CN102226825B - 全数字差动电容检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种电子线路，特别涉及一种检测差动电容的电路。全数字差动电容检测装置，包括：数字控制器(1)，数字可编程时钟发生器(2)，数字可编程波形发生器(3)，电荷放大器(4)，放大倍数可编程仪表放大器(5)，双通道同步模数转换器(6)。本发明利用数字控制器对可编程时钟发生器提供的时钟源进行编程控制，使可编程波形发生器的各输出信号频率能根据需要灵活调整，具有较大的频率调整范围；仪表放大器的放大倍数G由数字控制器编程控制，当ΔC较小时通过增大G值，使ΔC检测在小信号时具有极高的分辨率；当ΔC较大时通过减小G值，使ΔC检测在大信号时具有极大的检测范围，数字控制器对差动电容检测各环节的控制均通过编程实现，并通过软件代码完成带通选频滤波、混频解调、低通滤波等环节，硬件结构简洁，调整灵活性好。

Description

全数字差动电容检测装置

技术领域

本发明属于一种电子线路，特别涉及一种检测差动电容的电路。

背景技术

差动电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、稳定性高、非接触测量等优点，在位移、压力、加速度、物质成分、物位等参数的测量中有着广泛的应用。

差动电容传感器输出信号通常十分微弱，甚至完全淹没在各类干扰信号中，利用有效的差动电容检测技术将极微小差动电容变化量检测出来，是差动电容传感器应用的关键。典型的差动电容检测技术包括高稳定温补时钟源、激励信号发生器、电荷放大器、移相网络、带陷滤波器、带通选频网络、相敏解调器、低通滤波器等环节，并且检测输出是缓变的直流模拟量信号，需要模数转换器才能与数字测量系统连接。

典型的差动电容检测技术所包含的各环节通常由分立和集成电路混合设计而成，硬件结构复杂、集成化程度低，调整点多、调整灵活性差，检测分辨率固定、小信号检测分辨率和大检测量程难以兼顾。

发明内容

本发明的目的是：提供一种硬件结构简单，既能提高小信号检测分辨率，又能实现较大检测量程的差动电容检测电路。

本发明的技术方案是：一种全数字差动电容检测装置，它包括：数字控制器，数字可编程时钟发生器，数字可编程波形发生器，电荷放大器，放大倍数可编程仪表放大器，双通道同步模数转换器；

所述数字控制器通过串行或I/O端口对所述数字可编程时钟发生器进行编程，使其输出预期时钟信号，作为所述数字可编程波形发生器的时钟源；

所述数字控制器通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器进行编程，使其输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_C的正弦激励信号，同时输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_R的正弦参考信号，以及频率为N_S*F_C的方波信号；

所述电荷放大器由一对差动电容及其补偿电容，一对均带有反馈回路、放大系数均为K的运算放大器组成；在所述数字可编程波形发生器给出的所述正弦激励信号作用下，所述一对运算放大器分别输出与所接差动电容成线性比例的两路电压信号；

所述仪表放大器的同相或反相输入端接入所述两路电压信号，所述仪表放大器的放大倍数G由所述数字控制器通过编程决定，其输出为：

U₀＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πF_Ct+θ_C+θ_S)

其中：C_SA-C_SB为被检测的所述一对差动电容的差值ΔC；θ_S为所述电荷放大器及所述仪表放大器造成的相移；t为时间自变量，单位：秒；

所述双通道同步模数转换器的通道A接入所述仪表放大器的输出，通道B接入所述数字可编程波形发生器输出所述正弦参考信号，并以所述数字可编程波形发生器输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为采样触发信号，在所述仪表放大器输出的每个周期内采样N_S次；

