關于微弱電容傳感信號讀取電路技術的探討

摘 要：近幾年微機電系統發展迅猛，微電容傳感器的電容信號更加薄弱，其檢測技術已經成為了電容式傳感器發展和應用的瓶頸。因此，微弱電容傳感信號讀取電路技術成為了人們關注的焦點。本文主要對微弱電容傳感信號的檢測方法、基于TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術設計的問題進行研究。

關鍵詞：微弱電容傳感；信號讀取；電路技術

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0034-02

Discussion on Reading Circuit Technology of Weak Capacitive Sensing Signal

LUO Xiaoming

（Guangzhou Radio and Television Measurement test Co.，Ltd.，Guangzhou 510656，China）

Abstract：The micro electro mechanical system has developed rapidly in recent years，and the capacitance signal of the micro capacitance sensor is weaker. Its detection technology has become the bottleneck of the development and application of the capacitive sensor. Therefore，the weak capacitance sensing signal reading circuit technology has become the focus of attention. This paper mainly focuses on the detection methods of weak capacitive sensing signals and the design of reading circuit technology for weak capacitance sensing signals based on TDC.

Keywords：weak capacitance sensing；signal reading；circuit technology

0 引 言

近年來，隨著我國集成電路技術、信息技術以及計算機技術水平的迅速提高，傳感技術涉及到的領域越來越廣泛。現如今新時代的科學技術發展離不開傳感器技術，傳感器具有檢測、獲取以及信息感知的作用，是信息技術快速發展的基礎。傳感器的組成部分包括轉換元件以及敏感元件，轉換元件可將待測量轉換為不同的輸出信號，例如電流、電壓以及頻率等，而待測量有敏感元件來進行感知。待測量的種類也相對較多，例如力、位移量、速度值以及加速度等，同時與之相應的傳感器種類同樣較多，比如壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。可根據轉換后的電路參數進行區分，其中包括電感式傳感器、電容式傳感器以及電阻式傳感器。

1 微弱電容傳感信號的檢測方法

1.1 直流充放電式微弱電容傳感器信號檢測方式

直流充放電式微弱電容傳感器信號檢測方式具有避免雜散電容影響測量精度的優勢，是一種可用于微弱電容的檢測方式，并且具有成本低廉以及電路結構較為簡單的優點。與此同時，直流充放電式微弱電容傳感器信號檢測方式的開關控制頻率較高，甚至可達到數兆赫茲，大大提升了數據獲取的速度，并且使用軟件進行補償后還可提升測量電路的穩定性。但同時也存在一些不足之處，首先是使用CMOS開關來控制充放電工作，在控制過程中可能會發生電荷注入的現象；其次是使用直流放大，其跟隨溫度漂移過大。但現如今直流充放電式微弱電容傳感器信號檢測方式已在各個領域得到廣泛的使用，其電路分辨率可達到3fF。

1.2 交流式微弱電容傳感器信號檢測方法

該方法包括運放式微弱電容傳感器信號檢測方式以及交流激勵式微弱電容傳感器檢測方式。

首先，交流激勵式微弱電容傳感器檢測方式在對電路進行檢測時使用交流激勵信號激勵待測量電容，之后使用檢波器把信號轉變為交流電壓并進行輸出，待測量電容值和輸出電壓值形成比例關系。電路原理為：正弦發生器產生交流激勵信號，由反饋阻抗以及運算放大器組成檢測波。交流式微弱電容傳感器信號檢測方法具有兩方面優勢：

（1）電路具有直流漂移小、精度高以及信噪比高的優點，同時電路使用了交流放大器以及交流激勵，因此避免了因電荷注入而產生的不良影響；

（2）電路還具有較高的抗雜散性能，并且電路中激勵信號和雜散電容進行并聯，同時運算放大器，反向輸入端和雜散電容進行連接，避免兩者對輸出電壓造成影響，具有避免雜散電容影響的優勢，但其電路結構較為復雜，并且成本高昂，通常情況下必須對其添加相敏檢波單位對電路的穩定性進行提高，這大大增加了電路的復雜程度，并且難以實現穩定的高頻激勵信號。所以因頻率限制問題，此電路只能在低頻場合使用。

其次，AC運放式微弱電容傳感器信號檢測方式使用高頻率的正弦信號作為激勵信號，并將電阻與電容相并聯形成反饋阻抗，給電路提供直流反饋信號，將待測量的電容值與輸出交流電壓值形成正比關系，最后完成測量。

最后，AC電橋式微弱電容傳染信號檢測方式具有信噪比高、測量精度高的優點，可應用于對精密電容的檢測。電路原理為：將可調阻抗與被測電泳放置在相鄰的橋臂上，并且將兩個橋臂連接到相同頻率以及相同振幅的信號源上，同時調節橋臂中的阻抗，從而使參考橋臂和待測橋臂間處于平衡狀態，從而達到共軛相等。

2 TDC微弱電容傳感信號讀取電路技術的設計問題

其系統總體設計方案由PS021芯片為核心的電容檢測模塊以及由CPLD為核心的微控制模塊兩種模塊形成。同時，PS021電容檢測模塊具有施密特觸發單元、模擬開關單元以及傳感器單元三部分。而CPLD微控制模塊具有LCD數據顯示單元、RS232串口單元和JTAG接口單元三部分。CPLD微控制模塊以及PS021電容檢測模塊之間可使用SPI總線來進行數據傳送活動，其系統的工作原理為：

（1）使用CPLD微控制單元配置PS021芯片內的寫寄存器；

（2）使用PS021電容檢測模塊開展電容檢測環節，同時使用SPI總線對CLPD微控制模塊進行測量數據的傳送活動；

（3）最后使用CPLD進行數據的處理、顯示、存儲以及分析工作，最后的測量結果可使用RS232串行接口向計算機進行傳輸，同時進行數據的存儲以及分析工作，并且還可使用LCD進行顯示。

在進行系統調試時，應使用在10pF以下以及50pF以上的電容檢測工作，同時進行系統調試工作以及性能分析工作。在不同測量頻率的情況下，開展多次測量工作，并對其數據進行記錄、分析，從而獲取待測電路中刷新頻率以及分辨率和待測電容之間的關系，從而完成對微弱電容的檢測工作，完成其設計目標。與此同時，在進行系統調試以及系統設計的過程中，可對數字電路涉及調試的結果進行記錄并總結，提升自身的綜合技術能力。

3 結 論

本文針對微弱電容傳感信號讀取電路技術進行了深入探討，并且開發設計針對時間數字轉換器的微弱電容傳感信號檢測系統，其中包括系統調試功能、軟件編程開發環節以及硬件電路設計三部分。同時針對實驗室內的使用要求，其電路系統應達到的測量范圍為幾十到幾百皮法，同時測量精度是0.01～0.001pF，可達到實施檢測的功能。同時具有電路穩定性良好的優點，避免了分布電容以及雜散電容對整體電路系統造成不良影響。

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作者簡介：駱小明（1983-），男，漢族，湖南桂陽人。研究方向：電子、電磁計量。