。結果，得到Cx與Vout之間的線性關系，如圖11所示，確實使我們能夠不超過1-3飛法。
正如從上面參照所示各實施例的描述所能清楚地看到的，本發(fā)明產生如下效果(1)可將與信號傳輸線相連的靜電電容元件的靜電電容轉換成電壓，而不受信號傳輸線與環(huán)繞該信號傳輸線的屏蔽線之間形成的寄生電容，或者所述信號傳輸線的裸露部分與其周圍之間形成的寄生電容的影響，得到與所述靜電電容準確對應的電壓，從而即使所述靜電電容非常小，比如飛法(1/1000皮法)量級，也能進行靜電電容元件的靜電電容到電壓的高精度轉換并檢測該電壓。
(2)即使未被連到信號傳輸線的靜電電容元件的電極被偏置于一定的電位(電壓)，也能得到由靜電電容元件的靜電電容準確對應的電壓。
(3)由于可將靜電電容元件的靜電電容包括靜電電容和AC信號頻率的信號，所以即使所述AC信號為10MHz以下的低頻，也能實現靜電電容向電壓的轉換。
權利要求
1.一種靜電電容-電壓轉換器，它包括具有反相輸入端、同相輸入端及輸出端的運算放大器，所述運算放大器的輸出端與反相輸入端通過反饋電阻相連；信號傳輸線，其一端連到所述反相輸入端，另一端可以連到具有靜電電容的靜電電容元件；屏蔽，它至少環(huán)繞所述信號傳輸線的一部分，并與所述同相輸入端相連；交流信號發(fā)生器，用于給所述同相輸入端加以交流信號；與所述運算放大器的輸出端和所述交流信號發(fā)生器的輸出端相連的調整裝置，用于在未將靜電電容元件連到所述信號傳輸線時，將所述靜電電容-電壓轉換器的輸出調整到最小。
2.一種靜電電容-電壓轉換器，它包括具有反相輸入端、同相輸入端及輸出端的運算放大器，所述運算放大器的輸出端與反相輸入端通過反饋電阻相連；信號傳輸線，其一端連到所述反相輸入端，另一端可以連到具有靜電電容的靜電電容元件；屏蔽，它至少環(huán)繞所述信號傳輸線的一部分，并與所述同相輸入端相連；交流信號發(fā)生器，用于給所述同相輸入端加以交流信號；可以改變的所述交流信號的頻率發(fā)生器；調整電路，用于調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號的幅值及相位，使它們互相抵銷。
3.如權利要求2所述的靜電電容-電壓轉換器，其中所述調整電路包括第一調整器，用于調整所述交流信號的幅值；第二調整器，用于調整所述運算放大器的輸出電壓的相位和幅值，使輸出電壓具有與所述第一調整器的輸出相同的幅值和相反的相位；加法器，用于將所述第一調整器的輸出與所述第二調整器的輸出相加。
4.如權利要求2所述的靜電電容-電壓轉換器，其中所述調整電路包括第三調整器，用于調整所述運算放大器輸出電壓的幅值；第四調整器，用于調整所述交流信號的相位和幅值，使所述交流信號具有與所述第三調整器的輸出相同的幅值和相反的相位；加法器，用于將所述第三調整器的輸出與所述第四調整器的輸出相加。
5.如權利要求1-4任一項所述的靜電電容-電壓轉換器，還包括積分器，用以積分所述調整裝置的輸出，其中當把靜電電容連到所述信號傳輸線的另一端時，產生與所述靜電電容器的靜電電容對應的信號，作為所述積分器的輸出。
6.如權利要求5所述的靜電電容-電壓轉換器，還包括比較器，用以使所述積分器輸出的相位與所述交流信號的相位比較，其中當把靜電電容器連到所述信號傳輸線另一端時，作為比較器的輸出，產生代表所述靜電電容元件的靜電電容介電損耗正切值的信號。
7.如權利要求5所述的靜電電容-電壓轉換器，還包括第一和第二同步檢測器，用以接收所述積分器的輸出和所述交流信號，所述第一同步檢測器輸出一個代表所述靜電電容器的靜電電容的信號，所述第二同步檢測器輸出一個代表所述靜電電容器的靜電電容介電損耗正切的信號。
8.如權利要求1-7任一項所述的靜電電容-電壓轉換器，其中所述屏蔽沿所述信號傳輸線整個長度環(huán)繞該信號傳輸線。
9.如權利要求1-8任一項所述的靜電電容-電壓轉換器，其中所述靜電電容器是電容傳感器。
10.如權利要求1-9任一項所述的靜電電容-電壓轉換器，其中所述靜電電容器包含連到所述信號傳輸線另一端的測量電極，使得在待測目標與所述測量電極之間形成靜電電容。
11.如權利要求10所述的靜電電容-電壓轉換器，還包括與所述運算放大器的同相輸入端置于相同電位的外殼，用于在未將靜電電容器連到所述信號傳輸線時，容納所述測量電極，其中當所述測量電極被容納于所述外殼內時，所述調整裝置將所述靜電電容-電壓轉換器的輸出調整到最小。
12.一種將靜電電容轉換成電壓的方法，包括以下步驟將信號傳輸線的一端連到所述反相輸入端，所述信號傳輸線至少有一部分被屏蔽環(huán)繞；將所述屏蔽置于與所述同相輸入端相同的電位；將交流信號加給所述同相輸入端；調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號，使得在未將靜電電容器接到所述信號傳輸線的另一端時，所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷；在所述調整之后，將靜電電容器連到所述信號傳輸線的另一端，以補償與所述靜電電容器的靜電電容對應的電壓信號。
