鑒相型容柵傳感器機(jī)理與測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

郭華華

（貴州理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550001）

鑒相型容柵傳感器機(jī)理與測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

郭華華

（貴州理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550001）

本文分析鑒相型容柵傳感器的機(jī)理，并對(duì)容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)的芯片，數(shù)據(jù)采集，鑒相電路分析從而構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)。

鑒相；容柵傳感器；測(cè)量

容柵位移傳感器為核心容柵數(shù)顯卡以其優(yōu)異的性能和低廉的價(jià)格，在測(cè)量領(lǐng)域中占據(jù)了十分重要的位置。容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)主要分兩種：鑒相型和鑒幅型。

1　鑒相型容傳感器芯片結(jié)構(gòu)

容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括容柵傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)、液晶顯示器。容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)目前主要利用專用的集成芯片電路。芯片可以完成測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。這樣使容柵數(shù)顯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)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(shí)，將振蕩器產(chǎn)生的基本時(shí)鐘信號(hào)在施加發(fā)射極上作為激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)以電容耦合的方式在接收極上形成調(diào)制信號(hào)，輸入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。容柵傳感器的激勵(lì)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(cè)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(fù)載能力差，所以在設(shè)計(jì)容柵數(shù)顯卡專用芯片時(shí)必須將這些因素考慮在內(nèi)。

容柵式數(shù)顯卡芯片的功能和機(jī)理是：芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的信號(hào)被送到容柵傳感器，傳感器送回調(diào)制的信號(hào)，經(jīng)過(guò)芯片對(duì)其進(jìn)行解調(diào)、放大、相位比較等一些列的數(shù)據(jù)處理，從而轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再經(jīng)公英制運(yùn)算和二進(jìn)制運(yùn)算，最后將數(shù)據(jù)送到LCD進(jìn)行顯示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)芯片功能的描述，該芯片的電路按功能可分為以下幾個(gè)模塊：時(shí)鐘發(fā)生器、基準(zhǔn)分頻器、激勵(lì)信號(hào)編碼器、電源變換器、數(shù)據(jù)采集與解調(diào)電路、相位檢測(cè)電路（鑒相器）、運(yùn)算器、控制器、寄存器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)、串行接口等。

該芯片是一個(gè)模數(shù)混合專用集成電路，用于低功耗便攜式測(cè)量系統(tǒng)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面的因素：第一，由于該系統(tǒng)是便攜式工具，設(shè)計(jì)時(shí)要采用低壓低功耗技術(shù)，因此系統(tǒng)由電源供電；第二，由于容柵傳感器上的信號(hào)十分微弱，數(shù)據(jù)采集時(shí)，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(shù)字電路和模擬電路，數(shù)字電路和模擬電路的相互干擾問(wèn)題是主要的干擾因素；第四，要驅(qū)動(dòng)LCD液晶屏，電壓差必須在2V以上，需要設(shè)計(jì)芯片上電源；第五，具有自動(dòng)體眠工作模式，即設(shè)備被停止使用大于一定時(shí)間，將自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，從而可以起到降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命的作用。第六，還具有按鍵清零模式，可以避免傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺人為對(duì)準(zhǔn)零刻度線時(shí)所產(chǎn)生的誤差。第六，該芯片所集成的是一個(gè)處理位移量的系統(tǒng)，要考慮位移速度與芯片處理速度等問(wèn)題。

圖1　芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　數(shù)據(jù)采集與解調(diào)電路

從對(duì)容柵傳感器工作機(jī)理的分析可知，容柵傳感器的輸入信號(hào)為8路幅值相等相鄰位相差的激勵(lì)信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)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(hào)十分微弱，因此可采用了四個(gè)特殊放大器輪流工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采樣、維持、放大及解調(diào)。

