電容傳感器檢測系統(tǒng)設計
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電壓基準源的緩沖放大 在這個環(huán)節(jié)著重考慮運算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移和放大器的低頻噪聲。 LTC1250 是一個高性能低噪聲，零溫度漂移運算放大器。0.1Hz~1Hz等效輸入噪聲0.75mVP-P;溫度漂移±0.01mV/℃ 脈沖形成 脈沖形成的電路原理如圖5. 圖5 脈沖形成電路原理圖 當開關s閉合時，運算放大器同相輸入端接地，電阻R2并聯(lián)在輸入信號源與地之間，可將其忽略掉。則此時放大器為單位增益反相放大器。 當開關s斷開時，由于運算放大器輸入端阻抗很高。電阻R2上的電壓降近似等于零，R2可以近似等效為短路。同時由于放大器兩輸入端虛短的特性，流過電阻R1的電流等于零。因此，R1可以等效為去掉。此時放大器為單位增益同相放大器。 脈沖信號的形成可以用如下公式表示。 uout=uin·GC 輸入信號為電壓為5V,并帶有噪聲的直流信號。 控制信號為： ?。╪=0,1,2…） 輸入電壓為常數(shù)Vref,uout（t）可用傅氏級數(shù)表示為： 可見，輸出信號中含有基波和奇次諧波。濾除掉高次諧波即得到所需的單一頻率正弦激勵信號。正弦信號的幅度由基準電壓源決定，頻率由控制脈沖決定。 在這個環(huán)節(jié)，放大器處理的時交流信號，同時信號幅度較大，需要著重考慮的指標有：噪聲電壓密度，頻率響應特性，輸出電壓擺率。激勵環(huán)節(jié)最終輸出的信號將作用在電容（傳感器）上，低頻信號將被濾除掉。同時放大器的增益很小。因此，放大器的輸入失調(diào)電壓，失調(diào)電流，低頻噪聲等參數(shù)可以不考慮。 放大器選用LT1128.LT1128是一個單位增益穩(wěn)定的低噪聲運算放大器。等效輸入電壓噪聲密度最大值為1.1nV/Hz.增益帶寬積不小于13MHz.輸出電壓擺率5V/ms. 在這里輸出電壓擺率要求不小于。如果取正弦信號頻率為500KHz,則要求放大器的輸出電壓擺率不小于30V/ms.遠遠高于LT1128的能力。這個問題采用下面的技術解決。 電路中的開關使用一個N溝道MOSFET來實現(xiàn)。 大輸出電壓擺幅放大技術-運算放大器復合 在這個環(huán)節(jié)要求運算放大器的等效輸入噪聲要盡量小，輸出電壓擺幅、擺率要大，并且大信號開環(huán)增益要大。低噪聲高性能運算放大器都不能很好的滿足要求。而這幾項指標中，噪聲性能是無法通過補償改善的。通過增加一個高速的輸出驅(qū)動級（如圖6）可以提高低噪聲放大器的輸出電壓擺率。 在輸出級放大器A2的選取上要考慮輸出電壓擺率要大，放大器帶寬要高，頻率響應中相位移動要小。運算放大器A2在設計通頻帶內(nèi)的相移要小于A1在此范圍內(nèi)的相位裕量值。 圖6 高輸出電壓擺率組合放大器 輸出放大器的增益值等于要求的電壓擺率除以A1的最小輸出電壓擺率值。 A2放大器選用LT1227.LT1227是一個電流反饋寬帶運算放大器。140MHz 帶寬1100V/us輸出電壓擺率。
引言
有多種測量電容的方法。但只有運算電容法適合自動在線測量。應用中使用較多的有直流充放電法和交流法。
從信號處理過程來看，充放電法與交流法并無本質(zhì)區(qū)別。
充放電法的信號處理流程如圖1.
圖1 充放電法的信號處理流程圖
交流法的信號處理流程如圖2.
圖2 交流法的信號處理流程
因此，可以將兩個電路統(tǒng)一起來。信號流程圖如圖3.