所述数字控制器接收所述数字可编程波形发生器输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为外部中断触发信号，进入INT中断服务程序，进行以下处理：

a.利用DMA或其它方式通过其串行或并行接口读取所述双通道同步模数转换器对所述仪表放大器输出的采样结果U_O(k)，和对所述数字可编程波形发生器输出所述正弦参考信号的采样结果U_R(k)；

b.将所述U_O(k)添加至存储序列U_OF(n)队尾，所述U_OF(n)表示为：

U_OF(n)＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πn/N_S+θ_C+θ_S)

c.将所述U_R(k)添加至存储序列U_RF(n)队尾，所述U_RF(n)表示为：

U_RF(n)＝Asin(2πn/N_S+θ_R)

d.以F_C为中心频率，对所述U_OF(n)和所述U_RF(n)进行带通滤波，得到所述U_O(k)的滤波输出U_OF(k)和所述U_R(k)的滤波输出U_RF(k)；将所述U_OF(k)和所述U_RF(k)进行相乘得到U_C(k)，并添加至存储序列U_CF(n)队尾，所述U_CF(n)表示为：

$U_{\mathrm{CF}}\left(n\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos (4\mathrm{\πn}/N_S+{\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S+{\mathrm{\θ}}_R)$

$+\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos ({\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S-{\mathrm{\θ}}_R)$

e.通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器输出的所述激励信号相位θ_C和所述参考信号相位θ_R进行编程，使θ_C+θ_S-θ_R为0°附近的某一常值θ_F；

f.对所述U_CF(n)进行低通滤波，得到所述U_C(k)的滤波输出U_D(k)：

$U_D\left(k\right)=\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_F\right)$

其中：A、K是由电路所决定的常值，G、θ_F为通过所述数字控制器编程得到的常值，U_D(k)为对所述一对差动电容差值C_SA-C_SB的检测值；

g.退出所述INT中断服务程序，准备对下一组采样数据进行处理。

本发明利用数字控制器对可编程时钟发生器提供的时钟源进行编程控制，使可编程波形发生器的各输出信号频率能根据需要灵活调整，具有较大的频率调整范围。

利用数字控制器对可编程波形发生器进行编程控制，可编程波形发生器输出的激励信号、参考信号、采样信号完全同步，采样信号频率始终是激励信号和参考信号频率F_C的N_S倍，可以避免由于时钟源漂移造成非整数倍采样。

利用数字控制器对可编程波形发生器进行编程控制，调整激励信号相位θ_C与参考信号相位θ_R之间的差值，以补偿由于电荷放大器及仪表放大器对激励信号造成的相位偏移θ_S，使θ_C+θ_S-θ_R为0°附近的某一常值，避免θ_S使θ_C+θ_S-θ_R位于90°或90°整数倍附近而使得ΔC无法解算，并使ΔC的解算结果具有尽可能高的灵敏度。

仪表放大器的放大倍数G由数字控制器编程控制，当ΔC较小时通过增大G值，使ΔC检测在小信号时具有极高的分辨率；当ΔC较大时通过减小G值，使ΔC检测在大信号时具有极大的检测范围。

采样信号为双通道同步模数转换器提供转换启动信号，双通道同步模数转换器在采样信号触发下启动对仪表放大器输出信号U_O和参考信号U_R的同步采样，具有极高的定时准确度，避免软件或其它定时方式造成的采样时钟抖动。采样信号同时为数字控制器提供外部中断信号，使数字控制器可以采取DMA等无需控制器干预的方式完成采样数据读取，提高了控制器的工作效率。

数字控制器对差动电容检测各环节的控制均通过编程实现，并通过软件代码完成带通选频滤波、混频解调、低通滤波等环节，硬件结构简洁，调整灵活性好。

附图说明

附图为本发明的结构框图。

具体实施方式

参见附图，一种全数字差动电容检测装置，其特征是：它包括：数字控制器1，数字可编程时钟发生器2，数字可编程波形发生器3，电荷放大器4，放大倍数可编程仪表放大器5，双通道同步模数转换器6；

