CN105115535A - 电容传感器的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种电容传感器的模拟装置，包括主控制器和至少一个电容模拟器。所述主控制器适于将用户通过上位机设置的仿真电容值转发至所述电容模拟器；所述电容模拟器适于根据激励信号和所述仿真电容值产生仿真信号，所述仿真信号的频率与所述激励信号的频率相同，所述仿真信号的幅度为Vin×（Cs÷Cr），其中，Cs为所述仿真电容值，Vin为所述激励信号的幅度，Cr为预设的参考电容值。本发明实施例提供的电容传感器的模拟装置，提高模拟结果精度，降低了成本。

Description

电容传感器的模拟装置

技术领域

本发明涉及电容传感器技术领域，特别涉及一种电容传感器的模拟装置。

背景技术

用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后进行显示或者记录。根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置被称为传感器，而将被测的力学量（例如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器被称为电容传感器。电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易实现非接触测量等特点，可用于激光法、超声波法等测量手段所不能完成的许多场合。从能量转换的角度而言，电容传感器为无源传感器，因而需要借助激励源和检测电路将电容传感器的电容变化量转换为输出电压的电压变化量。

图1是常见的一种电容传感器的检测系统的结构示意图，所述检测系统包括激励源U10、电容传感器组10、切换开关K10以及检测电路，其中，所述电容传感器组包括多个分布在待测位置处的电容传感器，所述检测电路包括运算放大器A10、反馈电容C10以及输入电阻R10。所述检测系统中各器件之间的具体连接关系如图1所示，在此不再赘述。进行力学量检测时，由所述激励源U10提供激励信号。通过改变所述切换开关K10连接的电容传感器，所述检测电路依次将各个电容传感器的电容变化量转换为输出电压Vout的电压变化量。由于待测力学量和所述输出电压Vout之间的对应关系是已知的，根据所述输出电压Vout的电压值可以获得待测力学量。

电容传感器的等效电容不同，对所述检测电路的影响也不一样，因而需要对电容传感器进行模拟。现有技术中通过所述检测电路外接可调的精密电容来模拟电容传感器工作，然而由于可调的精密电容的电容值很小（通常为皮法级），模拟结果易受线路的分布电容影响和外部条件干扰，且可调的精密电容的电容值变化范围小，在模拟过程中依靠手动调节改变可调的精密电容的电容值，上述各种因素导致模拟结果的精度很低。并且，可调的精密电容成本也高。

发明内容

本发明所要解决的是采用可调的精密电容模拟电容传感器成本高、模拟结果精度低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种电容传感器的模拟装置，包括主控制器和至少一个电容模拟器；所述主控制器适于将用户通过上位机设置的仿真电容值转发至所述电容模拟器；所述电容模拟器适于根据激励信号和所述仿真电容值产生仿真信号，所述仿真信号的频率与所述激励信号的频率相同，所述仿真信号的幅度为Vin×（Cs÷Cr），其中，Cs为所述仿真电容值，Vin为所述激励信号的幅度，Cr为预设的参考电容值。本发明实施例提供的电容传感器的模拟装置，基于电压的变化对应电容的变化关系，使用电子技术模拟与实际物理电容等效的变化规律，将电容变化量转换为电压变化量。用户通过上位机设置不同的仿真电容值，可以连续模拟宽范围的电容变化。模拟装置中仿真电容值的变化响应速度快、电容值稳定，电容的分辨率可以达到1pF，提高了模拟结果精度，降低了对电容传感器进行模拟的成本。

可选的，所述电容模拟器包括从控制器、至少一个模拟输入通道以及至少一个模拟输出通道；所述模拟输入通道适于对所述激励信号进行模数转换处理以获得第一数字信号；所述从控制器适于对所述第一数字信号和所述仿真电容值进行数字乘法处理以获得第二数字信号；所述模拟输出通道适于对所述第二数字信号进行信号输出调理适配以获得所述仿真信号。

可选的，所述模拟输入通道包括模数转换器。

可选的，所述模拟输出通道包括数模转换器、带通滤波器、输出接口电路以及参考电容，所述参考电容适于提供所述参考电容值；所述数模转换器适于对所述第二数字信号进行数模转换处理以获得第一模拟信号；所述带通滤波器适于对所述第一模拟信号进行带通滤波处理以获得第二模拟信号；所述输出接口电路适于对所述第二模拟信号进行放大以及驱动能力增强处理以获得第三模拟信号；所述参考电容的一端适于接收所述第三模拟信号，所述参考电容的另一端适于输出所述仿真信号。

可选的，所述输出接口电路包括运算放大器、相位补偿电容、第一电阻以及第二电阻；所述运算放大器的同相输入端适于接收所述第二模拟信号，所述运算放大器的反相输入端连接所述相位补偿电容的一端和所述第一电阻的一端，所述运算放大器的输出端连接所述相位补偿电容的另一端和所述第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的另一端并适于输出所述第三模拟信号。通过设置所述输出接口电路，可以提高线路的驱动能力，适应不同负载需求。

