專利名稱：基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信號設備與檢測領域，特別涉及一種適用于快速、低噪聲測定電容基傳感器系統(tǒng)的電路。

背景技術：
當前的電容測試技術多種多樣，包括高精準的LCR測試儀，高精度的一步式電容數(shù)字轉換集成電路，低精度的實驗儀表等等。不同的電容測試技術所基于的技術也不同，因此也具有相應的缺陷。對于高精準的LCR測試儀，雖然精度高，但是其體積龐大，而且價格極其昂貴，主要滿足實驗室的精度需求。高精度的一步式電容數(shù)字轉換集成電路的精度高，價格低，穩(wěn)定性好，但是其處理速度相對緩慢。而普通的實驗儀表，價格低，但是精度過低，速度慢。這些缺點造成了這些測試系統(tǒng)無法檢測一些基于電容技術的傳感器。而此類傳感器的檢測系統(tǒng)需要快速，小型化，低噪音，低成本的準確測試電容值以及電容的變化。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高速、小型、低噪的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路。
本發(fā)明將文氏電橋中的負反饋環(huán)路中的一個或兩個電容由傳感器電容替代，從而將可變電容傳感器集成到文氏電橋中，實現(xiàn)電橋對傳感器電容變化的調制過程。通過利用電橋負反饋電路中的電阻的控制，從而簡便的完成對傳感器工作頻率的調節(jié)與優(yōu)化；文氏電橋的輸出通過鎖相環(huán)進行解調，鎖相環(huán)電路自身的頻率調節(jié)電阻在這里被改造為靈敏度條件電阻，可以有效設定傳感器的敏感度和工作寬容度。同時利用鎖相環(huán)自身具有的二階低通濾波屬性，合理的調節(jié)低通屬性，過濾解調后輸出的電壓。鎖相環(huán)的輸出電壓經過一個放大電路，通過調節(jié)儀表電路的參考電壓達到調節(jié)整個傳感器偏置工作電壓的目的，同時也達到降低輸出阻抗，調整電路增益，改善輸出抗干擾性。
本發(fā)明具體采用如下技術方案 一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括 文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負反饋環(huán)路中的一個或兩個電容為傳感器電容； 鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調節(jié)電阻為靈敏度條件電阻； 模數(shù)轉換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進行模數(shù)轉換。
進一步地，還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉換電路之間的放大電路。
進一步地，所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個或兩個為傳感器電容。
進一步地，所述第一放大元件的型號為LT1354。
進一步地，所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件的型號為74HC4046B，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。
進一步地，所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器。
進一步地，所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。
進一步地，所述放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，所述第三放大元件的型號為AD627，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第三放大元件的負極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。
本發(fā)明具有以下有益效果 1、通過有效的電路結構和調制解調過程，有效降低噪音干擾，極大的提高了測量的精度和敏感度，可測量10-2pF數(shù)量級的電容變化。
2、通過調整電路自身的屬性電阻達到誤差修正，多工作量程設定，偏置電壓調整的目的，降低結構復雜度，無需添加專用的功能模塊。
3、使用通用集成電路芯片，制造成本低廉，相對同一精度的測量儀器，成本大幅下降。
4、將電容傳感器集成進文氏電橋，電容與頻率直接耦合，達到調制的目的，結構簡單。
5、經過簡單調整，整個電路可以移植得到基于電阻變化的檢測系統(tǒng)中。
以下結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。



圖1為本發(fā)明基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路實施例框圖； 圖2為本發(fā)明基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路具體電路圖； 圖3為本發(fā)明實施例中文氏電橋靈敏度分布圖。

