鑒相型容柵傳感器機理與測量系統構建

郭華華

（貴州理工學院電氣工程學院，貴州貴陽，550001）

鑒相型容柵傳感器機理與測量系統構建

郭華華

（貴州理工學院電氣工程學院，貴州貴陽，550001）

本文分析鑒相型容柵傳感器的機理，并對容柵傳感器測量系統的芯片，數據采集，鑒相電路分析從而構建測量系統。

鑒相；容柵傳感器；測量

容柵位移傳感器為核心容柵數顯卡以其優異的性能和低廉的價格，在測量領域中占據了十分重要的位置。容柵傳感器測量系統主要分兩種：鑒相型和鑒幅型。

1　鑒相型容傳感器芯片結構

容柵傳感器測量系統包括容柵傳感器、信號處理系統、液晶顯示器。容柵傳感器測量系統目前主要利用專用的集成芯片電路。芯片可以完成測量、數據處理和數據顯示。這樣使容柵數顯系統的結構更為簡單，功能更完善、耗能更低，易于便攜使用。以鑒相型容柵為例，容柵工作時，將振蕩器產生的基本時鐘信號在施加發射極上作為激勵信號，該信號以電容耦合的方式在接收極上形成調制信號，輸入信號處理系統進行處理。容柵傳感器的激勵是利用電容變化獲取位移變化的信息，但是容柵電容量很小，只有幾十pF 甚至幾pF，即電路檢測的是電容的微小變化，使它極易受外界干擾，此外容柵的阻抗很高，帶負載能力差，所以在設計容柵數顯卡專用芯片時必須將這些因素考慮在內。

容柵式數顯卡芯片的功能和機理是：芯片產生驅動的信號被送到容柵傳感器，傳感器送回調制的信號，經過芯片對其進行解調、放大、相位比較等一些列的數據處理，從而轉變成數字量，再經公英制運算和二進制運算，最后將數據送到LCD進行顯示。其內部結構設計如圖1所示。根據以上對系統芯片功能的描述，該芯片的電路按功能可分為以下幾個模塊：時鐘發生器、基準分頻器、激勵信號編碼器、電源變換器、數據采集與解調電路、相位檢測電路（鑒相器）、運算器、控制器、寄存器、LCD顯示驅動、串行接口等。

該芯片是一個模數混合專用集成電路，用于低功耗便攜式測量系統，因此，在設計時應考慮以下幾方面的因素：第一，由于該系統是便攜式工具，設計時要采用低壓低功耗技術，因此系統由電源供電；第二，由于容柵傳感器上的信號十分微弱，數據采集時，既要保證足夠的增益又要考慮采集精度；第三，同一塊芯片上集成了數字電路和模擬電路，數字電路和模擬電路的相互干擾問題是主要的干擾因素；第四，要驅動LCD液晶屏，電壓差必須在2V以上，需要設計芯片上電源；第五，具有自動體眠工作模式，即設備被停止使用大于一定時間，將自動進入休眠模式，從而可以起到降低功耗，延長電池壽命的作用。第六，還具有按鍵清零模式，可以避免傳統游標卡尺人為對準零刻度線時所產生的誤差。第六，該芯片所集成的是一個處理位移量的系統，要考慮位移速度與芯片處理速度等問題。

圖1　芯片系統結構圖

2　數據采集與解調電路

從對容柵傳感器工作機理的分析可知，容柵傳感器的輸入信號為8路幅值相等相鄰位相差的激勵信號，輸入信號經容柵傳感器反射極和接收極兩次電容耦合后輸出，由于輸出信號十分微弱，因此可采用了四個特殊放大器輪流工作，實現對傳感器輸出信號的采樣、維持、放大及解調。

