电容式雨量传感器信号处理电路的设计

崔天刚，张志伟，于慧彬，漆随平

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266001)



电容式雨量传感器信号处理电路的设计

崔天刚，张志伟，于慧彬，漆随平

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266001)

电容信号处理是电容式雨量传感器的关键技术之一。设计了一种基于双555定时器的电容信号处理电路，该电路将被测电容接入由双555定时器产生的振荡回路中，振荡频率随电容的变化而变化，再经过鉴相、积分、放大电路，输出适宜测量的直流电压信号。通过计算确定出电路参数，并选择适当的元器件，以保证输入电容量与输出电压之间存在线性对应关系。试验结果证实了这一线性关系，说明该电路设计是合理可行的。

555定时器；电容测量；多谐振荡器；单稳态触发器；鉴相电路；线性关系

0 引言

电容式雨量传感器由集雨器、信号处理电路和排水装置3部分组成。集雨器本身是一个电容器，随着集雨器中雨水不断积累，其电容量不断变大，通过测量电容信号的变化，进而计算出降雨量变化。由此可见，信号处理电路成为影响雨量传感器测量精度的重要因素[1-4]。

由于电容变化量通常比较小，直接测量电容量比较困难，常用的方法是将电容变化量转化成易于测量的电信号，通过测量电信号变化，进而计算出对应的电容变化量[5-8]。目前工业中广泛应用的有以下几种电路：

(1)直流冲/放电电容测量电路。它利用两个CMOS开关对被测电容进行周期性冲/放电，通过测量输出电压，计算被测电容量。此电路结构简单，获取数据速度快，但由于采用直流放大，存在较大的漂移[9-10]。

(2)AC电桥电容测量电路。它把被测电容和参考阻抗分别置于两个桥臂，通过调节参考阻抗使桥路平衡。此电路精度和信噪比高，但不具备自动平衡能力[11-13]。

(3)交流锁相放大电容测量电路。它利用交流信号源对被测电容进行激励，经过运放后的激励信号与被测电容呈比例。此电路漂移低，信噪比高，但电路结构复杂，成本高，频率受限[14-15]。

借鉴上述方法的优缺点，设计了一种基于双555定时器的电容信号处理电路，详细阐述了其工作原理及设计方案，并通过试验验证了该电路的可行性。

1 电路设计

信号处理电路原理框图如图1所示。利用555定时器构成振荡电路，产生周期为T的脉冲序列。该序列分为2路，一路输入鉴相整形电路作为基准，另一路作为触发信号输入调制振荡电路。调制振荡电路输出周期为T的脉冲序列，脉冲宽度受接入电路的被测电容调制，且与被测电容呈比例关系。两脉冲序列经过鉴相电路输出包含恒定相位差信息的矩形脉冲。该矩形脉冲再经过积分放大电路，最终输出与被测电容呈一定比例关系的电压信号。

图1 电容信号处理电路原理框图

1.1 振荡电路

采用双555定时器，通过不同的电路连接，分别构成调制振荡电路和基准振荡电路，用以产生调制脉冲序列和基准脉冲序列。

1.1.1 调制振荡电路

调制振荡电路实质上是一个单稳态触发器(如图2所示)。它有一个稳定状态和一个暂稳状态。在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回稳定状态。单稳态触发器输出脉冲宽度tw仅取决于定时元件R、C的取值，即：

tw=1.1×R×C=1.1×R×(C1+Cx)

(1)

图2 单稳态触发器电路

1.1.2 基准振荡电路

基准振荡电路实质上是一个多谐振荡器(如图3所示)，它是一种自激振荡电路。一旦接通电源，其输出端便可获得恒定脉宽的矩形脉冲。矩形脉冲特征参数由电路定时元件R5、R6和C4决定。

图3 多谐振荡器电路

电路振荡周期T为

T=0.7×(R5+2×R6)×C4

(2)

占空比q为

q=(R5+R6)/(R5+2×R6)

(3)

1.2 鉴相整形电路

利用3个二输入施密特触发器组成鉴相整形电路(如图4所示)，将基准脉冲序列和调制脉冲序列的相位差信息检测出来(如图5所示)，再以反相位脉冲序列输出。

图4 鉴相整形电路

图5 鉴相整形电路时序图

根据鉴相整形电路时序分析，输出脉冲宽度t1为

t1=T/2-(T-tw)=tw-T/2

(4)

则输出电压ui(t)为

(5)

1.3 积分放大电路

鉴相整形后的脉冲序列通过RC网络进行积分，转换为直流电压信号，再经由电压串联负反馈网络将信号放大到适宜测量的范围。如图6所示。

图6 积分放大电路图

RC网络的特征参量为

τ=R9×C7

(6)

积分电路输出电压瞬时值uo(t)为

(7)

放大电路闭环电压增益Auf由式(8)确定：

Auf=1+R15/R17

(8)

结合式(2)～式(8)，电路输出直流电压Uo为

(9)

由式(9)可以看出，被测电容Cx与输出电压Uo之间存在线性关系。

2 试验

为了验证上述电路设计的可行性，按照设计参数制作了一块电路样板，并搭建了一套试验装置：包括1组电容值为30 pF的电容、高精度台式数字万用表、直流电源及计算机等。具体试验步骤如下：

(1) 用数字万用表测量电路输入端未并联电容时的输出电压，记为Vo；

(2) 按照30 pF的电容增量依次向电路的输入端并联电容，用数字万用表在输出端测量电压信号，记录每次的输出值Vi(i=1，2，...，11)；

(3) 将试验测量结果和式(9)计算得出的理论值绘制在直角坐标系中，具体结果如表1和图7所示。

表1 试验测量结果

图7 实际测量与理论值的对比结果

经试验数据计算可得：实测曲线与理论曲线的相对偏差仅为1%，说明被测电容量与输出电压之间的确存在线性对应关系，与上述理论分析的结论一致，因此基于双555定时器的电容信号处理电路设计方案是合理可行的。

3 结束语

这种信号处理电路结构简单，成本低，易于实现；测量速度快，测量范围大；准数字(频率信号)输出，易于测量。另外，选择合适参数的元器件，可以有效抑制温度漂移，提高测量稳定性。此电路设计对电容式雨量传感器性能提升具有积极作用。

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Design of Signal Processing Circuit in Capacitive Precipitation Gauge

CUI Tian-gang，ZHANG Zhi-wei，YU Hui-bin，QI Sui-ping

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental monitoring Technology， Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences， National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment， Qingdao 266001，China)

The capacitance signal processing is one of key technologies of capacitive precipitation gauge. A capacitance measuring circuit based on dual 555 timers was designed. The measured capacitance was put in the oscillation circuit produced by the dual 555 timers, and the oscillation frequency could change when the capacitance changed. The oscillation frequency could subsequently be transformed into voltage signal by phase distinguish, integral and amplified circuit. The components and parameters of circuit were chosen by calculation so that the relationship between input capacitance and output voltage could be linear. The linear relationship and the feasibility of the circuit are confirmed by experiments.

555 timer; capacitance measurement; multivibrator; monostable trigger; phase distinguish circuit; linear relationship

国家863计划资助项目(2012AA091801)；山东省科学院科技发展基金资助项目(科基合字(2012)第27号)

2014-01-08 收修改稿日期：2010-10-23

TH89

A

1002-1841(2015)02-0011-03

崔天刚(1983— )，副研究员，博士，主要从事船舶气象技术研究及新型传感器研发工作。E-mail：nsza201@163.com 张志伟(1978—)，副研究员，博士，主要从事机械及自动化控制领域研究。E-mail：zzw@163.com