CN101149391A - 差分电容式传感器检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微弱信号检测技术，具体是一种差分电容式传感器检测电路。解决了现有差分电容式传感器的检测电路检测精度不高的问题，包括全波整流电路，所述全波整流电路包括集成运放U1B和三极管Q1，集成运放U1B的反相端经电阻R21与加法器的输出端out2相连，同相端经电阻R19、R20与加法器的输出端out2相连，反相端与其输出端之间连接有电阻R22，电阻R19、R20的连接节点与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的基极经电阻R17、R18与波形信号发生器的输出端out1相连，电阻R17、R18的连接节点经二极管D3接地。本发明结构合理，对差分电容式传感器产生的微弱信号的检测精度高，可靠性高。

Description

差分电容式传感器检测电路

技术领域

本发明涉及微弱信号检测技术，具体是一种差分电容式传感器检测电路。

背景技术

目前，MEMS器件一差分电容式传感器的检测电路有多种方法和电路来实现：1、电容信号转化成频率信号方法；2、相位测量法；3、采用开关电容电路；4、采用调制解调型电路等，其中，在调制解调型电路中，经常采用的电路如下所述：输出端与差分电容式传感器活动极板相连的波形信号发生器、输入端分别与差分电容式传感器的两固定电极相连的两路C-V转换电路、加法器、与加法器输出端相连的全波整流电路、与全波整流电路输出端相连的低通滤波电路、与低通滤波电路输出端相连的跟随输出电路，一路C-V转换电路的输出端经反相器后与另一路C-V转换电路的输出端与加法器的输入端相连。但由于差分电容式传感器所产生的信号极其微弱，一般都在PF量级，其电容变化量ΔC一般在10^-15～10^-18F，要检测如此小的微小电容变化量，对检测电路中的各部分电路的选取尤为重要，就目前所采用的检测电路来说，其检测精度不高，仍需要进一步优化；另外，检测电路一般都是制作在PCB板上的，其分布电容和寄生电容较大，使检测电路信噪比较低，很难检测到10^-15～10^-18F大小的电容变化量，不但限制了检测电路检测精度的提高，而且体积较大，使用条件受限，可靠性低。这就对检测电路的设计以及制作工艺提出了更高的要求。

发明内容

本发明为了解决现有差分电容式传感器采用的调制解调型检测电路存在检测精度不高的问题，提供了一种差分电容式传感器检测电路。

本发明是采用如下技术方案实现的：差分电容式传感器检测电路，包括波形信号发生器、C-V转换电路、反相器、加法器、全波整流电路、低通滤波电路、跟随输出电路，所述全波整流电路包括集成运放U1B和三极管Q1，集成运放U1B的反相端经电阻R21与加法器的输出端out2相连，同相端经电阻R19、R20与加法器的输出端out2相连，反相端与其输出端之间连接有电阻R22，电阻R19、R20的连接节点与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的基极经电阻R17、R18与波形信号发生器的输出端out1相连，电阻R17、R18的连接节点经二极管D3接地。

所述C-V转换电路包括集成运放OP，集成运放OP的反相端与差分电容式传感器的固定电极相连，反相端与其输出端之间串联有电容C与电阻R的并联支路。所述电阻R为T型电阻网络。C-V转换电路中采用噪声电压较低的T型电阻网络，保证了一定的转换精度和较大的适应范围，满足了C-V转换电路对低输入阻抗及输出阻抗的要求。

波形信号发生器产生的波形信号加于差分电容式传感器的活动极板上，当差分电容式传感器受到加速度作用时，加速度计差分电容的电容值产生变化，经由差分电容式传感器的固定极板输出的两路波形信号的波峰峰值也产生相应的变化；其中的一路波形信号经反相器反相后，与另一路波形信号通过加法器相加并放大，经加法器差分放大后得到的检测信号，经全波整流电路转化为单向脉动电压，再通过低通滤波电路滤除脉动电压中的高频成分，保留低频电流，最后经跟随输出电路输出，得到与差分电容变化成线性的直流电压输出。本发明在所述波形信号发生器、C-V转换电路、反相器、加法器、低通滤波电路、跟随输出电路是现有公知电路。

其中，所述全波整流电路的工作过程如下：out2是前级差分放大的输出信号，out1是由波形信号发生器产生的波形信号，幅值为(-U，+U)，out1在二极管D3单向导通的作用下加到后面三极管Q1基极上的电压为(-U，0.7)，当电压-U作用在三极管Q1的基极上时，该三极管Q1处于截止状态，当0.7V的电压作用在三极管Q1的基极上时，该三极管Q1处于导通状态。

取R21＝R22，则 $\mathrm{out}3=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{out}2& \mathrm{out}2<0\\ -\mathrm{out}2& \mathrm{out}2>0\end{array}\right.,$ ,最终实现全波整流。