具體實施例方式 如圖1所示，一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括 文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負反饋環(huán)路中的一個或兩個電容為傳感器電容； 鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調節(jié)電阻為靈敏度條件電阻； 放大電路，所述鎖相環(huán)電路的輸出端與所述放大電路相連接，用于對鎖相環(huán)電路輸出信號進行放大； 模數(shù)轉換電路，與所述放大電路相連接，用于將放大電路輸出的信號進行模數(shù)轉換。
本實施例用來測定一個電容值為2pF的傳感器的電容變化。這個傳感器用來檢測以1.5m/s移動的生物質的數(shù)量。由于生物質的水分極低且距離較遠，因此電容的變化僅為1％～2％，即20～40fF(10-15F)。
如圖2所示，所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個或兩個為傳感器電容。
其中，第一放大元件選用LT1354，其驅動電壓為+5V。
在本實施例中，電容C11為傳感器電容，而電容C12為電容值接近2pF的固定值貼片電容。電容C11與電容C12在測試敏感度上是不對等的，根據(jù)實驗具體決定較敏感的電容，兩者不可調換。當電容值大于30-50pF時，可以將電容C11與電容C12都使用傳感器電容，這樣可以增加響應敏感度。調節(jié)電阻R11和電阻R12可以調節(jié)電橋的工作頻率，優(yōu)化工作點。最佳工作點的選擇必須通過實驗獲得，理論模型基本失效。圖3為傳感器電容的敏感度分布圖，可以看到不同的電阻R11與電阻R12之間的傳感器敏感度分布情況，由圖判定電阻R11為50KΩ左右，電阻R12為200KΩ左右，再經過實驗微調，將電阻R11、電阻R12分別標定在43KΩ和169KΩ，此時的工作頻率為245KHz。
如果使文氏電橋可以穩(wěn)定工作，則正反饋環(huán)路的放大增益應該為3。正反饋中的電器元件的具體值可通過Pspice計算機軟件仿真獲得，然后通過具體實驗微調，以獲得最佳的震蕩穩(wěn)定性。有關的電氣元件參數(shù)為 如圖2所示，所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件為德州儀器的74HC4046B，其驅動電壓為+5V，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。測試電路的高精度將通過調節(jié)鎖相環(huán)的工作點來實現(xiàn)，即調整電阻R21、電阻R22和電容C21，具體的值通過實驗確定。
本實施例中，所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器，所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。電阻R23和電容C22組成的一階低通濾波電路與鎖相環(huán)電路相結合，形成一個二階低通濾波器。電阻R13和電容C12的具體值可先由理論計算初步獲取，再通過實際測試確定最終值。有關的電氣元件參數(shù)為 所述鎖相環(huán)電路的輸出信號已經為可用的電壓信號，信噪比不低于5，但是還可能存在輸出阻抗偏大，直流偏置嚴重，信號絕對值偏小等缺點，因此為了后期的模數(shù)轉換，增加一放大電路，以同時消除這些缺點。該放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，該第三放大元件選用AD627，其驅動電壓為+5V，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第二放大元件的負極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。其中，所述變阻器R31用于調節(jié)直流偏置電壓，變阻器R32用于調節(jié)電壓增益。變阻器R31和電阻R33的具體值由 特定的電路應用決定。
權利要求
1、一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于包括文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負反饋環(huán)路中的一個或兩個電容為傳感器電容；鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調節(jié)電阻為靈敏度條件電阻；模數(shù)轉換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進行模數(shù)轉換。
2、根據(jù)權利要求1所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉換電路之間的放大電路。
3、根據(jù)權利要求2所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述文氏電橋電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16，第一放大元件、電容C11、電容C12，二極管D11、二極管D22，所述電阻R13串接于所述第一放大元件的正極輸入端與地之間，所述電阻R14和電阻R15串接后連接于所述第一放大元件的正極輸入端和輸出端之間，所述二極管D11正向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述二極管D12反向串接于所述電阻R15一端與第一放大元件的輸出端之間，所述電阻R15的另一端連接于電阻R14和電阻R15之間的連線上，所述電阻R11串接于所述第一放大元件的負極輸入端與地之間，所述電容C11連接于所述電阻R11的兩端，所述電容C12與所述電阻R12串接后連接于所述第一放大元件的負極輸入端和輸出端之間，所述電容C11和電容C12中的一個或兩個為傳感器電容。
4、根據(jù)權利要求3所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述第一放大元件的型號為LT1354。
5、根據(jù)權利要求3或4所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述鎖相環(huán)電路包括第二放大元件，該第二放大元件的型號為74HC4046B，所述文氏電橋電路的輸出信號與所述第二放大元件的引腳14相連接，調制后的信號通過所述第二放大元件的引腳13輸出，所述第二放大元件的引腳R1與地之間連接有電阻R21，所述第二放大元件的引腳R2與地之間連接有電阻R22，所述第二放大元件的引腳CIA與引腳CIB之間連接有電容C21。
6、根據(jù)權利要求5所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述鎖相環(huán)電路與所述放大電路之間還連接有一階低通濾波器。
7、根據(jù)權利要求6所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述一階低通濾波器包括連接于所述第二放大元件的輸出端與所述放大電路輸入端的電阻R23和連接于所述放大電路輸入端與地之間的電容C22。
8、根據(jù)權利要求7所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述放大電路包括第三放大元件、變阻器R31、變阻器R32和電阻R33，所述第三放大元件的型號為AD627，所述變阻器R31和電阻R33串接后接入+5V電極與地之間，所述第三放大元件的負極輸入端連接于所述變阻器R31和電阻R33之間，所述變阻器R32連接于所述第三放大元件的引腳1和引腳8之間。
9、根據(jù)權利要求8所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16的阻值分別為43KΩ、169KΩ、1KΩ、1KΩ、6KΩ、2.4KΩ，所述電容C21為10nF，所述電容C22為1200pF，所述電阻R21、電阻R22、電阻R23的阻值分別為100KΩ、33KΩ、200KΩ。
10、根據(jù)權利要求9所述的基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，其特征在于所述二極管D11和二極管D22的型號為D1N914。
全文摘要
一種基于文氏電橋和鎖相環(huán)的電容傳感器電路，包括文氏電橋電路，所述文氏電橋電路的負反饋環(huán)路中的一個或兩個電容為傳感器電容；鎖相環(huán)電路，所述文氏電橋電路的輸出端與鎖相環(huán)電路的輸入端相連接，所述鎖相環(huán)電路中的頻率調節(jié)電阻為靈敏度條件電阻；模數(shù)轉換電路，與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連接，用于將所述鎖相環(huán)電路輸出的信號進行模數(shù)轉換。進一步地，還包括連接于所述鎖相環(huán)電路的輸出端與模數(shù)轉換電路之間的放大電路。本發(fā)明通過有效的電路結構和調制解調過程，有效降低噪音干擾，極大的提高了測量的精度和敏感度，可測量10-2pF數(shù)量級的電容變化。
文檔編號G01N33/483GK101441236SQ20081020755
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者李海洲 申請人:上海理工大學