13.如權利要求12所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號，在未把靜電電容器連到所述信號傳輸線另一端的情況下，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷，這種調整包括以下步驟改變所述交流信號的頻率；調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號的相位和幅值，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷。
14.如權利要求13所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號，在未把靜電電容器連到所述信號傳輸線另一端時，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷，這種調整包括以下步驟調整所述交流信號的幅值；調整所述運算放大器輸出電壓的相位和幅值，使該輸出電壓與具有其被調整幅值的交流信號有相同的幅值和相反的相位；把具有其被調整幅值的所述交流信號與具有其被調整之相位和幅值的所述運算放大器的輸出電壓相加。
15.如權利要求13所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中調整所述運算放大器的輸出信號和所述交流信號，在未把靜電電容器連到所述信號傳輸線另一端時，使所述輸出信號和所述交流信號互相抵銷，這種調整以下步驟調整所述運算放大器輸出電壓的幅值；調整所述交流信號的相位和幅值，使所述交流信號與具有其被調整幅值的所述運算放大器的輸出電壓有相同的幅值和相反的相位；把具有其被調整幅值的所述輸出電壓與具有其被調整相位和幅值的所述交流信號相加。
16.如權利要求12-15任一項所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，還包括以下步驟積分所述電壓信號，輸出與所述靜電電容對應的信號。
17.如權利要求16所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，還包括以下步驟使所述積分信號的相位與所述交流信號的相位比較，以輸出代表所述靜電電容介電損耗正切的信號。
18.如權利要求16所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，還包括以下步驟使所述積分信號與所述交流信號同步地被檢測，以輸出代表靜電電容的信號和代表靜電電容介電損耗正切的信號。
19.如權利要求12-18任一項所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中所述屏蔽是沿整個長度環(huán)繞所述信號傳輸線的屏蔽線。
20.如權利要求12-19任一項所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中所述靜電電容器是電容傳感器。
21.如權利要求12-20任一項所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，其中所述靜電電容器包含測量電極，以便在待測目標與所述測量電極之間形成靜電電容。
22.如權利要求21所述的將靜電電容轉換成電壓的方法，還包括以下步驟在測量的等候期間，將所述測量電極置入一個外殼中，所述外殼被置于與所述運算放大器的同相輸入端相同的電位；進行零位調整，以抵銷所述測量電極與它的周圍之間形成的寄生電容。
全文摘要
一種靜電電容－電壓轉換器,能將靜電電容轉換成電壓,不會因信號傳輸線與屏蔽線之間形成的寄生電容或信號傳輸線的裸露部分與其周圍之間形成的寄生電容而受到損害。本靜電電容－電壓轉換器由以下部分形成:運算放大器,其反相輸入端與同相輸入端之間處于假短路狀態(tài);信號傳輸線,它的一端連到所述反相輸入端,另一端可以連到靜電電容器;環(huán)繞所述信號傳輸線的屏蔽線,連到所述同相輸入端;交流信號發(fā)生器,用于給所述同相輸入端加以交流信號;和零位調整器,用于在未將靜電電容器連到所迷信號傳輸線時,將靜電電容－電壓轉換器的輸出調整到最小值。
文檔編號G01D5/24GK1255974SQ99800061
公開日2000年6月7日 申請日期1999年1月22日 優(yōu)先權日1998年1月23日
發(fā)明者廣島龍夫, 中野浩一, 原田宗生, 松本俊行, 廣田良浩 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社, 北斗電子工業(yè)株式會社