將經(jīng)傳感器調(diào)制后的信號(hào)送入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)處理，解調(diào)器受開(kāi)關(guān)矩陣的控制，開(kāi)關(guān)矩陣由四個(gè)運(yùn)算放大器組成，其周期為四倍的時(shí)鐘周期。解調(diào)器在電壓開(kāi)關(guān)的控制下，將接收電極上的輸出信號(hào)存于電容器兩端，并進(jìn)行迭加，使輸出電壓的幅值增大近一倍，同時(shí)還將輸出電壓的極性反映出來(lái)。解調(diào)后電壓的周期與激勵(lì)電壓的周期一致。由于解調(diào)后的信號(hào)含有高頻分量，進(jìn)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(guò)整形使輸出電壓變成方波形式，從而易于相位控制。

3　測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鑒相電路的功能要求

鑒相器即相位比較器，是處理信號(hào)的關(guān)鍵部件，其功能主要是檢測(cè)輸入信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位偏差，利用相位偏差來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。為了獲得容柵傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相位偏差，可以采用鑒相原理。將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)解調(diào)后送入鑒相器，同時(shí)也將時(shí)鐘分頻信號(hào)即傳感器的輸入信號(hào)送到鑒相器，構(gòu)成相對(duì)相位基準(zhǔn)。初始狀態(tài)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)與相對(duì)相位基準(zhǔn)信號(hào)具有同相位，鑒相器的輸出為零，計(jì)數(shù)器保持原來(lái)的值不變。當(dāng)傳感器移動(dòng)一定距離后，輸出信號(hào)的相位超前或滯后相對(duì)相位基準(zhǔn)，此時(shí)鑒相器有輸出，計(jì)數(shù)器便相應(yīng)的做加法或減法運(yùn)算，然后將其值鎖存在移位寄存器中。相位差信號(hào)中含有一定數(shù)量的脈沖當(dāng)量，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)定時(shí)由振蕩器輸出信號(hào)控制，計(jì)數(shù)器的中止由來(lái)自鑒相電路的信號(hào)控制。運(yùn)算單元將計(jì)數(shù)器的輸出變換成絕對(duì)值，通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)器，測(cè)量結(jié)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(lái)越來(lái)高，對(duì)低壓電源電壓的要求也越高。尤其是對(duì)于這種便攜式系統(tǒng)，為了降低成本，節(jié)省能源，延長(zhǎng)電池壽命，低功耗是至關(guān)重要的，由此一個(gè)主要的設(shè)計(jì)趨勢(shì)就是降低電源電壓。在傳統(tǒng)的數(shù)字CMOS ICS中，電源電壓的降低直接導(dǎo)致速度變慢，噪聲容限變小。而在模擬開(kāi)關(guān)控制的應(yīng)用中，低于2V將不能正常工作。那么，要讓整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)中的不同成份必須工作在不同的電源電壓下。要解決這個(gè)問(wèn)題，方法就是利用電荷泵電路來(lái)泵出電壓以滿足不同的要求。

電荷泵電路是一種通過(guò)電容上電荷積累效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生高于電源電壓或負(fù)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(kāi)始使用，電壓就遞減，影響使用效果。在電路中，使用一個(gè)升壓型電荷泵，就能把遞減的電壓在一段較短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定至工作電壓。如果需要負(fù)電壓供電，就需要降壓型電荷泵。通常電荷泵可實(shí)現(xiàn) 90% 的峰值效率，電荷泵外圍只需少數(shù)幾個(gè)電容器，而不需要功率電感器、續(xù)流二極管及 MOSFET。可以降低自身功耗，減少尺寸和成本。如果設(shè)計(jì)鑒相容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)需要兼顧效率和占用的 PCB 面積大小時(shí)，可考慮選用電荷泵。

所以，在設(shè)計(jì)和構(gòu)建鑒相型容柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該充分考慮數(shù)據(jù)的采集與調(diào)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(diǎn).航空精密制造技術(shù)［J］.2005年第4期。

［2］金寧，汪偉，張?jiān)鲆取８呔葦?shù)字檢相電路設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)。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