CN106546158A

CN106546158A - 一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路

Info

Publication number: CN106546158A
Application number: CN201510606997.XA
Authority: CN
Inventors: 李福霞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-03-29

Abstract

本发明设计了一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路，该电路的前置电路能够有效抑制杂散电容。误差放大器采用对称OTA结构，使得结构简单、输出阻抗高、通频带宽，高频特性好，而且设计灵活，峰值保持电路采用延时采集信号，不需要知道信号峰值的准确相位信息，控制采样的开启时间和复位时间，便能准确地完成信号的峰值提取。克服了现有峰值检波电路提取信号准确度低、信号不稳定，电路结构较为复杂的缺点。

Description

一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路

技术领域

本发明涉及一种峰值检波电路，适用于调幅式电容位移传感器中。

背景技术

随着现代工业信息技术的发展，纳米技术和微机电系统(MEMS)在各行各业中均得到了广泛的应用。在纳米技术中，纳米测量技术、纳米加工技术和纳米结构并列为纳米技术的三大研究主题。纳米测量技术是纳米技术研究的重要组成部分，无论何种纳米测量技术都离不开传感器。传感器是自动测试、控制系统和信息系统的关键基础，其技术水平直接影响到自动化和信息化水平，自动化技术水平越高，对传感器技术依赖程度就越大。目前运用于高精度测量的传感器家族中，进行纳米分辨力测量的传感器主要可分为电容传感器、电感传感器、光干涉传感器三大类。其中，电容式位移传感器以其结构简单、分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强、动态特性好、非接触测量等优点，被广泛应用于高精度的精密加工、高精度定位及高速高精度、大行程机器人的运行定位中。

调幅式电容位移传感器，工作时其载波信号经过幅值运算电路和信号调理电路，传感器位移信号被调制于幅度信息中，然后通过幅值检波将信号从调幅波中解调出来。信号的解调采用模拟方法和数字方法，模拟解调电路的稳定性和精度完全取决于运算放大器、电阻、电容和电感元件的特性，易受外界干扰，稳定性差；而传统的数字解调方法，如数字相敏检波方法，由于解调过程依赖于参考信号，而实际上电路中存在电容、电感器件，会造成调幅信号和参考信号之间的相位关系发生变化而无法准确捕捉调幅信号的峰值，导致幅值解调不准确。载波信号里存在相位的量化误差，为了得到幅度高度稳定的载波信号，一般采用数字合成的方法产生载波信号，而DDS对相位的量化不可避免地存在误差；载波信号经过前置电路和调理电路后形成调幅信号，在此过程中，容性器件和运放的延迟使信号存在相位延迟，加之电子元器件参数易受温度等环境因素影响而导致相位延迟口并不是固定不变，这对准确提取信号峰值造成了极大的困难。因此设计一种能够准确提取信号的调幅式电容位移传感器峰值检波电路非常重要。

发明内容

为了克服现有调幅式电容位移传感器峰值检波电路开环不稳定、信号易出现相位误差、峰值信号不易提取的缺点，提高电容位移传感器峰值检波电路的抗噪性能、提高峰值信号的准确性，本发明设计了一种应用于调幅式电容位移传感器的峰值检波电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在峰值检波电路中设计了重要的三个部分：前置电路、误差放大器，峰值保持电路模块。其中前置电路完成了传感器信号的调制和初步放大，再由单位带通滤波器和交流放大电路组成的信号调理电路对调幅信号进一步去噪和放大处理。能够对杂散电容有效抑制。误差放大器部分采用了跨导运算放大器，可以使得电路结构简单、输出阻抗高、负反馈环路增益增大，输出电压误差减小，而且引入频率校正网络来改善闭环频率响应，使系统具有足够的相位裕度。同时把峰值保持直接应用于调幅式电容传感器的信号解调中，峰值保持电路不需要知道信号峰值的准确相位信息，在信号的峰值过后将峰值信息以直流电压的形式保持，这样控制采样的开启时间和复位时间，便能准确地完成信号的峰值提取。

本发明的有益效果是：前置电路能够有效抑制杂散电容。误差放大器采用对称 OTA 结构，该电路结构简单、输出阻抗高、通频带宽宽，高频特性好，而且设计灵活，峰值保持电路采用延时采集信号，不需要知道信号峰值的准确相位信息，控制采样的开启时间和复位时间，便能准确地完成信号的峰值提取。克服了现有峰值检波电路提取信号准确度低、信号不稳定，电路结构较为复杂的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传感器系统原理图。

图2是前置电路。

图3是误差放大器模块电路。

图4是峰值保持电路。

图3中，M2’、M3’、M2、M3为PMOS管， M0、M1、 M0’、M1’、M4、M5为NMOS管，RS、RS’为反馈电阻。Q1、 Q1’为三极管。

图4中，A1为LF356运算放大器，A2为OP41运算放大器，Q为三极管。

具体实施方式

图1中，整个传感器测量系统可分为三部分，第一部分是前置电路，第二部分是信号调理电路，最后一部分是解调电路。解调电路的输出由数据采集器采集，通过计算采集的数据计算还原出传感器的信号。工作时其载波信号经过幅值运算电路和信号调理电路，传感器位移信号被调制于幅度信息中，然后通过幅值检波将信号从调幅波中解调出来。信号的解调采用数字方法。