所述数字控制器1通过串行或I/O端口对所述数字可编程时钟发生器2进行编程，使其输出预期时钟信号，作为所述数字可编程波形发生器3的时钟源；

所述数字控制器1通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器3进行编程，使其输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_C的正弦激励信号，同时输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_R的正弦参考信号U_R，以及频率为N_S*F_C的方波信号；

所述电荷放大器4由一对差动电容C_SA、C_SB及其补偿电容C_CA、C_CB，一对均带有反馈回路C_FA，R_FA；C_FB，R_FB、放大系数均为K的运算放大器A，B组成；在所述数字可编程波形发生器3给出的所述正弦激励信号作用下，所述一对运算放大器A，B分别输出与所接差动电容C_SA、C_SB成线性比例的两路电压信号U_A，U_B；

所述仪表放大器5的同相或反相输入端接入所述两路电压信号U_A，U_B，所述仪表放大器5的放大倍数G由所述数字控制器1通过编程决定，其输出为：

U₀＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πF_Ct+θ_C+θ_S)

其中：C_SA-C_SB为被检测的所述一对差动电容C_SA、C_SB的差值ΔC；θ_S为所述电荷放大器4及所述仪表放大器5造成的相移；t为时间自变量，单位：秒；

所述双通道同步模数转换器6的通道A接入所述仪表放大器的输出U_O，通道B接入所述数字可编程波形发生器3输出所述正弦参考信号U_R，并以所述数字可编程波形发生器3输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为采样触发信号，在所述仪表放大器输出U₀的每个周期内采样N_S次；

所述数字控制器1接收所述数字可编程波形发生器3输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为外部中断触发信号，进入INT中断服务程序，进行以下处理：

a.利用DMA或其它方式通过其串行或并行接口读取所述双通道同步模数转换器6对所述仪表放大器输出U_O的采样结果U_O(k)，和对所述数字可编程波形发生器3输出所述正弦参考信号U_R的采样结果U_R(k)；

b.将所述U_O(k)添加至存储序列U_OF(n)队尾，所述U_OF(n)表示为：

U_OF(n)＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πn/N_S+θ_C+θ_S)

c.将所述U_R(k)添加至存储序列U_RF(n)队尾，所述U_RF(n)表示为：

U_RF(n)＝Asin(2πn/N_S+θ_R)

d.以F_C为中心频率，对所述U_OF(n)和所述U_RF(n)进行带通滤波，得到所述U_O(k)的滤波输出U_OF(k)和所述U_R(k)的滤波输出U_RF(k)；将所述U_OF(k)和所述U_RF(k)进行相乘得到U_C(k)，并添加至存储序列U_CF(n)队尾，所述U_CF(n)表示为：

$U_{\mathrm{CF}}\left(n\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos (4\mathrm{\πn}/N_S+{\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S+{\mathrm{\θ}}_R)$

$+\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos ({\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S-{\mathrm{\θ}}_R)$

e.通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器3输出的所述激励信号相位θ_C和所述参考信号相位θ_R进行编程，使θ_C+θ_S-θ_R为0°附近的某一常值θ_F；

f.对所述U_CF(n)进行低通滤波，得到所述U_C(k)的滤波输出U_D(k)：

$U_D\left(k\right)=\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_F\right)$

其中：A、K是由电路所决定的常值，G、θ_F为通过所述数字控制器1编程得到的常值，U_D(k)为对所述一对差动电容C_SA、C_SB差值C_SA-C_SB的检测值；

g.退出所述INT中断服务程序，准备对下一组采样数据进行处理。

Claims (1)

1.一种全数字差动电容检测装置，其特征是：它包括：数字控制器(1)，数字可编程时钟发生器(2)，数字可编程波形发生器(3)，电荷放大器(4)，放大倍数可编程仪表放大器(5)，双通道同步模数转换器(6)；

