CN105652099A - 一种基于开关电路的微电容差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关电路的微电容差检测方法，该开关电路包括可变电压源V1、可变电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出电容、参考电容、放大电路。所述的电子开关S1一端与可变电压源V1相连，另一端与待测传感器输出电容一端相连，待测电容传感器输出电容另一端接地；所述的电子开关S2一端与可变电压源V2相连，另一端与参考电容一端相连，参考电容另一端接地；所述的电子开关S1和电子开关S2并联后与放大电路一端相连，放大电路另一端为输出电压。本发明可实现直接测量电容传感器的输出电容变化量，消除了本底电容对测量结果的影响；本发明测量分辨率取决于电子开关导通次数n，可根据需求实现测量分辨率的连续可变。

Description

一种基于开关电路的微电容差检测方法

技术领域

本发明涉及电容检测技术领域，具体涉及一种基于开关电路的连续可变分辨率电容传感器输出电容变化量检测方法.

背景技术

随着半导体微电子、材料、微机电系统、生物医药等新兴交叉学科的发展及融合，电容传感器得到了广大科研工作者、工程师的重视和研究，被广泛的应用于化工、医疗和制造等行业中.

电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态性能良好和不容易受温度变化影响的优点，可广泛应用于压力、距离和液位等物理量的精密测量中，具有广阔的应用前景.因此，对电容传感器的输出电容进行精确测量十分重要.

然而目前电容测量传感器技术还存在以下两个问题：

一、随着纳米技术的广泛应用，传统电容式位移传感器向高精度，微小型发展，对电容的检测要求越来越高.物理量引起的电容变化非常小，而电容本身的本底电容相对而言非常大.如MEMS电容传感器通常情况下其检测电容在10^-12F，检测电容的变化范围为10^-15F级.再比如说在三维电容式位移传感器的研究中，本底电容高达20pF，但是变化电容只有十几fF.如此微小变化的电容，有用输出信号非常微弱，同时，由于寄生电容的影响，电容传感器信号往往淹没在外界干扰中，增加了测量难度，且杂散电容和寄生电容会随着电路结构、环境温度、内外电场等因素而不同，具有很大的不确定性，如何提高测量灵敏度和信噪比成为微电容式检测的关键.

二、现有的微检测技术按集成度可以分为两种，一种是利用分立元件设计的测量电路.另一种是利用集成芯片设计的测量电路.利用分立元件的检测电路，量程宽，但由于抗干扰性差，分辨率差，一般只有0.1pF.而利用集成芯片的检测技术，分辨率高达0.1fF，但是量程不宽，一般只有几pF.可见，由于传统电容传检测方法本身的设计使得测量的量程与测量分辨率之间是矛盾的关系，要么牺牲分辨率换取量程、要么牺牲量程换取分辨率，这严重限制了传统电容检测方法在测量微小电容变化量中的性能.

综上所述，现有的微电容检测技术存在两个缺点：

(1)传统测量方法测量电容的绝对值，本地电容对输出结果有影响；

(2)传统测量方法量程一旦确定，分辨率不可变.

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于开关电路的微电容差检测方法，将物理量直接转换成了电容的变化量，消除了传感器的本底电容对测量的影响，增大了测量范围，提高了检测灵敏度，实现了对微电容变化量的直接测量.

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一一种基于开关电路的微电容差检测方法，该开关电路包括可变电压源V1、可变电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出电容、参考电容、放大电路。所述的电子开关S1一端与可变电压源V1相连，另一端与待测传感器输出电容一端相连，待测传感器输出电容另一端接地；所述的电子开关S2一端与可变电压源V2相连，另一端与参考电容一端相连，参考电容另一端接地；所述的电子开关S1和电子开关S2并联后与放大电路一端相连，放大电路另一端为输出电压.该检测方法包括如下步骤：

可变电压源V1通过电子开关S1给待测电容传感器输出电容充放电，可变电压源V2通过电子开关S2给参考电容充放电，电子开关S1和电子开关S2并联之后为放大电路供电，当电子开关S1闭合时，电子开关S2断开，当电子开关S2闭合时，电子开关S1断开，通过以下公式计算充放电一次输出的电荷：

V₁C_X-V₂C_R

在放大电路输出端会产生电压：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{C}_X-V_2{C}_R}{C_K}$

那么每充放电一次，就会在放大电路的输入端积累电荷V(C_X-C_R)，充放电n次，就可以累积电荷：

(V₁C_X-V₂C_R)n

累积电荷再通过放大电路可在放大电路输出端产生电压：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{C}_X-V_2{C}_R}{C_K}n;$

在静态时，调节可变电压源V1或可变电压源V2使输出为0；动态时，改变待测电容传感器输出电容C_X，则有输出：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{\mathrm{\ΔC}}_X}{C_K}n$

已知C_K，n，V₁，测量出电压V_OUT，通过公式：

${\mathrm{\ΔC}}_X=-\frac{V_{OUT}{C}_K}{{\mathrm{nV}}_1}$

即可计算得出电容变化量，且测量分辨率取决于电容充放电次数n.

优选地，所述电子开关S1、电子开关S2采用模拟开关电路构成，具有快速开关、低的开关电阻的特征.

优选地，所述变电压源V1、变电压源V2可采用压控可调增益放大器构成，具有大范围线性调节特征.

优选地，所述放大电路采具有高开环增益、低失调电流、低失调电压的放大电路.

本发明具有以下有益效果：

实现了将待测电容的绝对值转换成待测电容的变化量，消除了传感器的本底电容对测量的影响，本发明测量分辨率取决于电容导通次数n，可在不牺牲测量量程的情况可根据需求改变测量分辨率.

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是本发明实施例的具体实施示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明.