可选的，所述参考电容为聚苯乙烯薄膜电容。

可选的，所述主控制器通过USB接口与上位机连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的电容传感器的模拟装置，使用电子技术模拟与实际物理电容等效的变化规律，可以与自动测试系统融合，提高了线路的驱动能力，测试信号不易受到外部信号干扰，稳定性和仿真结果精度高。使用先进的控制技术，使模拟装置可以适应更高要求的电容传感器的模拟测试要求。

附图说明

图1是常见的一种电容传感器的检测系统的结构示意图；

图2是电容传感器的检测电路图；

图3是图2所示检测电路的一种等效电路图；

图4是图2所示检测电路的另一种等效电路图；

图5是本发明实施例的电容传感器的模拟装置的结构示意图；

图6是本发明实施例的模拟输出通道的结构示意图；

图7是本发明实施例的输出接口电路的电路图。

具体实施方式

图2是电容传感器的检测电路图。激励源U20施加在电容传感器上，提供幅度为Vin的激励信号，由运算放大器A20、反馈电容C20以及输入电阻R20组成的检测电路检测电容传感器的电容C21变化，产生幅度为Vout的输出信号。输出信号的幅度Vout和激励信号的幅度Vin之间的关系可以表示为：

Vout=-Vin×（C21÷C20）······等式（1）

由于激励信号的幅度Vin和电容传感器的电容C21均为变量，二者中任意一个发生变化均会引起输出信号的幅度Vout变化。

将激励信号的幅度Vin看作常量、电容传感器的电容C21看作变量，图3是图2所示检测电路的一种等效电路图，图中各个关系表示为：

ΔVout=-Vin×（ΔCi÷C20）······等式（2）

其中，ΔVout为输出信号的幅度变化量，ΔCi为电容变化量。将激励信号的幅度Vin看作变量、电容传感器的电容C21看作常量，图4是图2所示检测电路的另一种等效电路图，图中各个关系表示为：

ΔVout=-ΔVi×（Cin÷C20）······等式（3）

其中，ΔVi为激励信号的幅度变化量，Cin为固定电容。

由以上对图3和图4的分析可以得出：要使图4可以替代图3的功能，也就是等式（2）和等式（3）中的ΔVout相等，符合以下等式即可：

Vin×ΔCi=ΔVi×Cin······等式（4）

则在图4中电容模拟器的输出可以模拟电容传感器的电容的变化对电信号的影响。由等式（4）推导得到：

ΔVi=Vin×（ΔCi÷Cin）······等式（5）

等式（5）反映出了电压的变化对应电容的变化关系，即将电容变化量转换成了电压变化量。基于等式（5），本发明实施例提供一种图5所示的电容传感器的模拟装置，所述电容传感器的模拟装置包括主控制器51和至少一个电容模拟器。在本实施例中，以包括电容模拟器52和电容模拟器53为例进行说明。

具体地，所述主控制器51适于控制各个电容模拟器与上位机50进行通信，将用户通过所述上位机50设置的仿真电容值转发至各个电容模拟器。进一步，所述主控制器51通过USB接口与所述上位机50连接，所述上位机50为计算机，用户可以通过键盘或者触摸屏输入仿真电容值。所述主控制器51可以为单片机或者FPGA，用于直接控制各个电容模拟器，获取各个电容模拟器的工作状态。各个电容模拟器与所述主控制器51连接，适于根据激励信号和所述仿真电容值产生仿真信号，所述仿真信号的频率与所述激励信号的频率相同，所述仿真信号的幅度为Vin×（Cs÷Cr），其中，Cs为所述仿真电容值，Vin为所述激励信号的幅度，Cr为预设的参考电容值。

本发明实施例提供的电容传感器的模拟装置，基于电压的变化对应电容的变化关系，使用电子技术模拟与实际物理电容等效的变化规律，将电容变化量转换为电压变化量。用户通过上位机设置不同的仿真电容值，可以连续模拟宽范围的电容变化。采用本发明实施例的电容传感器的模拟装置，实现了5pF~450pF电容量的模拟。并且，模拟装置中仿真电容值的变化响应速度快、电容值稳定，电容的分辨率可以达到1pF，提高了模拟结果精度，降低了对电容传感器进行模拟的成本。

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例提供电容模拟器的一种具体结构，所述电容模拟器包括从控制器、至少一个模拟输入通道以及至少一个模拟输出通道。继续参考图5，在本实施例中，以每个电容模拟器包括一个模拟输入通道和一个模拟输出通道为例进行说明。所述电容模拟器52包括从控制器521、模拟输入通道522以及模拟输出通道523，所述电容模拟器53包括从控制器531、模拟输入通道532以及模拟输出通道533。由于所述电容模拟器52和所述电容模拟器53结构相同，下面仅以所述电容模拟器52为例进行说明。