圖3 統(tǒng)一的測量變換電路
相控整流電路對輸入噪聲信號的頻譜產(chǎn)生搬移的作用。低頻噪聲成分被搬移到高頻段，高頻噪聲成分被搬移到低頻段。
相控整流輸出的信號將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號中的低頻噪聲不會對最終測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而（2n-1）fc附近的噪聲將被搬移到低頻出，影響最終測量結(jié)果。
為使測量電路有較高的分辨率，應使輸入到相控整流電路的信號有較大的幅度，并有較高的信噪比。
前級放大電路，不但將信號放大，同時也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號經(jīng)過一級處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號幅度一定時，信號的信噪比與信號的平均值成正比。
充放電法，在施加方波激勵時，交流放大輸出的是窄脈沖，信號占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號要較大的帶寬，高次諧波兩側(cè)的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段，加大了低頻噪聲。
交流法，使用單頻率正弦信號作為激勵。信號平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時，由于所處理的信號為單一頻率正弦信號，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器引入的噪聲，進一步輸出信號的信噪比。
交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結(jié)構(gòu)并不會比充放電法復雜。因此選用交流激勵信號來構(gòu)成本測量系統(tǒng)。
激勵電路設計
激勵電路輸出固定頻率的正弦波。要求正弦波頻率、幅度、相位恒定，便于同后級相控整流驅(qū)動信號同步，便于在大范圍內(nèi)調(diào)整與相控整流驅(qū)動信號的相對相位。
本設計中，使用高精度、低噪聲基準穩(wěn)壓源保證生成的脈沖信號幅度的穩(wěn)定。使用溫補振蕩器產(chǎn)生高頻高穩(wěn)定度的信號，通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動的到控制信號。然后經(jīng)過帶通濾波放大得到激勵信號輸出。
電壓基準源的選擇
理想的電壓基準源應該是內(nèi)阻為零，不論電流是流進去還是流出來，都應當保持輸出電壓恒定。內(nèi)阻為零的基準源是不存在的，然而內(nèi)阻只有毫歐數(shù)量級的基準源是可以做得到的?；鶞试吹墓ぷ髟?、參數(shù)和選擇方法，對于系統(tǒng)設計是一個頗為重要的因素。
基準源的類型
基準源主要有齊納二極管、埋入式齊納二極管和帶隙電壓基準三種。它們都可以設計成兩端并聯(lián)式電路或者三端串聯(lián)式電路。
齊納二極管是工作在反向偏置的二極管，需要一個串聯(lián)的限流電阻。在要求高精度和低功耗的情況下，齊納二極管通常是不適合的。
埋入式齊納二極管集成基準的噪聲比帶隙式的低，長期穩(wěn)定型好，溫漂小。但是輸出電壓高，大約為6~7V,需要較高的供電電壓。
帶隙式基準的輸出電壓可以低至1V.現(xiàn)已經(jīng)有1.235V,1.25V,2.048V,2.5V,4.096V,5V的器件。
電壓基準源的選擇
選擇電壓基準源時，應當針對系統(tǒng)的要求，綜合考慮電壓基準源的技術指標。電壓基準源的技術指標很多，主要的指標是：初始精度、輸出電壓溫度漂移、提供電流以及吸入電流的能力、靜態(tài)電流、長期穩(wěn)定性、輸出電壓溫度遲滯、噪聲等。
噪音是無法補償?shù)恼`差，因而基準源的噪音應當?shù)汀?/font>
輸出電壓溫度遲滯現(xiàn)象（THYS）也是一個不能修正的誤差。THYS是25℃溫度下，由于溫度從熱到冷，然后從冷到熱變化時引起的輸出電壓的變化。它的幅度與溫度變化的大小成正比。在很多情況下，THYS誤差是不重復的，它與電路設計及封裝有關。
溫度漂移通常是可以修正的誤差，因為它是可重復的。高分辨率系統(tǒng)都需要補償。對一個5V系統(tǒng)，如果要求在整個商用溫度范圍（0~70℃，以25℃為基準點）保持±1LSB.如果基準源的漂移為1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV.因此1ppm/℃的性能僅適用于整個商用溫度范圍內(nèi)的14位系統(tǒng)。常用器件的溫度漂移性能為1ppm/℃到100ppm/℃
長期穩(wěn)定性（LTS）給出了某一種封裝或某類器件中潛在的硅片應力或離子遷移的程度。注意在溫度和濕度處在極端狀態(tài)下，電路板清潔度對此參數(shù)有很大的影響。還要注意LTS僅在25℃基準溫度下有效。
電壓基準源流出和吸入電流的能力是另一個重要參數(shù)。大多數(shù)應用只需要基準源對負載供出電流。許多基準源不能吸入電流。還需注意基準源的帶負載能力。
高性能基準電壓源-LTZ1000
LTZ1000和 LTZ1000A是一個具有極高穩(wěn)定性的，帶有溫度補償?shù)膮⒖茧妷涸础］敵鲭妷簽?V;溫度漂移0.05ppm/℃；低頻噪聲1.2mVP-P;長期穩(wěn)定性2mV/kHr.
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