微弱信号检测3

1、 微弱信号检测微弱信号检测 3微弱信号微弱信号检测技术检测技术3.1.1 电容检测基本方法电容检测基本方法 微系统输出电容一般只有几皮法，且随着器件微系统输出电容一般只有几皮法，且随着器件尺寸的减小而减小，因此电容检测十分重要，设计高尺寸的减小而减小，因此电容检测十分重要，设计高灵敏度的检测电路检测小电容，对于提高传感器的性灵敏度的检测电路检测小电容，对于提高传感器的性能至关重要。若灵敏度不高，小电容信号很可能被噪能至关重要。若灵敏度不高，小电容信号很可能被噪声淹没。声淹没。 目前小电容的检测方式包括：目前小电容的检测方式包括：(1)将电容信号转化成频率信号，即输出信号频率的变将电容信号转化成

2、频率信号，即输出信号频率的变化反映测量电容的变化。电路中大多采用振荡器的形化反映测量电容的变化。电路中大多采用振荡器的形式，电路中其他电容、电阻的实际值与标称值误差很式，电路中其他电容、电阻的实际值与标称值误差很小，才能保证测量的准确性。小，才能保证测量的准确性。 典型小电容测量如下图所示。典型小电容测量如下图所示。 待测电容通过恒定电流充、放电，由模拟开关待测电容通过恒定电流充、放电，由模拟开关控制，模拟开关的通断由输出方波控制。迟滞比控制，模拟开关的通断由输出方波控制。迟滞比较器有两个阈值电压较器有两个阈值电压Vb+和和Vc+，两个比较器的输出作，两个比较器的输出作为多路器输入，将电容两端

3、的信号转化为方波信号，为多路器输入，将电容两端的信号转化为方波信号，输出电压的频率与恒流源、比较器的上下阈值电压及输出电压的频率与恒流源、比较器的上下阈值电压及未知电容的容量有关，为未知电容的容量有关，为: CVVIfcb)(2采用开关电容电路，可以比较方便地将传感器采用开关电容电路，可以比较方便地将传感器和测量电路进行集成。开关电容在小电容信号处和测量电路进行集成。开关电容在小电容信号处理方面有很大的优势。理方面有很大的优势。 利用开关电容电路，通过一定频率的时钟信号控制利用开关电容电路，通过一定频率的时钟信号控制开关的通断，使电容在一定的时间内充、放电，将未开关的通断，使电容在一定的时间内

4、充、放电，将未知电容转化成电压信号、数字信号或频率信号。知电容转化成电压信号、数字信号或频率信号。 下图分别转换为直流电压信号和数字信号。下图分别转换为直流电压信号和数字信号。采用相位测量法，以滤波器的基本原理作为测采用相位测量法，以滤波器的基本原理作为测量的基本依据。量的基本依据。 在低通滤波器中，输出信号和输入信号的相位在低通滤波器中，输出信号和输入信号的相位会产生滞后，相位差为会产生滞后，相位差为 如果输入信号频率、电阻的阻值和输入、输出相位如果输入信号频率、电阻的阻值和输入、输出相位差确定，则可利用上式求得未知电容的容量。差确定，则可利用上式求得未知电容的容量。将电容信号转化成电压信号

5、，是目前应用最广的微将电容信号转化成电压信号，是目前应用最广的微小电容检测方法，其前置放大器可分为开关型和调制小电容检测方法，其前置放大器可分为开关型和调制解调型两类。解调型两类。 调制解调型电路将低频信号调制成高频交流信号，调制解调型电路将低频信号调制成高频交流信号，经交流放大，然后解调还原成对应的低频信号。经交流放大，然后解调还原成对应的低频信号。 实际检测方法通常是以上方法的组合。实际检测方法通常是以上方法的组合。)arctan( RC 3.1.2 典型电容检测电路典型电容检测电路微小差分电容转化为电压输出的检测电路微小差分电容转化为电压输出的检测电路 原理框图如图所示。原理框图如图所示

6、。 在电容测量中，检测电容通常在在电容测量中，检测电容通常在1012F数量级甚至数量级甚至更小，电容的变化量则在更小，电容的变化量则在10-1510-18F数量级。数量级。(1)高频正弦信号发生器高频正弦信号发生器 采用数字电路和数模转换电路产生正弦波，在波采用数字电路和数模转换电路产生正弦波，在波幅稳定性和频率稳定性方面都优于模拟电路产生的幅稳定性和频率稳定性方面都优于模拟电路产生的正弦信号。正弦信号。(2)电容电压转换电路电容电压转换电路 电路如图，电路如图，Cx为待测电容，为待测电容，Rf为反馈电阻。为反馈电阻。 当输入频率为当输入频率为f 的正弦信号时，的正弦信号时，Cx上的容抗为：上

7、的容抗为： 运算放大器的增益为：运算放大器的增益为： 可见，当频率一定时，通过测量可见，当频率一定时，通过测量Uo、Ui的值可以的值可以计算出待测电容的值。计算出待测电容的值。xcfCX 21xcfioufCXRUUA 2(3)交流放大电路交流放大电路 交流放大电路如图，交流放大电路如图，正弦信号加在待测电正弦信号加在待测电容容Cx上，将待测电容上，将待测电容转换为交流电压信号。转换为交流电压信号。 运放运放A2构成一级电压放大器，构成一级电压放大器，R5为反馈电阻，为反馈电阻，C3为补偿电容，可以减小运放的噪声。由于信号频率为补偿电容，可以减小运放的噪声。由于信号频率较高，较高，C3的阻抗较

8、大，对的阻抗较大，对A2的增益影响可以忽略。的增益影响可以忽略。 放大器的增益为：放大器的增益为： A3构成一级电压跟随器，起缓冲作用，降低输出构成一级电压跟随器，起缓冲作用，降低输出阻抗，增强驱动能力。总的增益为：阻抗，增强驱动能力。总的增益为：5522RfCXRAxcu 5322RfCAAAxuu (4)移相电路移相电路 为实现同步检波，可将正弦波信号经过移相，为实现同步检波，可将正弦波信号经过移相，使相位发生变化，作为同步检波电路的参考信号。使相位发生变化，作为同步检波电路的参考信号。式中：式中：ininoutUCjRRRRURRU00079791)1( 40280,CCRRRRP当当R

9、7=R9时，时，令令则则当当=0时，即时，即当当0时，时，f 0，tan=-1，输出的相移为，输出的相移为180当当时时，f，tan= 0，输出的相移为，输出的相移为 0调节电位器调节电位器RRP2，可以改变输出与输入信号相位差。，可以改变输出与输入信号相位差。1)(2)1(220200020202CRCRjCRUUinout 0001CR 1)()(2)(1 20020 jUUinout1)()(2arctan200 00021CRf jUUinout90 (5)同步检波电路同步检波电路 同步检波如图所示。采用双平衡模拟乘法器同步检波如图所示。采用双平衡模拟乘法器MC1596，具有较好的载波抑制比，较高的共模，具有较好的载波抑制比，较高的共模抑制比，平衡输入和增益调节方便等优点。抑制比，平衡输入和增益调节方便等优点。 用差放用差放A5接收接收MC1596的输出信号，组成具有一定的输出信号，组成具有一定电压增益的电平移动电路。电压增益的电平移动电路。A6组成有源低通滤波，滤组成有源低通滤波，滤除同步检波输出的高频分量，并将输出转换为直流信除同步检波输出的高频分量，并将输出转换为直流信号。电容号。电容C10的作用是抑制脉冲尖峰。的作用是抑制脉冲尖峰。用差放用差放A5接收接收M