具体地，所述模拟输入通道522与所述从控制器521连接，适于对所述激励信号进行模数转换处理以获得第一数字信号，将所述第一数字信号发送至所述从控制器521。进一步，所述模拟输入通道522包括模数转换器。所述从控制器521从所述主控制器51接收所述仿真电容值、从所述模拟输入通道522接收所述第一数字信号，适于对所述第一数字信号和所述仿真电容值进行数字乘法处理以获得第二数字信号，即所述第二数字信号的幅度等于所述第一数字信号的幅度与所述仿真电容值的乘积，并将所述第二数字信号发送至所述模拟输出通道523。所述从控制器521可以为FPGA芯片，例如，可以为ALTERA公司的EP3C25F324。本领域技术人员知晓如何采用FPGA芯片对所述第一数字信号和所述仿真电容值进行数字乘法处理，在此不再赘述。所述模拟输出通道523与所述从控制器521连接，适于对所述第二数字信号进行信号输出调理适配以获得所述仿真信号。需要说明的是，在本实施例中仅以一个电容模拟器包括一个模拟输入通道和一个模拟输出通道为例进行说明，实际上每个电容模拟器可以包括多个模拟输入通道和多个模拟输出通道，同时模拟多个电容传感器的工作，提高仿真测试效率。

本发明实施例提供所述模拟输出通道523的一种具体结构，如图6所示，所述模拟输出通道523包括数模转换器61、带通滤波器62、输出接口电路63以及参考电容CR。所述参考电容CR适于提供所述参考电容值，即所述参考电容CR的电容值等于所述参考电容值，所述参考电容值可根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作限定。

具体地，所述数模转换器61与所述从控制器521连接，适于对所述第二数字信号进行数模转换处理以获得第一模拟信号。对于具有多个模拟输出通道的电容模拟器，若采用双端口的数模转换器，则每两个模拟输出通道可以共用一个数模转换器。所述带通滤波器62与所述数模转换器61连接，适于对所述第一模拟信号进行带通滤波处理以获得第二模拟信号。通过带通滤波处理，可以滤除数模转换过程中的高频信号。所述输出接口电路63与所述带通滤波器62连接，适于对所述第二模拟信号进行放大以及驱动能力增强处理以获得第三模拟信号。所述参考电容CR的一端适于接收所述第三模拟信号，所述参考电容CR的另一端适于输出所述仿真信号。在本实施例中，所述参考电容CR为聚苯乙烯薄膜电容。聚苯乙烯薄膜电容精度高、温度系数小，能够减小温度的变化对输出信号的影响，保证输出信号的稳定和准确。

本发明实施例提供所述输出接口电路63的一种具体结构，如图7所示，所述输出接口电路63包括运算放大器A1、相位补偿电容C71、第一电阻R71以及第二电阻R72。具体地，所述运算放大器A1的同相输入端适于接收所述第二模拟信号，即所述运算放大器A1的同相输入端连接所述带通滤波器62的输出端，所述运算放大器A1的反相输入端连接所述相位补偿电容C71的一端和所述第一电阻R71的一端，所述运算放大器A1的输出端连接所述相位补偿电容C71的另一端和所述第二电阻R72的一端，所述第一电阻R71的另一端连接所述第二电阻R72的另一端并适于输出所述第三模拟信号。本实施例提供的输出接口电路，可以提高线路的驱动能力，适应不同类型负载需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电容传感器的模拟装置，其特征在于，包括主控制器和至少一个电容模拟器；

所述主控制器适于将用户通过上位机设置的仿真电容值转发至所述电容模拟器；

所述电容模拟器适于根据激励信号和所述仿真电容值产生仿真信号，所述仿真信号的频率与所述激励信号的频率相同，所述仿真信号的幅度为Vin×（Cs÷Cr），其中，Cs为所述仿真电容值，Vin为所述激励信号的幅度，Cr为预设的参考电容值。

2.根据权利要求1所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述电容模拟器包括从控制器、至少一个模拟输入通道以及至少一个模拟输出通道；

所述模拟输入通道适于对所述激励信号进行模数转换处理以获得第一数字信号；

所述从控制器适于对所述第一数字信号和所述仿真电容值进行数字乘法处理以获得第二数字信号；

所述模拟输出通道适于对所述第二数字信号进行信号输出调理适配以获得所述仿真信号。

3.根据权利要求2所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述模拟输入通道包括模数转换器。

4.根据权利要求2所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述模拟输出通道包括数模转换器、带通滤波器、输出接口电路以及参考电容，所述参考电容适于提供所述参考电容值；

所述数模转换器适于对所述第二数字信号进行数模转换处理以获得第一模拟信号；

所述带通滤波器适于对所述第一模拟信号进行带通滤波处理以获得第二模拟信号；

所述输出接口电路适于对所述第二模拟信号进行放大以及驱动能力增强处理以获得第三模拟信号；

所述参考电容的一端适于接收所述第三模拟信号，所述参考电容的另一端适于输出所述仿真信号。

5.根据权利要求4所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述输出接口电路包括运算放大器、相位补偿电容、第一电阻以及第二电阻；

所述运算放大器的同相输入端适于接收所述第二模拟信号，所述运算放大器的反相输入端连接所述相位补偿电容的一端和所述第一电阻的一端，所述运算放大器的输出端连接所述相位补偿电容的另一端和所述第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的另一端并适于输出所述第三模拟信号。

6.根据权利要求4所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述参考电容为聚苯乙烯薄膜电容。

7.根据权利要求1所述的电容传感器的模拟装置，其特征在于，所述主控制器通过USB接口与上位机连接。