CN104296786B - 数字电桥电容测量模块 - Google Patents

数字电桥电容测量模块 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种数字电桥电容测量模块,通过下述技术方案予以实现:平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°组成数字平衡机构;激励源单元产生3种信号,其中0°相位驱动信号驱动同步放大电路把正交滤波测量信号送入零位平衡单元产生再平衡监控信号;AC参考信号驱动电容平衡桥臂电路,AC激励信号分时驱动BITE检测桥臂电路,把平衡桥臂与测量桥臂两个相位差180°的交流信号通过求和电路求和,经带通滤波电路滤波为0°、90°相位驱动信号,CPU控制单元对零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制,用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较,CPU控制单元以检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时的D/A转换器数据作为当前测量的电容值。

Description

数字电桥电容测量模块
技术领域
本发明涉及一种主要用于飞机、汽车、轮船发动机上关于压力、液位、位移等模拟电容信号的调理转换测量模块。
背景技术
在众多测量系统中电容是使用最多的基本元器件。电容在不同的温度,介电常数和极间距微变,其技术参数会发生变化。基于这个特性,电容式传感器是把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量的变化,目前已广泛应用于工业、医学、军事等领域。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型,如电容式压力传感器,一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度等的测定。电容式传感器的敏感部分是具有可变参数的电容器。但大部分电容测量方法集成化水平与精度低、抗干扰能力差,寄生电容影响测量结果,因而对电容特别是对微小电容的精确测量始终是一个很重要的课题。目前基于电容式测量的传感器主要包括直流测量和交流测量两种,交流测量又分为平衡式和不平衡式两种。平衡电桥测量电容式油量传感器的感应体部分为一同轴电容,电容器为两平极结构,作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的界质中,由于电容器中的介质相对介电系数不同,电容量是不同的;而当电容器两极处在两不同介质的界面处,当液体介质的液面发生变化,也将导致电容器的电容C也发生变化。重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性,测量精度完全取决于测量电路的特性,目前大部分测量方法集成化水平低、精度低。比如电桥法利用电桥平衡原理测量电容测量结果受桥臂电容性能影响较大,振荡法电路结构简单对待测电容在100PF以下时板间内电容常会影响测量结果,另外振荡法测量电容的抗干扰能力差。
直流测量因其电路结构简单、成本低廉,但对测量通道内共模干扰抑制能力差;采样通道的增益调节受电容的影响大,造成测量通道复用性差。
交流平衡式测量后级处理与直流测量相似,取消了测量中的平衡机构,通过测量电路中不平衡量实现电容测量。交流不平衡式测量的最大优点是对共摸干扰有较好的抑制能力,但因其引入机电式平衡机构,结构复杂、反应缓慢。测量结果受桥臂电容性能影响,迟滞误差大、成本高,同样有测量通道复用性差的缺点,反应缓慢而不适合测量通道复用。
新一代的传感器技术的发展对电容敏感测量和信号集中处理提出了更高的要求,鉴于上述几种测量技术的缺点,有必要探索一种新的电容测量方法。电容数字电桥处理技术,就是利用交流平衡式测量原理与现代数字技术相结合而形成的一种测量技术。
发明内容
