CN101285859A - 一种测量微小差分电容的检测电路 - Google Patents

Abstract

一种测量微小差分电容的检测电路，包括选频电路、锁相环跟踪电路、逻辑门电路和低通滤波电路；其中，选频电路和锁相环跟踪电路组成谐振单元，该谐振单元的谐振频率由待测差分电容的大小决定。由差分电容构成的两组谐振单元在后端逻辑门电路和低通滤波电路的作用下可以实现正比于差分电容大小的频率输出。本发明检测精度和输出线性度高，温漂小，抗干扰能力强；电路结构简单，便于工程化和集成电路制作。本发明适用于医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量领域中基于微小差分电容敏感机理的测量。

Description

一种测量微小差分电容的检测电路

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及微小差分电容测量的应用技术，适用于医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量领域中基于微小差分电容敏感机理的测量。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，微纳米尺寸的传感器在医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量等领域中得到了广泛的应用。由于MEMS传感器尺寸的缘故，这类传感器输出的信号极为微弱。典型的电容式MEMS传感器输出信号为10^-15fF量级。当前限制微传感器发展和应用的技术瓶颈是信号检测精度和稳定度。基于电容敏感机理的传感器以其高灵敏度、良好的温度特性和低功耗等优点，在高性能MEMS传感器中应用将非常广泛。

为提高MEMS传感器的输出线性度，抑制共模噪声，敏感电容大多采用差分电容的形式。现有的微小差分电容检测方法主要有两种：电容-模拟电压转换和电容充放电频率检测。第一种方法的检测原理是相同电荷在不同大小的电容两端引起的电势差与电容大小成反比，通过比较基准电压和输出电压，由参考电容大小计算待测电容大小。该方法输出信号是模拟电压，并且在电荷传递过程中很难保证电荷等量传递，故该方法抗干扰能力差；同时该方法的检测电路复杂，检测灵敏度受元器件精度影响大，批量生产时性能的一致性很难控制；第二种方法通过对称恒流源同时向待测电容和参考电容充电，当电容两端的电压达到施密特触发器的翻转电压时，电路翻转，电路输出两路频率和电容大小相关的信号。虽然输出信号是抗干扰很强的频率信息，但与频率直接相关的电容充放电过程对电压很敏感，因此充放电过程引入的干扰很难克服，并且充放电的转换过程由晶体管控制，状态切换的瞬间会存在电荷注入和电荷馈通效应，严重影响检测精度；同时，由于电容充放电过程的非线性特性，使得输出信号的频率与待测电容的大小呈现严重的非线性，需要进行非线性校正。

因此上述两种检测方法均不适合高精度电容检测领域。为满足高精度检测的需要，需要设计一种高分辨率，高线性度，抗干扰能力强的检测方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有各种微小差分电容检测方法的不足，提供一种高分辨率，高线性度，抗干扰能力强的检测方法。

本发明的技术解决方案是：一种测量微小差分电容的检测电路，包括两个谐振单元、逻辑门电路和低通滤波电路；每个谐振单元由选频电路和锁相环构成，选频电路由电感电容构成；待测差分电容的组分电容C_x1，C_x2分别接入两个选频电路，作为选频电路中的电容环节，两组谐振单元输出电压信号至逻辑门电路，从逻辑门输出的PWM波经过低通滤波器后输出正弦信号，其频率正比于待测差分电容大小。

所述的谐振单元中锁相环输出端电压U_VCO1分为两路，一路至选通电路输入端，使锁相环的输出电压U_VCO1输入至选频电路；另一路连至锁相环输入端，电压U_VCO1同时作为锁相环的一路输入；选频电路输出端和锁相环输入端相连接，选频电路输出电压U_Output1作为锁相环的另一路输入；锁相环的施密特输出端和逻辑门输入端连接，使锁相环的施密特输出端的方波电压信号作为逻辑门电路的输入；为抑制选频电路谐振时的电压尖峰，在锁相环的输出端串接一个电阻。

所述的逻辑门电路可由模拟乘法器或加法电路代替；所述的选频电路由电感电容串联组成，或由电感电容并联组成；所述的逻辑门电路可由模拟乘法器或加法电路代替；所述的锁相环选用集成锁相环芯片，由相位比较单元、压控振荡器和施密特触发器构成；所述的逻辑门电路采用高速异或门芯片；所述的低通滤波电路采用一阶无源低通滤波电路。

所述的谐振单元中的待测差分电容的组分电容C_x1，C_x2均有一个电极接地，使得该电路可应用于差分电容有共用电极的场合。

本发明的原理是：本发明的理论基础是电感电容(LC)谐振、锁相环(PLL)频率跟踪特性和拍频现象。

待测差分电容分别接入两个选频电路，作为选频电路中的电容环节，如图1所示。由谐振理论可知，该选频电路的固有频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_{x1}}}.$ 由受迫振动理论可知，当该环节的输入信号频率f_in不等于其固有频率f₀时，输出信号U_Output中将同时包含频率成分f_in和f₀，并且在过渡过程中，频率成分f₀占主要部分。

