CN108469551B - 一种多路微小电容信号采集处理电路 - Google Patents

一种多路微小电容信号采集处理电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多路微小电容信号采集处理电路，该采集处理电路包括低通放大模块、多路模拟开关、高通放大模块、显示装置、单片机、偏距点检测模块，所述多路模拟开关的数量为n个，每个多路模拟开关的通道数为m，每个多路模拟开关的一路通道连接一个低通放大模块；每个低通放大模块连接一路微小电容信号；每个多路模拟开关的输出接口经高通放大模块连接单片机的相应模拟输入口，同时每个多路模拟开关的控制端口连接单片机的I/O端口；所述单片机的相应的模拟输入口连接偏距点检测模块；所述显示装置与单片机连接。该采集处理电路能够实现多路同时测量，在实际采集测试中采集速度高且信号稳定，电路复杂度一般，成本较低。

Description

一种多路微小电容信号采集处理电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体是一种多路微小电容信号采集处理电路。
背景技术
科学研究的发展使得对高精度测量、数据采集系统高响应性的要求越来越高，传统的机械式传感器难以满足要求，随着越来越多电子传感器的应用，微小信号采集处理电路成为研究重点之一。
电容式传感器具有温度稳定性好、适应性强、动态响应好等优点，广泛应用于压力、位移、加速度、振动等测量中。目前对电容信号的处理为RC串联回路充放电的方法，然而此方法检测电路复杂，响应速度一般，对多路、高速采集电容信号的要求难以满足。邵学涛等人(邵学涛,李新娥.振荡式微小电容测量电路[J].电子测试,2011(1):50-53.)采用振荡法测量微小电容，将电容的改变转化为输出频率的改变，和RC串联回路充放电方法类似，此方法需计算振荡周期，多路采集困难，高速采集时会存在激励源频率过高带来的易受干扰等消极影响。基于此，本发明提供了一种多路微小电容信号采集处理电路。
发明内容
本发明的目的是针对现有微小电容信号采集处理电路复杂、采集速度慢的问题提供了一种多路微小电容信号采集处理电路。该采集处理电路能够实现多路同时测量，在实际采集测试中采集速度高且信号稳定，电路复杂度一般，成本较低。
本发明的技术方案为：
一种多路微小电容信号采集处理电路，其特征在于该采集处理电路包括低通放大模块、多路模拟开关、高通放大模块、显示装置、单片机、偏距点检测模块，所述多路模拟开关的数量为n个，每个多路模拟开关的通道数为m，每个多路模拟开关的一路通道连接一个低通放大模块；每个低通放大模块连接一路微小电容信号；每个多路模拟开关的输出接口经高通放大模块连接单片机的相应模拟输入口，同时每个多路模拟开关的控制端口连接单片机的I/O端口；所述单片机的相应的模拟输入口连接偏距点检测模块；所述显示装置与单片机连接；
所述低通放大模块由仪表放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2组成，其中第一电容C1一端接入仪表放大器U1的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第一电阻R1一端与偏距电压Vref相连，一端接入仪表放大器U1的反相输入端；第二电容C2和第二电阻R2并联后的两端分别接入仪表放大器U1的反相输入端和输出端；所述仪表放大器U1的同相输入端与微小电容信号相连，输出端接入多路模拟开关的一路通道中；
所述高通放大模块由仪表放大器U3、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和二极管D组成，其中第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4共结点，第三电阻R3的另一端连接多路模拟开关U2的输出接口，第四电阻R4的另一端与偏距电压Vref相连，第三电容C3的另一端接入仪表放大器U3的反相输入端，第四电容C4的另一端连接仪表放大器U3的输出端；第五电阻R5的一端接入仪表放大器U3的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第六电阻R6的两端分别接入仪表放大器U3的反相输入端和输出端；第七电阻R7一端连接仪表放大器U3的输出端，另一端与第五电容C5串联接信号地；与电阻R7连接的第五电容C5的一端和二极管D的正极共结点接入单片机模拟输入口，二极管D的负极与工作电压VDD相连；