为提高电容测量精度和测量稳定性,本发明针对上述现有技术存在的结构复杂、反应缓慢、成本较高,共模干扰抑制能力不足、通道复用性差的缺点,提供一种结构简单,反应快,成本低,能够节约硬件资源,通过数字处理器件和平衡机构直接将电容转换为对应的数字量信息。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到:一种数字电桥电容测量模块,包括:激励源单元、电容平衡桥臂电路、电容测量桥臂电路、BIT自检测桥臂电路、求和电路、同步放大电路,零位比较单元和CPU控制单元,其特征在于:电容平衡桥臂电路和电容测量桥臂电路中的平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°组成数字平衡机构;激励源单元产生0°相位驱动信号、AC参考信号和AC激励信号,0°相位驱动信号驱动同步放大电路把实现的正交滤波测量信号送入零位平衡单元产生再平衡监控信号;AC参考信号驱动电容平衡桥臂电路,AC激励信号分时驱动BITE检测桥臂电路,把平衡桥臂与测量桥臂两个相位差180°的交流信号通过求和电路求和,经带通滤波电路滤波为0°、90°相位驱动信号,CPU控制单元根据接收到的再平衡监控信号,对零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制,用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较,CPU控制单元以检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时的D/A转换器数据作为当前测量的电容值。
本发明相比于现有的电容测量电路,具有如下有益效果:
本发明与直流测量技术相比,能够很好的抑制共模干扰。本发明利用CPU控制下的数字器件完成电容式数字电桥交流平衡控制测量,能够将电容信号通过CPU的数字平衡算法直接转换为数字量,无需转换为中间模拟量,提高精度和抗干扰能力,
本发明采用电容平衡桥臂电路和电容测量桥臂电路组合的数字电桥平衡机构与机电式交流平衡测量技术相比,克服了使用机械部件作为平衡机构的结构复杂、反应缓慢、迟滞误差大等缺点,提高了电容式传感器的测量精度。
本发明采用平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°的电容平衡桥臂电路和电容测量桥臂电路组成的数字平衡机构,带来的高速度及后级增益调节不受测量电容影响,使我们可以用一个测量通道采用分时复用的方式,就可以完成对多个通道电容的单独测量,大大的节约硬件资源及产品空间,反应快,成本低。
本发明采用激励源单元产生0°相位驱动信号、AC参考信号和AC激励信号,通过CPU控制单元对零位平衡单元BIT检测电路中的D/A转换器进行平衡控制,用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较,可以检测数字电桥是否正常工作,并发出告警信号。在使用双通道备份的情况下,可以自动切换到备份通道,保证电容测量任务的冗余。
利用本发明对每个通道电容进行单独测量,就可以对每根电容式传感器故障与否进行判断,在某根传感器发生故障时,进行故障隔离与系统重构,实现测量系统精度降级使用,避免由于一组传感器中的某根传感器故障给整个系统测量带来极大的附加误差。
利用本发明可以将电容值和最终测量值的关系通过相应的算法储存到EEPROM,当发生电容测量电路因为温度、湿度等环境引起的漂移后,由CPU发出指令,执行BIT自检测,将标准电容的测量结果和EEPROM的转换数据做比较,自动校准EEPROM中的标定值,从而实现电容测量的自动校准,实现高精度的微电容的测量。
在使用本发明测量一路电容的基础上,在电容输入端加入通道切换电路,通过CPU控制通道切换电路的切换逻辑就可以实现实时多通道电容测量。如果使用多组组数字电桥模块进行切换测量,还可实现电容测量的硬件冗余备份。
附图说明
图1是本发明电容测量信号测量模块的原理示意图。
图2是图1中激励信号产生电路的电路示意图。
图3是图1中平衡电桥桥臂电路的示意图。
图4是图1中电容测量桥臂电路示意图。
图5是图1中BIT自检测桥臂电路示意图。
图6是图1中的求和电路示意图。
图7是图1同步放大电路、正交滤波电路示意图。
图8是本发明零界值探测电路示意图。
图9是本发明的CPU单元电路示意图。