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于开关电路的微电容差检测方法，该开关电路包括可变电压源V1、可变电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出电容、参考电容、放大电路.所述的电子开关S1一端与可变电压源V1相连，另一端与待测传感器输出电容一端相连，待测传感器输出电容另一端接地；所述的电子开关S2一端与可变电压源V2相连，另一端与参考电容一端相连，参考电容另一端接地；所述的电子开关S1和电子开关S2并联后与放大电路一端相连，放大电路另一端为输出电压.该检测方法包括如下步骤：

该检测方法包括如下步骤：

可变电压源V1通过电子开关S1给待测电容传感器输出电容充放电，可变电压源V2通过电子开关S2给参考电容充放电，电子开关S1和电子开关S2并联之后为放大电路供电，当电子开关S1闭合时，电子开关S2断开，当电子开关S2闭合时，电子开关S1断开，通过以下公式计算充放电一次输出的电荷：

V₁C_X-V₂C_R

在放大电路输出端会产生电压：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{C}_X-V_2{C}_R}{C_K}$

那么每充放电一次，就会在放大电路的输入端积累电荷V(C_X-C_R)，充放电n次，就可以累积电荷：

(V₁C_X-V₂C_R)n

累积电荷再通过放大电路可在放大电路输出端产生电压：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{C}_X-V_2{C}_R}{C_K}n;$

在静态时，调节可变电压源V1或可变电压源V2使输出为0；动态时，改变待测电容传感器输出电容C_X，则有输出：

$V_{OUT}=-\frac{V_1{\mathrm{\ΔC}}_X}{C_K}n$

已知C_K，n，V₁，测量出电压V_OUT，通过公式：

${\mathrm{\ΔC}}_X=-\frac{V_{OUT}{C}_K}{{\mathrm{nV}}_1}$

即可计算得出电容变化量，且测量分辨率取决于电容充放电次数n

根据上述推导，该电路具有两个特性：(1)通过改变累计次数n可以改变输出电压与电容差之间的比例关系；(2)输出电压增量只与总电荷增量成正比，而无论其在多长时间内完成电荷累计.由这两个特性，可以通过改变开关的时间间隔周期，实现对被测电容差的分辨率的连续调节.

参考图2是针对上述特性的改进电路，主要包括可变电压源V1、可变电压源V2、电子开关S1、电子开关S2、待测电容传感器输出电容、参考电容、放大电路、处理器MCU、LCD显示模块组成，其中：

电子开关S1一端与可变电压源V1相连，另一端与待测传感器输出电容一端相连，待测传感器输出电容另一端接地；所述的电子开关S2一端与可变电压源V2相连，另一端与参考电容一端相连，参考电容另一端接地；所述的电子开关S1和电子开关S2并联后与放大电路一端相连，放大电路另一端为输出电压.

放大电路的输出连接到处理器，处理器产生方控制信号与分别控制电子开关S1、电子开关S2的导通与关断，处理器计数输入引脚与方波振荡器的输出相连，采集开关信号的频率，处理器通过控制算法实现电容的连续可变分辨率测量，同时处理器连接到LCD显示模块显示结果.

电子开关S1、电子开关S2采用德州仪器公司的模拟开关电路TS3A4751，具有极小的开关时间Ton＜18ns以及低开关电阻Ron＜1.5ohm特性.

放大电路采用德州仪器公司的放大器LMP7721，具有最大失调电流20fA，最大失调电压26uV，开环增益120db，转换速率17Mhz特征.

处理器采用意法半导体公司的ARM芯片STM32F103，具有最高可达72M主频以及强大的硬件资源.

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于开关电路的微电容差检测方法，其特征在于，该开关电路包括可变电压源V1(1)、可变电压源V2(4)、电子开关S1(2)、电子开关S2(5)、待测电容传感器输出电容(3)、参考电容(6)、放大电路(7)，所述的电子开关S1(2)一端与可变电压源V1相连，另一端与待测传感器输出电容(3)一端相连，待测传感器输出电容(3)另一端接地；所述的电子开关S2(5)一端与可变电压源V2(4)相连，另一端与参考电容(6)一端相连，参考电容(6)另一端接地；所述的电子开关S1(2)和电子开关S2(5)并联后与放大电路(7)一端相连，放大电路(7)另一端为输出电压；

该检测方法包括如下步骤：

可变电压源V1通过电子开关S1给待测电容传感器输出电容充放电，可变电压源V2通过电子开关S2给参考电容充放电，电子开关S1和电子开关S2并联之后为放大电路供电，当电子开关S1闭合时，电子开关S2断开，当电子开关S2闭合时，电子开关S1断开，通过以下公式计算充放电一次输出的电荷：

V₁C_X-V₂C_R

在放大电路输出端会产生电压：

那么每充放电一次，就会在放大电路的输入端积累电荷V(C_X-C_R)，充放电n次，就可以累积电荷：

(V₁C_X-V₂C_R)n

累积电荷再通过放大电路可在放大电路输出端产生电压：

在静态时，调节可变电压源V1或可变电压源V2使输出为0；动态时，改变待测电容传感器输出电容C_X，则有输出：

已知C_K，n，V₁，测量出电压V_OUT，通过公式：

即可计算得出电容变化量，且测量分辨率取决于电容充放电次数n。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关电路的微电容差检测方法，其特征在于，所述电子开关S1(2)、电子开关S2(5)采用模拟开关电路构成，具有开关次数n可根据需要改变的特征。

3.根据权利要求1所述的基于开关电路的微电容差检测方法，其特征在于，所述可变电压源V1(1)可采用压控可调增益放大器构成，具有大范围线性调节特征。

4.根据权利要求1所述的基于开关电路的微电容差检测方法，其特征在于，所述放大电路(7)采具有高开环增益、低失调电流、低失调电压的放大电路。