如图1所示连接电路。将锁相环输出作为选频电路的输入，同时将锁相环输出与选频电路输出分别接入锁相环的两个输入端。刚上电时，锁相环将以其自身的自由振荡频率f_free振动，该输出信号作用到选频电路的输入端，选频电路的输出信号U_Output中将同时包含频率成分f_free和f₀。因为电路处在过渡过程中，所以频率分量f₀在输出信号U_Output中占主要成分，并且将牵引锁相环的振荡频率逐渐逼近选频电路的固有频率f₀，稳态时两者振荡频率相等，锁相环的振荡频率等于选频电路的固有频率f₀。电路中电容C_x1和C_x2组成的差分电容作为信号敏感元，其电容是可变的，但其变化速度远小于谐振单元进入稳态的速度，因此分析过渡过程时可将可变电容C_x1和C_x2视为固定电容。

此时，将两个谐振单元的输出信号引入异或门电路，根据拍频现象的产生机理可知：输出信号的占空比与两路输入信号的相位差成正比，在经过低通滤波器之后输出信号的频率，即两路输入信号的相位差变化频率

$f=f_1-f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L}}\·\frac{\sqrt{C_0+\mathrm{\ΔC}}-\sqrt{C_0-\mathrm{\ΔC}}}{\sqrt{C_0^2-{\left(\mathrm{\ΔC}\right)}^2}}---\left(1\right)$

其中，

f₁——谐振单元1输出信号的频率

f₂——谐振单元2输出信号的频率

$C_0=\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2}$ ——平衡电容

$\mathrm{\ΔC}=\left|\frac{C_{x1}-C_{x2}}{2}\right|$ ——待测差分电容

C_x1，C_x2——待测差分电容的组分电容

L——选频环节的电感

通常，待测差分电容ΔC＜＜C₀，将公式(1)按泰勒公式展开，忽略高阶小项可得，

$f=\frac{\mathrm{\ΔC}}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}_0^3}}---\left(2\right)$

由公式(2)可知，拍频输出信号的频率与待测差分电容的大小成正比，可由输出信号的频率计算差分电容的大小。拍频检测原理如图2所示，两路占空比相等，频率不等的方波信号输入高速异或门电路，异或门将输出占空比正比于两路输入信号相位差的脉冲调制波(PWM波)，将上述PWM波经过低通滤波器，适当调整滤波器参数，低通滤波后的输出信号是取绝对值后的正弦信号，其频率等于前端输入信号相位差变化频率的两倍。

本发明与现有技术相比的优点在于：该方法的电路结构简单，易于集成和批量生产；电路元件主要是储能元件，功耗低，温漂小；频率输出，抗干扰能力强；在实现高精度测量的同时保持了输出信号的高度线性特性，适用于医疗器械、安防探测、惯性器件、流体特性测量领域中基于微小差分电容敏感机理的测量。

附图说明

图1为本发明检测电路框图；

图2为不同频率信号的拍频现象；

图3为本发明检测电路连线图；

图4为本发明检测电路中逻辑门电路的替代电路图；

图5为本发明检测电路中选频电路的替代电路图。

具体实施方式

本发明原理如图1所示，待测差分电容的组分电容C_x1，C_x2分别接入两个选频电路，作为选频电路中的电容环节。当待测差分电容存在公共端，仅有3个极板时，可把公共电极作为两个选频电路的单点接地端。选频电路和锁相环共同构成谐振单元，该发明中两个谐振单元的结构均相同，在此以第一个谐振单元为例说明。

将锁相环的输出端F1与端口A1相连，电压U_VCO1作为选频电路的输入；并且连接锁相环输出端F1和锁相环输入端C1，电压U_VCO1同时作为锁相环的一路输入；连接选频电路输出端B1和锁相环输入端D1，选频电路输出电压U_Output1作为锁相环的第二路输入；连接锁相环的施密特输出端G1和逻辑门输入端H1，G1端的方波电压信号作为逻辑门电路的输入；将逻辑门的输出端与低通滤波器的输入端相连，从逻辑门输出的PWM波经过低通滤波器后输出正弦信号，其频率正比于待测差分电容大小。为抑制选频电路谐振时的电压尖峰，可在锁相环的输出端F1串接一个8～30Ω的小电阻，如图3中电阻R1和R2所示。