图10是本发明平衡判定信号示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个实施例中,电容信号测量模块电路包括:激励源单元、电容平衡桥臂电路、电容测量桥臂电路、BIT自检测桥臂电路、求和电路、同步放大电路,零界值探测单元和CPU控制单元。激励源单元产生AC参考信号、AC激励信号、0°相位驱动信号3种信号,供电容平衡桥臂电路、电容测量桥臂电路使用。激励源单元可以是图2所示的激励信号产生电路,包括由G301和R301以及2个旁路电容C301,C302组成的晶体发生电路,分频电路和AD301三极管,V301嵌位二极管,R321和RP301电阻调整器所组成的驱动电压调节电路。激励源单元模块生成数字电桥所需的0°相位驱动信号、交流AC参考信号和AC激励信号。AC参考信号驱动由相移调整电路、D/A转换调整电路及平衡电容组成的平衡桥臂;AC激励信号驱动由被测量电容组成的测量桥臂及由BIT自检测电容与BIT自检测电阻组成的BITE检测桥臂。电容平衡桥臂电路和电容测量桥臂电路中的平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°,平衡桥臂与BIT自检测桥臂输出的两个交流信号经过求和电路求和,通过带通滤波电路滤波,在0°相位驱动信号驱动同步放大电路放大后,由零界值探测器产生再平衡监控信号。CPU控制单元接收再平衡监控信号,根据再平衡监控信号驱动DAC转换电路,并控制零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制,形成闭环测量回路,直到再平衡监控信号指示CPU停止驱动DAC转换电路,电容测量完成。当CPU控制单元检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时,当前CPU写入D/A转换器的数据就认定为当前的电容采样值。当平衡桥臂信号>测量桥臂信号时,再平衡监控信号为高电平;当平衡桥臂信号≤测量桥臂信号时,再平衡监控信号为低电平。当CPU控制单元检测到再平衡监控信号变换12次后(DA转换电路的精度为12位),表明平衡桥臂与测量桥臂达到近似平衡,此时DA转换器的数据就代表了传感器的电容值,当前CPU的驱动数字量即可以作为电容等效值。
在图2中,激励信号产生电路主要由晶振电路、分频电路、电流驱动电路、幅值调整电路组成,其中,晶振电路由并联在G301晶体两端的电阻R301和并联电容C301、电容C302组成,分频电路由顺次串联的10分频电路和16分频电路组成,电流驱动电路接地电容C302、电阻R302、并联在电阻R302与地电容C309之间的电阻R318、并联电阻R318的三极管AD301和串联在三极管AD301基极电路的串联电阻R310和电阻R317组成,幅值调整电路由并联在三极管AD301集电极C与由输入电阻R321、电压调节电阻RP301组成并联接地回路之间的接地并联开关二极管V301,以及由电容C324和电阻R324组成的串联阻抗匹配电路组成。G301晶体产生的3MHz的正弦波通过10分频电路和16分频电路至电阻R310和电阻R317,经三极管AD301上拉电流驱动电,增加激励信号的驱动能力,并可通过接地并联开关二极管V301防止输出电压过大。输入电阻R321和电压调节电阻RP301组成并联接地回路,经电压调节电阻RP301电压调节输出如图9所示的波形幅值,并将波形幅值通过电容C324和电阻R324阻抗匹配后输出参考激励信号。激励信号产生电路产生供零位平衡单元使用的0°相位驱动信号、18.75K AC参考信号和18.75K AC激励信号三种信号。18.75K AC参考信号驱动平衡桥臂;AC激励信号分时驱动由电容式油量传感器组成的测量桥臂及由BITE电容与BITE电阻组成的BITE检测桥臂;0°相位驱动信号驱动图1所示同步放大电路,实现测量信号的正交滤波功能。平衡桥臂与测量桥臂输出的交流电压信号相位差180°,两个交流信号经过求和电路求和后,再经过带通滤波电路滤波、0°相位驱动信号驱动下的同步放大电路放大后,由零界值探测器产生再平衡监控信号。