所述偏距点检测模块由三极管Q和第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10组成，其中第八电阻R8一端连接三极管Q的基极，一端与电源电压VSS相连；第九电阻R9、三极管Q的集电极和第十电阻R10共结点接入单片机模拟输入口，第九电阻R9的另一端和工作电压VDD相连，第十电阻R10的另一端接地；三极管Q的发射极与偏距电压Vref相连。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点和积极效果：
1)采集处理电路仅使用电阻、电容、运算放大器、三极管等低功耗元件，成本低，采用带通滤波，信号稳定性良好；本申请能8通道同时采集速度可达3KS/s，响应速度为0.1s。
2)通过采集交流信号波谷点的方式得到信号幅值，电路将输入端电容变化转变为输出信号幅值变化，且可利用多路模拟开关进行多路采集，采集频率与方式均可控，适应大多数场合的应用要求。
附图说明
图1为本发明多路微小电容信号采集处理电路中低通放大模块电路图；
图2为本发明多路微小电容信号采集处理电路中多路模拟开关、高通放大模块和单片机电路连接图；
图3为本发明多路微小电容信号采集处理电路中偏距点检测模块与单片机电路连接图；
图4为本发明多路微小电容信号采集处理电路的结构框图。
图中，低通放大模块1、多路模拟开关2、高通放大模块3、显示装置4、单片机5、偏距点检测模块6。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例，具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，但不限制本申请的保护范围。
本发明一种多路微小电容信号采集处理电路(参见图1-4)包括低通放大模块1、多路模拟开关2、高通放大模块3、显示装置4、单片机5、偏距点检测模块6，所述多路模拟开关的数量为n个，每个多路模拟开关的通道数为m，每个多路模拟开关的一路通道连接一个低通放大模块1，则需要m*n个低通放大模块；每个低通放大模块1连接一路微小电容信号；每个多路模拟开关的输出接口经高通放大模块连接单片机的相应模拟输入口，同时每个多路模拟开关2的控制端口连接单片机5的I/O端口；所述单片机的相应的模拟输入口连接偏距点检测模块6；所述显示装置与单片机连接，实现对信号采集处理完之后的实时显示与传输；
其中单片机连接多路模拟开关的控制端口(C1、C2、C3)，用于多路模拟开关的选择，进而控制电路，同时用单片机的模拟输入口进行数据的接收与处理；所述低通放大模块用于低通滤波与放大，高通放大模块用于高通滤波和放大；偏距点检测模块用于检测信号偏距点；
所述低通放大模块(参见图1)由仪表放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2组成，其中第一电容C1一端接入仪表放大器U1的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第一电阻R1一端与偏距电压Vref相连，一端接入仪表放大器U1的反相输入端；第二电容C2和第二电阻R2并联后的两端分别接入仪表放大器U1的反相输入端和输出端；所述仪表放大器U1的同相输入端与微小电容信号相连，输出端接入多路模拟开关的一路通道中；
低通放大模块中的第一电容C1用于和微小电容信号分压，微小电容信号大小为pF级，第一电容C1的大小为0.5nF～3nF；第一电阻R1和第二电阻R2决定放大倍数，第二电容C2与第二电阻R2组成低通滤波器；
所述多路模拟开关的控制端口(C1、C2、C3)分别连接单片机的I/O端口，输出接口接入高通放大模块中第三电阻R3的一端；
所述高通放大模块(参见图2)由仪表放大器U3、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和二极管D组成，其中第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4共结点，第三电阻R3的另一端连接多路模拟开关U2的输出接口，第四电阻R4的另一端与偏距电压Vref相连，第三电容C3的另一端接入仪表放大器U3的反相输入端，第四电容C4的另一端连接仪表放大器U3的输出端；第五电阻R5的一端接入仪表放大器U3的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第六电阻R6的两端分别接入仪表放大器U3的反相输入端和输出端；第七电阻R7一端连接仪表放大器U3的输出端，另一端与第五电容C5串联接信号地；与电阻R7连接的第五电容C5的一端和二极管D的正极共结点接入单片机模拟输入口，二极管D的负极与工作电压VDD相连；
高通放大模块中第三电阻R3和第六电阻R6决定放大倍数，第三电容C3和第四电阻R4组成高通滤波器；二极管D的作用是保护电路，使得单片机模块始终工作在工作电压下。
