關于鑒相型容柵傳感器機理及測量系統構建的探究

韋仁攀

桂林市晶瑞傳感技術有限公司

關于鑒相型容柵傳感器機理及測量系統構建的探究

韋仁攀

桂林市晶瑞傳感技術有限公司

本文章將深入對鑒相型容柵傳感器當中的機理進行分析，并且對容柵傳感器測量系統當中的芯片，數據的采集，鑒相電路分析從而最終來構建測量系統。

鑒相；容柵傳感器；測量

前言

容柵位移傳感器作為容柵數顯卡尺的核心部件，以其良好的性能與優惠的價格，在測量領域當中有著至關重要的位置。容柵傳感器測量系統其主要是分為兩種，一種是鑒相型與鑒幅型。

1 、鑒相型容傳感器芯片結構

容柵傳感器測量系統主要涵蓋了容柵傳感器與信號處理系統以及液晶驅動系統等內容。容柵傳感器測量系統當前主要是運用專用的集成芯片電路。其芯片可以很好的進行測量與數據的處理以及數據的顯示作用。這樣將使得容柵數顯系統的結構也更加的簡單，其功能也會更加完善與耗能更小，從而易于便攜使用。本文當中以鑒相型容柵為例，容柵工作的時候，把震蕩器產生的基本時鐘信號在施加發射極上可以作為激勵信號，其信號是以電容耦合的方式在接收極上形成相關的調制信號，輸入信號處理系統上進行相關的處理。容柵傳感器的激勵是利用電容變化來獲得位移變化的信息，由于容柵電容量較小，只有幾十pF甚至幾pF，即是電路檢測的是電容的細小的變化，這樣將容易使得其受到外部因素的影響，另外容柵的阻抗性很高，帶負載的能力也相對較差，因此在設計容柵數顯卡專用芯片的時候要把影響其效果的各種因素要充分考慮進去。

容柵式數顯卡尺芯片的功能與原理就是芯片產生的驅動信號被傳送到容柵傳感器當中，傳感器將這一信號轉換成調制信號，再由芯片對其進行有效的解調與放大以及鑒相等相關數據的處理工作，從而轉變成為數字量，再經過二進制的運算與公英制運算，最終將數據輸送到LCD進行顯示。要根據以上對系統芯片的全面闡述，其芯片的電路按功能一顆分成以下幾個模塊：時鐘發生器、基準分頻器、激勵信號編碼器、電源變換器、數據采集和解調電路、相位檢測電路、運算器、控制器等。

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，因此系統須可由小型低壓電池類電源供電；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，需要對芯片上電源部分進行分組設計；第五，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。

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，還需進行濾波處理，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

鑒相器也是相位比較器，是對信號進行處理的重要部件，鑒相器的主要功能是檢測輸入信號與基準信號間的相位的偏差，利用相位偏差來產生控制信號。為了更好取得容柵傳感器的輸出信號和輸入信號間的相位偏差，也可以采用鑒相的原理。把傳感器的輸出信號經解調之后之后送入鑒相器，與此同時也把時鐘分頻信號與傳感器的輸入信號一同送至鑒相器，構成相對相位基準。在初始狀態的時候，傳感器輸出信號和相對相位基準信號有著同相位，鑒相器的輸出為零，計數器保持原有的數值不變。當傳感器移動一定的距離之后，輸出信號的相位超前或者滯后相對相位基準，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。在普遍情況之下電荷泵可以實現90%的峰值效率，電荷泵外圍只需要很少數的幾個電容數，并且不需要公路電感器與續流二級管以及MOSFET?？梢詼p少自身的功耗，降低尺寸與成本。假如設計鑒相容柵傳感器測量系統需要兼顧效率與占用的PCB面積的大小的時候，那么就可以考慮選用電荷泵。因此，在設計與構建鑒相型容柵傳感器測量系統的時候，要充分考慮好數據的采集和調制、鑒相、電荷泵電源模塊的功能與要求。

[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