在图3中,电容平衡桥臂电路平衡电桥中的平衡电容有高精度、温度系数高的特点,平衡电容C3数值由测量电容的大小来决定,平衡电容必须大于测量电容的数值,可以通过如图4的选通开关D205对平衡电容进行选择。BIT检测桥臂电路包括一个在检测桥臂的BIT电容C4和并联在BIT检测桥臂上的BIT保护电阻R4。电容平衡桥臂电路经模拟/数字转换器DAC电连接相移调整电容C2和平衡电容C3,该相移调整电路保证其和加载在测量桥臂输出的交流电压信号相位相差180°,CPU控制单元通过数据总线连接模拟/数字转换器,控制DAC转换器转换时序,数据总线上数字量的变化引起DAC器件模拟正弦波信号(即AC激励信号)幅值的变化,该变化的正弦波激励平衡电容C3,驱动平衡桥臂,相移调整电路中的电压调整器R2微调正弦波信号的幅值,用于微调整DAC器件模拟输出的正弦波信号幅值,从而微调整最终的输出结果。平衡电容测量BIT自检测桥臂电路R4和C4在可以在不外接被测电容的情况下接入C3,DAC模拟数字转换器以及相移器件C2组成的平衡桥臂,用于内部电路的自动监测。
在图4中,电容测量桥臂电路主要是由高精度、温度系数高的电容组成,电容测量桥臂分别通过平衡电容C1-C4电连接CPU控制单元,平衡电容大于测量电容的数值,平衡电容的电容值可以通过数字选通开关D205对平衡电容进行选择,平衡电容数值由测量电容的大小来决定。
在图5中,BIT检测桥臂电路包括在检测桥臂上的BIT保护电阻和跨接并联在所述BIT保护电阻R1上的BIT电容C4。BIT检测桥臂通过外部CPU的指令切换AC激励信号传入BIT检测桥臂电路,用于是否进行电路BIT自检测。平衡桥臂和测量桥臂连接在求和电路的前端,求和电路对经过平衡桥臂和测量桥臂的AC信号的电流、相位求和,用于后级处理。
在图6中,求和电路将平衡桥臂和测量桥臂在求和电路前端相连接,包含经求和入口电阻R2相连的两个串联的T型滤波网络组成的多极滤波网络和一个带通负反馈电容,以及通过电容C5串联电阻R3、R4、接地电容C6连接运算放大器正向端构成的积分电路。本实施例中带通负反馈电容根据实际波形噪声情况选择不同的容值,一般在2000pf左右可以滤除MHZ级别的干扰。两个T型滤波网络的积分电容一般在100~200pf之间,用于求和后交流电流信号变换为可捕捉的交流电压信号,该积分信号通过运算放大器的反向放大后,通过运算放大器输出端串联的电容C7、C8输出求和波形用于图7中的正交滤波电路。
在图7中,同步放大电路包括正向输入端连接接地电阻R5的前置运算放大器和通过串联电容C10、电阻R6、电阻R7电连接上输入端的后置运算放大器,以及分别跨接在上述两个运算放大器反向输入端与输出端之间的RC滤波网络。求和后的信号通过前级正交滤波电路反向放大后通过RC滤波网络完成其前级滤波功能,该滤波后信号通过C10电容隔绝直流偏置信号后接入后级运算放大器,该放大器将信号反向放大后同样通过RC滤波网络进一步过滤杂波,将该信号BRIDGE_OUT用于图8中的零界值探测电路检波处理。
在图8中,零界值探测电路包含半波检波积分电路和电压比较电路。其中半波检波积分电路在半波选择电路通过对激励信号的正负进行判断后,依次选通图8中T+、T-输入信号。随后对信号进行RC滤波,积分电路功能为图8中的RC滤波网络完成;由图可以看出,在前级运算放大器的正和负输入端加入图6求和电路检波后的信号,此信号通过运算放大器叠加后积分成直流信号。该信号电压比较电路通过后级运算放大器正端加入可变换的参考电压,此参考电压通过R8和R9组成的电位器分压调整,并通过R10进行电流保护限制。在后级运算放大器输出端加一上拉电阻,用于高低逻辑电平的输出。当信号高于参考电压时,放大电路在输出低电平,当信号低于参考电压时,放大电路输出高电平,最终输出如图10的平衡判定信号。图10所示平衡判定信号被CPU控制单元捕捉,CPU按程序中的算法用数字量控制图5中AC激励信号的大小,并根据输出的电平确定数字量。该数字量与被测电容成线性关系,可通过算法将其结算出来。

Claims (9)

1.一种数字电桥电容测量模块,包括:激励源单元、电容平衡桥臂电路、电容测量桥臂电路、BIT检测桥臂电路、求和电路、同步放大电路,零位平衡单元和CPU控制单元,其特征在于:电容平衡桥臂电路和电容测量桥臂电路中的平衡桥臂与测量桥臂交流信号相位差180°组成数字平衡机构;激励源单元产生供零位平衡单元使用的0°相位驱动信号、AC参考信号和AC激励信号, 0°相位驱动信号驱动同步放大电路实现测量信号的正交滤波,把实现的正交滤波测量信号送入零位平衡单元产生再平衡监控信号;AC参考信号驱动电容平衡桥臂电路,AC激励信号分时驱动BIT检测桥臂电路,把平衡桥臂与测量桥臂两个相位差180°的交流信号通过求和电路求和,经带通滤波电路滤波为0°、90°相位驱动信号,CPU控制单元根据接收到的再平衡监控信号,对零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制,用D/A转换器的数据与CPU控制单元内预存的理论数据进行比较,CPU控制单元以检测到平衡桥臂与测量桥臂达到平衡时的D/A转换器数据作为当前测量的电容值。