所述偏距点检测模块(参见图3)由PNP型三极管Q和第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10组成，其中第八电阻R8一端连接三极管Q的基极，一端与电源电压VSS相连；第九电阻R9、三极管Q的集电极和第十电阻R10共结点接入单片机模拟输入口，第九电阻R9的另一端和工作电压VDD相连，第十电阻R10的另一端接地；三极管Q的发射极与偏距电压Vref相连。
本发明一种多路微小电容信号采集处理电路的工作原理是：多路微小电容信号由传感元件提供，电源电压VSS、工作电压VDD均为交流电源；低通放大模块和高通放大模块共同工作对信号进行带通放大，可过滤电路中高低频杂波，如50Hz的工频；将多路模拟开关置于低通放大之后，可有效抑制多路模拟开关自身等效电容及注入电荷对信号稳定性的影响；偏距点检测模块提供触发信号，使得单片机可在信号波谷点开启模拟输入转换，即采集信号的幅值大小。
单片机负责对整个电路的控制，单片机由I/O端口接多路模拟开关(U2)的二进制控制端口，有一个模拟输入口接仪表放大器U3的输出端。单片机初始化后首先给多路模拟开关的二进制控制端口均置0(低电平)，则此时给单片机输入的信号为经过多路模拟开关第0条通道的第0个电容信号，若此时偏距点检测模块管脚电压变化被单片机检测到，即检测到信号过偏距点，单片机则进入中断，在信号波谷点时刻开启A/D转换和保存。然后单片机可依次改变多路模拟开关的多个二进制控制端口的值(1代表高电平)，则此时给单片机输入的信号为多路信号，电路实现了多路信号采集，最后单片机将上述采集到的信号进行处理、传输和显示。
实施例1
本实施例多路微小电容信号采集处理电路包括低通放大模块1、多路模拟开关2、高通放大模块3、显示装置4、单片机5、偏距点检测模块6。供电电源电压VSS为交流电(频率20Khz～40Khz)，电容信号由传感元件产生；每个多路模拟开关的一路通道连接一个低通放大模块1；每个低通放大模块1连接一路微小电容信号；每个多路模拟开关的输出接口经高通放大模块连接单片机的相应模拟输入口，同时每个多路模拟开关2的控制端口连接单片机5的I/O端口；所述单片机的相应的模拟输入口连接偏距点检测模块6；所述显示装置与单片机连接；
所述低通放大模块由仪表放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2组成，其中第一电容C1一端接入仪表放大器U1的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第一电阻R1一端与偏距电压Vref相连，一端接入仪表放大器U1的反相输入端；第二电容C2和第二电阻R2并联后的两端分别接入仪表放大器U1的反相输入端和输出端；所述仪表放大器U1的同相输入端与微小电容信号相连，输出端接入多路模拟开关的一路通道中；
所述高通放大模块由仪表放大器U3、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和二极管D组成，其中第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4共结点，第三电阻R3的另一端连接多路模拟开关U2的输出接口，第四电阻R4的另一端与偏距电压Vref相连，第三电容C3的另一端接入仪表放大器U3的反相输入端，第四电容C4的另一端连接仪表放大器U3的输出端；第五电阻R5的一端接入仪表放大器U3的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第六电阻R6的两端分别接入仪表放大器U3的反相输入端和输出端；第七电阻R7一端连接仪表放大器U3的输出端，另一端与第五电容C5串联接信号地；与电阻R7连接的第五电容C5的一端和二极管D的正极共结点接入单片机模拟输入口，二极管D的负极与工作电压VDD相连；
所述偏距点检测模块由PNP型三极管Q和第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10组成，其中第八电阻R8一端连接三极管Q的基极，一端与电源电压VSS相连；第九电阻R9、三极管Q的集电极和第十电阻R10共结点接入单片机模拟输入口，第九电阻R9的另一端和工作电压VDD相连，第十电阻R10的另一端接地；三极管Q的发射极与偏距电压Vref相连。
本实施例中多路模拟开关采用CD4051多路开关，该器件提供了八通道多路开关，减少了电子元器件的使用，通道选择由单片机控制；单片机型号为STM32F405RGT6，单片机的三个I/O端口接多路模拟开关(U2)的三个二进制控制端口C1、C2、C3，高通放大模块中的仪表放大器U3为OPA2350放大器，低通放大模块中的仪表放大器U1为TLV2464A放大器；偏距点检测模块中的三极管为PNP型三极管。所述显示装置为液晶显示屏。
多路采集时低通放大模块的数量是8n个，n为多路模拟开关的数量，本实施例中n＝1；第一电容C1为0.5nF；