图2中，前置电路设计为基于变压器电桥的调幅运算电路，将由电容极板间隙的变化引起的传感器电容值化信息调制至正弦载波信号的幅值信息里，并对传感器信号进行前置放大。A为运算放大器，其同相输入端接地，反相输入端与输出端串联积分电容与电阻。

图3中，输入电压信号Vin1和Vin2 经过作为源极跟随器的 M0、M1 及 M0’、M1’降压后分别送到由共发射极组态的 Q1 和 Q1’组成的差分放大电路，对电压信号进行放大，再将其转换为电流信号。Vin1转换成的电流通过由 M2 和 M3 组成的电流镜镜像为，Vin2转换成的电流通过由 M2’和 M3’组成的电流镜、M4 和 M5组成的电流镜镜像为，输出电流等于和的差值。NMOS 管 M0、M0’的栅极接同一偏置电压，以保证源极跟随器 M1 和M1'的栅源电压相同，从而保证该电路的对称性，减小失配的影响。电路呈对称结构，M3与M4串联，M3的源极接M4的漏极，M0、M1相互串联之后与M3 、M4并联，其中M1的源极接M0的漏极，M2与M3共栅极，且M2的栅极与源极相连之后接Q1的漏极，Q1输出接入电阻RS’。M3’与M4’串联，M3’的源极电感L2、L1然后接M5的漏极，M0’、M1’相互串联之后与M3’ 、M4’并联，其中M1’的源极接M0’的漏极，M2’与M3’共栅极，且M2的栅极与源极相连之后接Q1’的漏极，Q1’输出接入电阻RS’。误差放大器采用对称 OTA （Operational Transconductance Amplifier）作为 PWM 控制电路的误差放大器结构，该电路结构简单、输出阻抗高、通频带宽宽，高频特性好，而且设计灵活，可以设计多端输入、多端输出电路。

图4中，该电路是一个正峰值保持电路，分为两部分，一部分为峰值保持部分，另一部分为复位电路部分。由于电子元器件的特性，该电路工作时有3个延时单元，分别为运放A1、保持器电容C和运放A2。运放A1的直接负反馈被二极管D1阻断，其负反馈是由运放A2的输出Uo经过电阻R2提供；而Uo的输出相比输入延时3个单元，因此运放A1的反馈是延时的。

调幅信号经过整流电路后变成正峰值信号，Uo未达到峰值时，D1截止，D2导通，信号经过运放A1对保持器电容C充电，保持器电压逐渐增大，经过A2电压跟随，Uo输出逐渐增大。由于D1的阻断，使得A1的输出不能反馈给负输入端，经过3个延时单元后反馈给A1。因此，当U1到达峰值时，Uo并没有达到峰值，使得A1负输入端未跟随上Uo，信号进一步放大，导致过充，使得输出峰值高于实际峰值，但D1的存在钳制了信号的进一步放大，极大地抑制了过充。当U1从峰值下降时，某时刻，A1负输入端大于正输入端，此时D1导通，D2截止，A1输出电压被钳制，进入保持状态，等待复位或者输入电压继续增大。

在峰值保持电容C上串接电阻Rc，串接Rc后，第二级运放的输入阻抗增大了Rc倍，使得高频衰减减小，高频响应大大提高。

Claims

1.一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路，包括重要的三个部分：前置电路、误差放大器，峰值保持电路模块；其特征是前置电路完成了传感器信号的调制和初步放大，再由单位带通滤波器和交流放大电路组成的信号调理电路对调幅信号进一步去噪和放大处理，能够对杂散电容有效抑制；误差放大器部分采用了跨导运算放大器，可以使得电路结构简单、输出阻抗高、同时把峰值保持直接应用于调幅式电容传感器的信号解调中，峰值保持电路采用延时采集信号，不需要知道信号峰值的准确相位信息，控制采样的开启时间和复位时间。

2.根据权利要求1所述的一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路，其特征是所述前置电路为基于变压器电桥的调幅运算电路，将由电容极板间隙的变化引起的传感器电容值化信息调制至正弦载波信号的幅值信息里，并对传感器信号进行前置放大，A为运算放大器，其同相输入端接地，反相输入端与输出端串联积分电容与电阻。

3.根据权利要求1所述的一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路，其特征是所述误差放大器模块电路呈对称结构，M3与M4串联，M3的源极接M4的漏极，M0、M1相互串联之后与M3 、M4并联，其中M1的源极接M0的漏极，M2与M3共栅极，且M2的栅极与源极相连之后接Q1的漏极，Q1输出接入电阻RS’，M3’与M4’串联，M3’的源极电感L2、L1然后接M5的漏极，M0’、M1’相互串联之后与M3’ 、M4’并联，其中M1’的源极接M0’的漏极，M2’与M3’共栅极，且M2的栅极与源极相连之后接Q1’的漏极，Q1’输出接入电阻RS’。

4.根据权利要求1所述的一种调幅式电容位移传感器峰值检波电路，其特征是所述峰值检测电路是一个正峰值保持电路，分为两部分，一部分为峰值保持部分，另一部分为复位电路部分，由于电子元器件的特性，该电路工作时有3个延时单元，分别为运放A1、保持器电容C和运放A2，运放A1的直接负反馈被二极管D1阻断，其负反馈是由运放A2的输出Uo经过电阻R2提供；而Uo的输出相比输入延时3个单元，因此运放A1的反馈是延时的。