微小電容測量方法介紹

充/放電電容測量電路基本原理如圖1所示。



由CMOS開關(guān)S1，將未知電容Cx充電至Ve，再由第二個(gè)CMOS開關(guān)S2放電至電荷檢測器。在一個(gè)信號(hào)充/放電周期內(nèi)從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve·Cx，在時(shí)鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率f=1/T重復(fù)進(jìn)行，因而平均電流Im=Ve·Cx·f，該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑，最后給出一個(gè)直流輸出電壓 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf為檢波器的反饋電阻) 。

充/放電電容測量電路典型的例子為差動(dòng)式直流充放電C/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。



Cs1和Cs2分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容(通過分析可知，它們不影響電容Cx的測量)。S1-S4是CMOS開關(guān)，S1和S3同步，S2和S3同步，它們的通斷受頻率f的時(shí)鐘信號(hào)控制，每個(gè)工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為

Vo=2KRfVeCxf (1)

式中，K為差分放大器D3的放大倍數(shù)。

該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制雜散電容，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，經(jīng)過軟件補(bǔ)償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速度快。缺點(diǎn)是電路采用的是直流放大，存在較大的漂移；另外，充/放電是由CMOS開關(guān)控制，所以存在電荷注入問題。目前該電路已成功應(yīng)用于6、8、12電極的ECT系統(tǒng)中。其典型分辯率可達(dá)3*10-15F。

2 AC電橋電容測量電路

AC電橋電容測量電路如圖3所示，其原理是將被測電容在一個(gè)橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的一個(gè)橋臂，二橋臂分別接到頻率相同/幅值相同的信號(hào)源上，調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，則被測橋臂中的阻抗與參與阻抗共軛相等。這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：精度高，適合作精密電容測量，可以做到高信噪比。



圖3電路的缺點(diǎn)是無自動(dòng)平衡措施，為此可采用圖4所示的自動(dòng)平衡AC電橋電容測量電路。



該系統(tǒng)輸出Vd為一直流信號(hào)，ΔC為傳感器的電容變化量。



式中，2/π為相敏因子。

結(jié)合平衡條件，在理論上輸出Vd可寫成



獲得該電橋的自動(dòng)平衡過程的步驟為：保證電橋未加載時(shí)ΔC=0，測量電橋非平衡值并利用公式(3)計(jì)算出電橋輸出為零時(shí)所需的反饋信號(hào)Ve的值。重新測量橋路的輸出，若輸出為零，則橋路平衡；若輸出不為零，重復(fù)上述測量步驟，直至橋路輸出為零，即橋路平衡為止。該電橋電容測量電路原理上沒有考慮消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等復(fù)雜措施，而且其效果也不一定理想。通過實(shí)驗(yàn)測得其線性誤差能達(dá)到±1*10-13F。

3 交流鎖相放大電容測量電路

交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路基本原理如圖5所示。



正弦信號(hào)Ui(t)對(duì)被測電容進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)電流流經(jīng)由反饋電阻Rf、反饋電容Cf，和運(yùn)放組成的檢測器D轉(zhuǎn)換成交流電壓 Uo(t)：



若jωRfCf>>1，則(4)式為



式(5)表明，輸出電壓值正比于被測電容值。為了能直接反映被測電容的變化量，目前常用的是帶負(fù)反饋回路的C/V轉(zhuǎn)換電路。這種電路的特點(diǎn)是抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.4*10-15F。