单片机负责对整个电路的控制，单片机由三个I/O端口接多路模拟开关(U2)的三个二进制控制端口C1、C2、C3，有一个模拟输入口接仪表放大器U3的输出端。单片机初始化后首先给多路模拟开关的三个二进制控制端口C1、C2、C3均置0(低电平)，则此时给单片机输入的信号为经过多路模拟开关第0条通道的第0个电容信号，若此时偏距点检测模块管脚电压变化被单片机检测到，即检测到信号过偏距点，单片机则进入中断，在信号波谷点时刻开启A/D转换和保存。然后单片机可依次改变多路模拟开关C1、C2、C3的值(1代表高电平)，则此时给单片机输入的信号为多路信号，电路实现了多路信号采集，最后单片机将上述采集到的信号进行处理、传输和显示。
下表数据为测试采集8个标准电容(表中电容s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8)得到的输出结果，简单换算可得出输出信号幅值；测试中8路电容同时接通采集，激励源信号频率30Khz(正弦电压，幅值2.5V，偏距2.5V)单片机A/D转换频率设为8Khz，各通道所采集值作滑动平均并输出。
此电路能实现多路微小电容信号的采集处理，对于15～60pF之间变化的电容，各路输出信号均有良好的定量反馈；可重复性好，误差小于5％，通过有效标定即可测量具体的电容值。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种多路微小电容信号采集处理电路，其特征在于该采集处理电路包括低通放大模块、多路模拟开关、高通放大模块、显示装置、单片机、偏距点检测模块，所述多路模拟开关的数量为n个，每个多路模拟开关的通道数为m，每个多路模拟开关的一路通道连接一个低通放大模块；每个低通放大模块连接一路微小电容信号；每个多路模拟开关的输出接口经高通放大模块连接单片机的相应模拟输入口，同时每个多路模拟开关的控制端口连接单片机的I/O端口；所述单片机的相应的模拟输入口连接偏距点检测模块；所述显示装置与单片机连接；
所述低通放大模块由仪表放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2组成，其中第一电容C1一端接入仪表放大器U1的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第一电阻R1一端与偏距电压Vref相连，一端接入仪表放大器U1的反相输入端；第二电容C2和第二电阻R2并联后的两端分别接入仪表放大器U1的反相输入端和输出端；所述仪表放大器U1的同相输入端与微小电容信号相连，输出端接入多路模拟开关的一路通道中；
所述高通放大模块由仪表放大器U3、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和二极管D组成，其中第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4共结点，第三电阻R3的另一端连接多路模拟开关U2的输出接口，第四电阻R4的另一端与偏距电压Vref相连，第三电容C3的另一端接入仪表放大器U3的反相输入端，第四电容C4的另一端连接仪表放大器U3的输出端；第五电阻R5的一端接入仪表放大器U3的同相输入端，一端与偏距电压Vref相连；第六电阻R6的两端分别接入仪表放大器U3的反相输入端和输出端；第七电阻R7一端连接仪表放大器U3的输出端，另一端与第五电容C5串联接信号地；与电阻R7连接的第五电容C5的一端和二极管D的正极共结点接入单片机模拟输入口，二极管D的负极与工作电压VDD相连；
所述偏距点检测模块由三极管Q和第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10组成，其中第八电阻R8一端连接三极管Q的基极，一端与电源电压VSS相连；第九电阻R9、三极管Q的集电极和第十电阻R10共结点接入单片机模拟输入口，第九电阻R9的另一端和工作电压VDD相连，第十电阻R10的另一端接地；三极管Q的发射极与偏距电压Vref相连。
2.根据权利要求1所述的多路微小电容信号采集处理电路，其特征在于所述第一电容C1的大小为0.5nF~3nF。
3.根据权利要求1所述的多路微小电容信号采集处理电路，其特征在于所述多路模拟开关采用CD4051多路开关，m=8；单片机型号为STM32F405RGT6，单片机的三个I/O端口接多路模拟开关的三个二进制控制端口C1、C2、C3，高通放大模块中的仪表放大器U3为OPA2350放大器，低通放大模块中的仪表放大器U1为TLV2464A放大器；偏距点检测模块中的三极管为PNP型三极管。
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