数控切割机调高器系统的微电容测量电路设计

张晓辉， 马殿光， 徐青菁， 唐厚君

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)



数控切割机调高器系统的微电容测量电路设计

张晓辉， 马殿光， 徐青菁， 唐厚君

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

设计了一种应用于数控切割机调高器系统的微小电容容值测量电路，采用多谐振荡器产生方波，将电容的容值转化为频率数字信号，抗干扰能力强，处理速度快。对方波进行差频和倍频处理，故电路的温度漂移小，分辨率和灵敏度高。经过理论分析和实验证明，电路的测量效果良好，符合设计要求。

调高器；微电容测量；多谐振荡器；差频；倍频

0 引 言

数控激光切割机在工作过程中会遇到钢板高低不平的情况，为了防止割枪(也称割炬)与钢板产生碰撞损坏割枪，以及保持割枪与钢板的距离稳定不变，以得到较好的切割质量，需要使用自动调高器来控制割枪高度[1]。激光调高器通过测量割枪内层的金属部分与钢板间形成的微电容来判断割枪的高度，实时与高度设定值进行比较，从而控制割枪高度保持恒定。由于实际的等效电容仅为pF级别，普通的电容测量电路的分辨率无法满足实际要求。另外，调高器系统需要快速采集当前电容值并实时进行处理，所以这种电容测量需要很高的实时性。而目前较为成熟的一些应用于电容触摸屏的微电容测量芯片处理速度需要几十甚至几百毫秒，无法满足实时性的要求。因此，需要设计一种微电容测量电路，要求该电路具备分辨率和灵敏度高、温度漂移低、电路处理速度快以及电路简单、易于集成等特点。

本电路采用将电容量直接转化为方波频率数字量的方法，使用两个相同的多谐振荡器电路产生方波，然后对两个方波进行差频操作，得到的方波进行倍频后得到最后的输出频率。

1 方波发生环节

方波发生环节的核心为多谐振荡器电路，本电路使用的核心器件为555定时器。555定时器的优点是成本低、性能可靠、在组成多谐振荡器时所需外接电阻和电容数量少[2]。

555定时器内部包括由三个相同阻值的电阻组成的分压器、两个电压比较器、一个基本RS触发器、一个放电管和一个缓冲器[3]。分压器对电源电压Vcc进行分压，得到的两个电压2Vcc/3和Vcc/3分别作为两个比较器的比较电压。比较器将THRES和TRIG脚输入电压分别与两个比较电压比较，得到的输出电压控制RS触发器的状态，通过缓冲器输出，同时控制放电管的导通和截止。

本电路中555定时器工作在多谐振荡器模式(如图1所示)，THRES和TRIG脚短接，其输入电压值即为电容C两端的电压值。电源接通后，电源通过RA和RB给电容C充电，使电容C两端电压值上升，当电压值达到2Vcc/3后，RS触发器复位，输出变为低电平，同时放电管导通。此时电容C开始通过RB、DISCH脚、内部放电管、GND脚的路径放电，两端电压值下降。当电压值达到Vcc/3后，RS触发器置位，输出变为高电平，同时放电管截止。此时电容C重新开始充电，如此循环往复，输出端就可以得到一个周期性方波。

图1 多谐振荡器原理图

由于电容C充电时的路径为RA、RB和C，因此电容C两端电压从Vcc/3上升到2Vcc/3所需时间为：

t1=(RA+RB)Cln2

(1)

而电容C放电时的路径为RB和C，因此电容C两端电压从2Vcc/3下降到Vcc/3所需时间为：

t2=RBCln2

(2)

从而输出的方波周期为：

t=t1+t1=(RA+RB)Cln2+RBCln2=

(RA+2RB)Cln2

(3)

由此，可得频率为：

(4)

2 差频环节

用单个555芯片构成的多谐振荡器虽然能够产生方波，但当被测电容较小时，电路的分辨率不高。并且外界温度变化时，外围电路的温度漂移会导致输出频率随温度发生变化。因此需要对电路进行改进。

针对以上问题，采用差频的方法对电路进行改进。即使用两个相同的多谐振荡器电路产生相近的频率，其中一个多谐振荡器的对固定参考电容进行测量，另一个多谐振荡器对被测电容进行测量。再对两个频率做差。由于两个多谐振荡器电路所处的环境相同，因此两个电路由温度变化导致的输出频率变化也完全相同，这时对两个输出频率做差即可消除输出结果中的干扰。另外，由于差频环节不改变被测电容引起的输出频率变化量，而减小了输出频率的绝对值，相当于提高了测量电路的灵敏度。