对采用如上全波整流电路的本发明所述检测电路进行性能测试：由于差分电容式传感器表头检测电容的总电容很小，约为1pF左右，因此，选用现有市场上PF量级的小电容，用两个PF量级电容组成差分电容，作为与差分电容式传感器表头检测电容相当的等效电路，并以4284A高精度LRC表进行差分电容的标定，经测试得测试数据如下：

表1

差分电容值(PF)	0.0502	0.1021	0.1510	0.2105	0.2980	0.3910	0.5163	0.6108	0.6961	0.8022	0.8995	1.0910
													输出电压值(v)	0.3784	0.4232	0.4560	0.5130	0.6051	0.7267	0.8630	0.9761	1.1250	1.2562	1.3680	1.4560

从测试数据的可以看出，本发明所述检测电路能测出的最小差分量级为10^-16F，测量精度高，逐渐增大其差分值，最大为1PF。根据表1得到的线性拟合直线如图3所示，其线性度为1.1325，非线性度小于0.5％。

本发明结构合理，对差分电容式传感器产生的微弱信号的检测精度高，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明的具体电路原理图；(图中同标号相连)

图3为本发明经测试得到的线性拟合直线；

图4为本发明采用厚膜混合集成技术集成后性能测试得到的线性拟合直线；

图中：1-波形信号发生器；2、3-C-V转换电路；4-反相器；5-加法器；6-全波整流电路；7-低通滤波电路；8-跟随输出电路。

具体实施方式

差分电容式传感器检测电路，包括波形信号发生器1、C-V转换电路2、3、反相器4、加法器5、全波整流电路6、低通滤波电路7、跟随输出电路8，所述全波整流电路包括集成运放U1B和三极管Q1，集成运放U1B的反相端经电阻R21与加法器的输出端out2相连，同相端经电阻R19、R20与加法器的输出端out2相连，反相端与其输出端之间连接有电阻R22，电阻R19、R20的连接节点与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的基极经电阻R17、R18与波形信号发生器的输出端out1相连，电阻R17、R18的连接节点经二极管D3接地。所述C-V转换电路2、3包括集成运放OP，集成运放OP的反相端与差分电容式传感器的固定电极相连，反相端与其输出端之间串联有电容C与电阻R的并联支路。所述电阻R为T型电阻网络。

具体实施时，波形信号发生器采用方波信号发生器；两路C-V转换电路使用同一芯片的不同运算放大器来实现，保证了测试的准确性，内部参数一致性，且选用一致的电阻和电容，实现两差分电容的对称电压输出，测量原理是利用典型的微分电路，利用流过电容的电流与电容两端电压之间的微分关系来组成微分电路，使输出电压与输入电压的微分、与电容值和电压值成正比。两路C-V转换电路、反相器、加法器采用OPA627型运算放大器；方波信号发生器、全波整流电路、低通滤波电路、跟随输出电路采用MC33184型运算放大器。

另外，针对以PCB板制作工艺加工的检测电路存在精度低、体积大、可靠性低等问题，本发明所述检测电路可以采用现有公知的厚膜混合集成技术来实现，进而提高检测电路的检测精度，减小体积，降低成本。

采用厚膜混合集成技术集成的本发明所述的检测电路的性能测试：

在完成检测电路的基本参数测试，确定检测电路及差分电容式传感器表头正常工作后，主要进行差分电容式传感器的功能测试，即将厚膜混合集成的电容式传感器固定在振动台上，进行其动态测试，其测试数据如下：

表2

所加g值/g	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4	4.5	5
											输出电压值/V	0.84753	1.77635	2.50275	3.36842	4.22259	5.00283	6.01241	6.74882	7.58810	8.42742

从测试数据可以看出，采用厚膜混合集成技术集成的检测电路的测试精度高、稳定度高，能充分满足对差分电容式传感器微弱信号进行检测的要求。

Claims (3)

1.一种差分电容式传感器检测电路，包括波形信号发生器(1)、C-V转换电路(2、3)、反相器(4)、加法器(5)、全波整流电路(6)、低通滤波电路(7)、跟随输出电路(8)，其特征在于所述全波整流电路包括集成运放U1B和三极管Q1，集成运放U1B的反相端经电阻R21与加法器的输出端out2相连，同相端经电阻R19、R20与加法器的输出端out2相连，反相端与其输出端之间连接有电阻R22，电阻R19、R20的连接节点与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的基极经电阻R17、R18与波形信号发生器的输出端out1相连，电阻R17、R18的连接节点经二极管D3接地。

2.根据权利要求1所述的差分电容式传感器检测电路，其特征在于所述C-V转换电路(2、3)包括集成运放OP，集成运放OP的反相端与差分电容式传感器的固定电极相连，反相端与其输出端之间串联有电容C与电阻R的并联支路。

3.根据权利要求2所述的差分电容式传感器检测电路，其特征在于所述电阻R为T型电阻网络。

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