刚上电时，锁相环将以其自由振荡频率f_free振动，该输出信号作用到选频电路的输入端(A1)，选频电路在来自锁相环的信号U_VCO1作用下做受迫振动。在电路的过渡过程中，选频电路输出信号U_Output1中占主要成分的是频率等于选频环节固有频率分量f₀₁的电压信号，该电压信号与锁相环的另一路输入电压信号U_VCO1存在相位差，在锁相环中相位比较器和环路滤波器作用下将输出对应的电压U_LPFOut1。电压U_LPFOut1将迫使锁相环中的压控振荡器的振荡频率逼近f₀₁。外在表现为频率分量f₀₁牵引锁相环的振荡频率逐渐逼近选频环节的固有频率f₀₁，稳态时锁相环的振荡频率为f₀₁，同时锁相环内的施密特触发器将分别输出同频的方波信号U_PDOut1(图1)。

此时，将两个谐振单元的输出信号U_PDPut1，U_PDOut2同时引入异或门电路，根据拍频现象的产生机理可知：异或门输出信号U_LO的占空比与两路输入信号U_PDOut1，U_PDOut2的相位差成正比，信号U_LO经过低通滤波器之后输出信号U_O的频率，即两路输入信号U_PDOut1，U_PDOut2的相位差变化频率

$f=f_1-f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L}}\·\frac{\sqrt{C_0+\mathrm{\ΔC}}-\sqrt{C_0-\mathrm{\ΔC}}}{\sqrt{C_0^2-{\left(\mathrm{\ΔC}\right)}^2}}---\left(3\right)$

其中，

f₁——谐振单元1输出信号的频率

f₂——谐振单元2输出信号的频率

$C_0=\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2}$ ——平衡电容

$\mathrm{\ΔC}=\left|\frac{C_{x1}-C_{x2}}{2}\right|$ ——待测差分电容

C_x1，C_x2——待测差分电容的组分电容

L——选频环节的电感

通常，待测差分电容ΔC＜＜C₀，将公式(3)按泰勒公式展开，忽略高阶小项可得，

$f=\frac{\mathrm{\ΔC}}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}_0^3}}---\left(4\right)$

由公式(4)可知，拍频输出信号的频率与待测差分电容的大小成正比，可由输出信号的频率计算差分电容的大小。

本发明的电路原理图如图3所示。其中，电感L1＝L2＝10μH；锁相环采用高频锁相环NE564，配置定时电容，使锁相环的自由振荡频率接近选频环节的固有频率在中等测量精度要求的情况下，可用CD4046代替NE564；限流电阻R₁＝R₂，典型值可取10Ω；无源低通滤波器的典型参数如图3所示，R3＝1KΩ，C3＝470pF，可根据输出带宽要求适当调整低通滤波器的电阻电容参数；高速异或门采用74HC86D，可用其他型号的高速异或门替代，也可采用模拟乘法器AD633或典型的加法电路替代，如图4所示，电阻R_j1＝R_j2＝2R_j3，R_j1的典型值可取100KΩ。选频电路除采用图3所示电感电容串联形式外，还可以采用如图5所示的电感电容并联形式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于信号检测和微机电(MEMS)领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1、一种测量微小差分电容的检测电路，其特征在于：包括两个谐振单元、逻辑门电路和低通滤波电路；每个谐振单元由选频电路和锁相环构成，选频电路由电感电容构成；待测差分电容的组分电容C_x1，C_x2分别接入两个选频电路，作为选频电路中的电容环节，两组谐振单元输出电压信号至逻辑门电路，从逻辑门输出的PWM波经过低通滤波器后输出正弦信号，其频率正比于待测差分电容大小。

2、根据权利要求1所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的逻辑门电路可由模拟乘法器或加法电路代替。

3、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的选频电路由电感电容串联组成，或由电感电容并联组成。

4、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的谐振单元中锁相环输出端电压U_VCO1分为两路，一路至选频电路输入端，使锁相环的输出电压U_VCO1输入至选频电路；另一路连至锁相环输入端，电压U_VCO1同时作为锁相环的一路输入；选频电路输出端和锁相环输入端相连接，选频电路输出电压U_Output1作为锁相环的另一路输入；锁相环的施密特输出端和逻辑门输入端连接，使锁相环的施密特输出端的方波电压信号作为逻辑门电路的输入。

5、根据权利要求3所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：为抑制选频电路谐振时的电压尖峰，在锁相环的输出端串接一个电阻。

6、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的逻辑门电路可由模拟乘法器或加法电路代替。

7、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的谐振单元中的待测差分电容的组分电容C_x1，C_x2均有一个电极接地，使得该电路可应用于差分电容有共用电极的场合。

8、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的锁相环选用集成锁相环芯片，由相位比较单元、压控振荡器和施密特触发器构成。

9、根据权利要求1所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的逻辑门电路采用高速异或门芯片。

10、根据权利要求1或2所述的差分测量微小电容的检测电路，其特征在于：所述的低通滤波电路采用一阶无源低通滤波电路。

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