分布電容對施密特觸發(fā)器與RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路的影響

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

一、引言

任何兩個絕緣導(dǎo)體之間都存在電容。例如導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質(zhì)隔開的，所以也都存在著電容。這種由于電路的分布特點而具有的、非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)稱之為分布電容[1]，分布電容的存在是不可避免的，但在交流高頻電路中，微小的分布電容變化，可能導(dǎo)致電路信號產(chǎn)生明顯改變，從而影響正常輸出，導(dǎo)致故障發(fā)生。

本文分析了實驗室廢液收集箱電纜連接水箱電極后產(chǎn)生誤報警的原因，分析得出，該多諧振蕩電路VBJ電壓不僅受電極兩端電阻變化影響，外界引入分布電容也會改變VBJ電壓，電纜連接測試盒和連接水箱上電極產(chǎn)生的分布電容明顯變化，這個變化量導(dǎo)致VBJ電壓在電極兩端阻值未達到報警點的情況下提前報警，發(fā)生誤報警現(xiàn)象。在分析外界引入分布電容構(gòu)成后，針對如何消弱分布電容給出具體措施，將分布電容從289pF減弱到48pF，效果明顯。

二、檢測裝置的設(shè)計

在實驗室廢液需要進行收集，一直以來這種收集狀態(tài)依賴人工定期檢測，過程耗時，為此設(shè)計了一種檢測裝置，在線實時檢測，并給出報警信號，提示液滿。

檢測裝置為分體式，包括檢測電極和檢測電路兩部分。檢測電路設(shè)計為可移動的提醒器，安裝在操作區(qū)，便于獲取提醒信號，檢測電極安裝在待檢測的儲水箱上，檢測電極與檢測電路通過帶屏蔽皮的電纜連接，進行信號的采集和反饋。

三、檢測原理

在一個大氣壓和25℃條件下，水電解電壓為1.23VDC，因此，在長期監(jiān)測過程，如果使用恒電位工作電路，很容易造成水電解反應(yīng)，直接影響檢測結(jié)果。為此設(shè)計了采用施密特觸發(fā)器與RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，為電極兩端提供一個方波脈沖電壓。檢測對象為電極（J1）兩端的阻值，檢測電路將采集到的阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號VBJ，當(dāng)VBJ電壓達一定值，電路給出報警信號，提示液滿。電路原理圖如圖2所示。

四、故障現(xiàn)象

在電路調(diào)試過程，使用一種測試盒（如圖3所示）代替儲水箱上的電極J1，測試盒提供一定阻值，模擬電極間阻值，對電路進行調(diào)試，并設(shè)定阻值為400kΩ時對應(yīng)VBJ為報警電壓。使用此方法調(diào)試的報警電路，在實際連接貯水箱進行液滿監(jiān)測時，產(chǎn)生誤報警現(xiàn)象，即阻值未達到400kΩ，電路給出液滿報警信號。

五、故障分析

公式（1）為施密特觸發(fā)器周期計算公式，從式中可以看出，R和C都是影響振蕩周期的參數(shù)，不僅待檢測阻值R改變影響振蕩電路，外界引入電容對C的改變，也會導(dǎo)致振蕩電路周期的變化，從而改變輸出信號VBJ。且RC微分電路提供給電極的是交流信號，在交流或高頻的工作的情況下，微小的電容量變化，可能會嚴重影響電路工作[2]：

其中，VT+—正向閾值電壓，單位：V；

VT-—負向閾值電壓，單位：V；

VDD—電源電壓，單位：V。

該電路為分體式設(shè)計，水箱、電極通過電纜連接至檢測電路。分布電容是由兩個存在電壓差而又互相絕緣的導(dǎo)體所構(gòu)成，而用測試盒替代水箱，二者產(chǎn)生的分布電容差異，未被考慮，且長電纜交流控制回路分布電容問題在工程應(yīng)用中并不少見[3]。分析引起誤報警現(xiàn)象的可能因素為分布電容，即等效為圖2中的C31、C32和C21。

結(jié)合多諧振蕩電路特征，通過仿真得出，分布電容C在150pF～350pF之間時，C與VBJ電壓的關(guān)系如下所示：

其中，VBJ—多諧振蕩電路輸出電壓，單位：mV；

C—外界引入多諧振蕩電路總的分布電容值，單位：pF。

由式（2）可以看出，VBJ與C呈正比例關(guān)系，分布電容C增加，VBJ電壓變大。

用阻抗分析儀對電纜連接測試盒與連接電極時總的分布電容值進行了測試，如表1所示，實測結(jié)果可以看出，測試盒雖在理論上模擬了電極兩端的阻值，但連接測試盒與連接水箱上電極所產(chǎn)生的分布電容值相差133pF，不可忽視。

表1測試結(jié)果帶入式（2），求得C從156pF增加至289pF，VBJ電壓變大33mV。

表1 電纜連接測試盒和電極時分布電容值

表2 不同阻值下VBJ電壓及報警點電壓

表2為實驗過程電纜連接測試盒時，記錄的不同阻值下VBJ電壓值，以及設(shè)定的報警點。從表2可以看出，當(dāng)設(shè)定阻值小于等于400kΩ時，對應(yīng)報警點電壓大于等于1.198V。在實際使用時，電纜從連接測試盒，改為連接水箱上電極，以410kΩ為例，由于分布電容從156pF增至289pF，導(dǎo)致VBJ電壓變大33mV，此時VBJ=1.172V+0.033V=1.205V>1.198V，提前到達報警點電壓，因此產(chǎn)生誤報警。

計算結(jié)果證明，分布電容的引入，可以導(dǎo)致在電極間阻值未達報警值時，產(chǎn)生誤報警現(xiàn)象。

六、分布電容的弱化

由于分布電容是客觀存在的，無法徹底消除，只能弱化，以避免分布電容對正常檢測帶來的影響。

電纜長度較短時，它的實際影響可以忽略不計，如果電纜很長或傳輸信號頻率很高時，就必須考慮分布電容的作用[4]。該電路中，產(chǎn)生的兩部分分布電容，電纜是主要因素，在設(shè)計上采用：

1、電纜屏蔽皮與電源地進行搭接，弱化電纜產(chǎn)生的分布電容。

表3 電纜不同連接狀態(tài)對應(yīng)分布電容值

表3為電纜屏蔽皮與電源地搭接前后分布電容和VBJ電壓實測值。可以看出，電纜連接電源地后，分布電容明顯弱化，有效降低了分布電容的影響。

2、固定電纜長度和型號。

選用固定廠家型號的電纜，并固定電纜長度，報警點調(diào)試過程中將電纜分布電容考慮進去，設(shè)置合理報警點，并確保調(diào)試和最終使用電纜規(guī)格一致。

另外，調(diào)試過程的測試盒分布電容值應(yīng)盡量接近實際測試對象，即水箱上的電極，避免因二者電容差引起的故障。

七、結(jié)論

本文分析了導(dǎo)致由施密特觸發(fā)器和RC微分電路構(gòu)成的多諧振蕩電路誤報警的原因，同時分析了外界引入分布電容的構(gòu)成，并給出消弱分布電容影響的措施。為同類型電路相似問題提供參考。