所述数字控制器(1)通过串行或I/O端口对所述数字可编程时钟发生器(2)进行编程，使其输出预期时钟信号，作为所述数字可编程波形发生器(3)的时钟源；

所述数字控制器(1)通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器(3)进行编程，使其输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_C的正弦激励信号，同时输出幅值为A、频率为F_C、相位为θ_R的正弦参考信号(U_R)，以及频率为N_S*F_C的方波信号；

所述电荷放大器(4)由一对差动电容(C_SA、C_SB)及其补偿电容(C_CA、C_CB)，一对均带有反馈回路(C_FA，R_FA；C_FB，R_FB)、放大系数均为K的运算放大器(A，B)组成；在所述数字可编程波形发生器(3)给出的所述正弦激励信号作用下，所述一对运算放大器(A，B)分别输出与所接差动电容(C_SA、C_SB)成线性比例的两路电压信号(U_A，U_B)；

所述仪表放大器(5)的同相或反相输入端接入所述两路电压信号(U_A，U_B)，所述仪表放大器(5)的放大倍数G由所述数字控制器(1)通过编程决定，其输出为：

U₀＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πF_Ct+θ_C+θ_S)

其中：C_SA-C_SB为被检测的所述一对差动电容(C_SA、C_SB)的差值ΔC；θ_S为所述电荷放大器(4)及所述仪表放大器(5)造成的相移；t为时间自变量，单位：秒；

所述双通道同步模数转换器(6)的通道A接入所述仪表放大器的输出(U_O)，通道B接入所述数字可编程波形发生器(3)输出所述正弦参考信号(U_R)，并以所述数字可编程波形发生器(3)输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为采样触发信号，在所述仪表放大器输出(U_O)的每个周期内采样N_S次；

所述数字控制器(1)接收所述数字可编程波形发生器(3)输出的所述频率为N_S*F_C的方波信号作为外部中断触发信号，进入INT中断服务程序，进行以下处理：

a.利用DMA或其它方式通过其串行或并行接口读取所述双通道同步模数转换器(6)对所述仪表放大器输出(U_O)的采样结果U_O(k)，和对所述数字可编程波形发生器(3)输出所述正弦参考信号(U_R)的采样结果U_R(k)；

b.将所述U_O(k)添加至存储序列U_OF(n)队尾，所述U_OF(n)表示为：

U_OF(n)＝GK(C_SA-C_SB)Asin(2πn/N_S+θ_C+θ_S)

c.将所述U_R(k)添加至存储序列U_RF(n)队尾，所述U_RF(n)表示为：

U_RF(n)＝Asin(2πn/N_S+θ_R)

d.以F_C为中心频率，对所述U_OF(n)和所述U_RF(n)进行带通滤波，得到所述U_O(k)的滤波输出U_OF(k)和所述U_R(k)的滤波输出U_RF(k)；将所述U_OF(k)和所述U_RF(k)进行相乘得到U_C(k)，并添加至存储序列U_CF(n)队尾，所述U_CF(n)表示为：

$U_{\mathrm{CF}}\left(n\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos (4\mathrm{\πn}/N_S+{\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S+{\mathrm{\θ}}_R)$

$+\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos ({\mathrm{\θ}}_C+{\mathrm{\θ}}_S-{\mathrm{\θ}}_R)$

e.通过串行或并行端口对所述数字可编程波形发生器(3)输出的所述激励信号相位θ_C和所述参考信号相位θ_R进行编程，使θ_C+θ_S-θ_R为0°附近的某一常值θ_F；

f.对所述U_CF(n)进行低通滤波，得到所述U_C(k)的滤波输出U_D(k)：

$U_D\left(k\right)=\frac{1}{2}\mathrm{GK}(C_{\mathrm{SA}}-C_{\mathrm{SB}})A^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_F\right)$

其中：A、K是由电路所决定的常值，G、θ_F为通过所述数字控制器(1)编程得到的常值，U_D(k)为对所述一对差动电容(C_SA、C_SB)差值C_SA-C_SB的检测值；

g.退出所述INT中断服务程序，准备对下一组采样数据进行处理。

Images