2.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:AC参考信号驱动由相移调整电路、D/A转换调整电路及平衡电容组成的平衡桥臂;AC激励信号驱动由被测量电容组成的测量桥臂及由BIT自检测电容与BIT自检测电阻组成的BIT检测桥臂。
3.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:测量桥臂、BIT检测桥臂组成的并联回路串联激励驱动电路。
4.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:CPU控制单元接收再平衡监控信号,根据再平衡监控信号驱动模拟转换电路DAC,并控制零位平衡单元中的D/A转换器进行平衡控制,形成闭环测量回路,直到再平衡监控信号指示CPU停止驱动模拟转换电路DAC,电容测量完成。
5.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:激励源单元包括晶振电路、分频电路、电流驱动电路和幅值调整电路,其中,晶振电路由并联在G301晶体两端的电阻R301和并联在两端的并联电容C301、电容C302构成的接地并联回路组成,分频电路由顺次串联的10分频电路和16分频电路组成,电流驱动电路由电连接在电阻R302两端的接地电容C302、接地电容C309,并联在上述电阻R302与地电容C309之间的电阻R318、并联电阻R318的三极管AD301和串联在该三极管AD301基极电路上的串联电阻R310和电阻R317组成,幅值调整电路由并联在三极管AD301集电极C与输入电阻R321之间的接地开关二极管V301,并联在上述输入电阻R321两端的电压调节电阻RP301之间的并联接地回路,以及通过电容C324串联电阻R3244输出参考激励信号构成的串联阻抗匹配电路组成。
6.如权利要求5所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:G301晶体产生频率为3MHz的正弦波信号通过10分频电路和16分频电路,传输至电阻R310和电阻R317,经三极管AD301上拉电流驱动,增加激励信号的驱动能力,通过接地并联开关二极管V301防止输出电压过大,经电压调节电阻RP301电压调节输出波形幅值,波形幅值通过电容C324和电阻R324阻抗匹配后输出参考激励信号。
7.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于平衡桥臂与测量桥臂输出的交流电压信号相位差180°,两个交流信号经过求和电路求和后,再经过带通滤波电路滤波、0°相位驱动信号驱动下的同步放大电路放大后,由零界值探测器产生再平衡监控信号。
8.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:电容平衡桥臂电路经模拟转换器DAC电连接相移调整电容C2 和平衡电容C3,该相移调整电路保证其和加载在测量桥臂输出的交流电压信号相位相差180°,CPU控制单元通过数据总线连接模拟转换电路DAC转换时序,数据总线上数字量的变化引起模拟转换电路DAC的模拟正弦波幅值的变化,该变化的正弦波激励平衡电容C3,驱动平衡桥臂,相移调整电路中的电压调整器R2微调正弦波信号的幅值,用于微调整模拟转换电路DAC模拟输出的正弦波信号幅值,从而微调整最终的输出结果。
9.如权利要求1所述的数字电桥电容测量模块,其特征在于:求和电路将平衡桥臂和测量桥臂在求和电路前端相连接,包含两个串联的T型滤波网络组成的多极滤波网络和一个带通负反馈电容。
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