將經傳感器調制后的信號送入解調器進行解調處理，解調器受開關矩陣的控制，開關矩陣由四個運算放大器組成，其周期為四倍的時鐘周期。解調器在電壓開關的控制下，將接收電極上的輸出信號存于電容器兩端，并進行迭加，使輸出電壓的幅值增大近一倍，同時還將輸出電壓的極性反映出來。解調后電壓的周期與激勵電壓的周期一致。由于解調后的信號含有高頻分量，進行濾波處理，使輸出電壓曲線變得光滑，以提高相位的分辨率。濾波后的電壓為正弦波形式。再通過整形使輸出電壓變成方波形式，從而易于相位控制。

3　測量系統對鑒相電路的功能要求

鑒相器即相位比較器，是處理信號的關鍵部件，其功能主要是檢測輸入信號和基準信號之間的相位偏差，利用相位偏差來產生控制信號。為了獲得容柵傳感器的輸出信號與輸入信號之間的相位偏差，可以采用鑒相原理。將傳感器的輸出信號經解調后送入鑒相器，同時也將時鐘分頻信號即傳感器的輸入信號送到鑒相器，構成相對相位基準。初始狀態時，傳感器輸出信號與相對相位基準信號具有同相位，鑒相器的輸出為零，計數器保持原來的值不變。當傳感器移動一定距離后，輸出信號的相位超前或滯后相對相位基準，此時鑒相器有輸出，計數器便相應的做加法或減法運算，然后將其值鎖存在移位寄存器中。相位差信號中含有一定數量的脈沖當量，由計數器進行計數。計數器的計數定時由振蕩器輸出信號控制，計數器的中止由來自鑒相電路的信號控制。運算單元將計數器的輸出變換成絕對值，通過顯示驅動器，測量結果在液晶上顯示。

4　電荷泵電路的引入

隨著工藝水平的不斷提高，容柵傳感器件尺寸的不斷減小，所以低功耗的要求越來越來高，對低壓電源電壓的要求也越高。尤其是對于這種便攜式系統，為了降低成本，節省能源，延長電池壽命，低功耗是至關重要的，由此一個主要的設計趨勢就是降低電源電壓。在傳統的數字CMOS ICS中，電源電壓的降低直接導致速度變慢，噪聲容限變小。而在模擬開關控制的應用中，低于2V將不能正常工作。那么，要讓整個系統能夠正常工作，系統中的不同成份必須工作在不同的電源電壓下。要解決這個問題，方法就是利用電荷泵電路來泵出電壓以滿足不同的要求。

電荷泵電路是一種通過電容上電荷積累效應來產生高于電源電壓或負電壓的電路。通常使用電池作為電源的顯示器電源都存在致命的缺陷：電池一開始使用，電壓就遞減，影響使用效果。在電路中，使用一個升壓型電荷泵，就能把遞減的電壓在一段較短的時間內穩定至工作電壓。如果需要負電壓供電，就需要降壓型電荷泵。通常電荷泵可實現 90% 的峰值效率，電荷泵外圍只需少數幾個電容器，而不需要功率電感器、續流二極管及 MOSFET。可以降低自身功耗，減少尺寸和成本。如果設計鑒相容柵傳感器測量系統時需要兼顧效率和占用的 PCB 面積大小時，可考慮選用電荷泵。

所以，在設計和構建鑒相型容柵傳感器測量系統時，應該充分考慮數據的采集與調制、鑒相、電荷泵電源模塊的功能和要求。

［1］張銀芳。容柵位移傳感器的工作原理及其特點.航空精密制造技術［J］.2005年第4期。

［2］金寧，汪偉，張增耀等。高精度數字檢相電路設計［J］.中國計量學院學報。2002，V13（1）：60-63

Construction of the mechanism and measurement system of phase discrimination capacitive grating sensor

Guo Huahua
（Guizhou Institute of Technology Elechrical Engeneering College，550001）

In this paper，the principle of phase discrimination capacitive sensor is analyzed，and the measurement system of capacitive sensor measurement system is analyzed.

Phase discrimination；capacitive sensor；measurement