为了最大程度上保证两个多谐振荡器电路环境相同，改用556芯片代替555。556芯片实际上就是两个555定时器集成在了同一个芯片上。而固定参考电容的具体值可由被测电容的实际值确定，即选择接近被测电容的电容值，但应使被测电容产生的频率值略大于参考电容产生的频率值，在差频环节中相当于用被测电容产生的频率减去参考电容产生的频率作为最终输出。实际操作中可设置多个参考电容，并通过旋钮或拨码开关选择档位。

差频环节由CD4013芯片实现[4]。CD4013包含两个相互独立的D触发器。D触发器具有数据输入(1D)、时钟输入(1CP)和原码输出端(1Q)[5]。在时钟输入信号达到上升沿时，触发器将数据输入信号的逻辑电平传送到原码输出端(1Q)。

在本电路中，被测电容产生的方波从数据输入端1D输入，参考电容产生的方波从时钟输入端1CP输入，原码输出端1Q输出的波形频率即为1D输入的波形频率减去1CP输入的波形频率。

下面分析实现差频环节的原理。记数据输入端方波为VD，其频率、周期为fD、TD，时钟输入端方波为VCP，其频率、周期为fCP、TCP，输出端方波为VQ，其频率、周期为fQ、TQ。由电路设定可知TCP>TD，定义两个周期之差为ΔT，即:

ΔT=TCP-TD

(5)

首先考虑在理想情况下的分析(如图2所示)，假设VD和VCP占空比均为50%，TD为ΔT的整数倍，设倍数为整数n，即

TD=nΔT

(6)

并设在t0时刻VD和VCP同时达到上升沿，此时VQ应输出低电平，在t0+TCP时刻，VCP再次达到上升沿，但VD上升沿要先于VCP出现，因此此时VD为高电平，VQ输出变为高电平。

在t0+nTCP时刻，VD比VCP超前一个周期，再一次同时达到上升沿，因此在t0+(n+1)TCP时刻，VQ输出再次变为高电平。由此可知，VQ的周期为:

(7)

① t0；② t0+TCP；③ ；④ ；⑤ t0+nTCP；⑥ t0+(n+1)TCP图2 差频电路波形(上图n为偶数，下图n为奇数)

即:

(8)

因此有:

fQ=fD-fCP

(9)

在非理想情况下，TD不为ΔT的整数倍。仍然假设在t0时刻VD和VCP同时达到上升沿，取一个足够长的时间段T，则在t0时刻到t0+T时刻的这段时间内，VCP出现了T/TCP个上升沿，VD出现了T/TD个上升沿，因此VD比VCP超前了T/TD-T/TCP个周期。与上文的分析类似，可知VQ出现了T/TD-T/TCP个上升沿。只要T足够大，使得不大于TQ的误差相对于T来说可以忽略，则可近似认为VQ的频率为：

(10)

3 倍频环节

为了进一步提高测量电路的分辨率，在差频环节之后使用倍频环节。倍频环节放大输出频率值的同时，也放大了被测电容值变化引起的输出频率变化量，从而达到提高分辨率的效果。

倍频环节采用锁相环CD4046、计数器CD4040来实现。

CD4046是一种CMOS微小功率锁相环芯片。基本的锁相环系统由三部分组成：相位比较器、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)，三部分连接在一起组成一个闭环频率反馈系统[6]。芯片的输入信号和压控振荡器输出的反馈信号输入相位比较器，相位比较器对这两个信号的相位和频率进行比较，产生一个正比于这两个信号的相位和频率差的误差电压。这个误差电压经过低通滤波器滤波之后输入到压控振荡器的控制输入端，并控制压控振荡器的输出频率变化。由于是负反馈系统，控制输入端的输入信号的变化方向可以减少压控整荡器输出频率和芯片输入信号频率之间的频率差。当两个频率足够接近之后，锁相环的闭环性质迫使压控振荡器的输出频率与芯片输入信号锁定，即两个频率完全相同。

在本电路中，为了实现倍频的功能，将压控振荡器的输出信号经过分频器进行分频后再作为反馈信号输入相位比较器，这样在锁相环锁定之后，芯片输入信号将与分频后的信号频率相等，此时压控振荡器的输出即为分频前的信号，相当于由芯片输入信号倍频得到的信号[7]。

本电路中的分频部分由计数器CD4040实现，CD4040是一种CMOS 12级纹波进位二进制计数器。计数器CD4040的基本功能是对输入信号的脉冲数进行计数，同时用以12位二进制数的形式将结果输出[8]。而如果只取其中一位输出，就可以得到与输入方波频率相关的方波。例如取最低位输出，得到的将是频率与输入方波完全相同的方波，而取第二位时，由于最低位每计数两次进位一次，因此频率为其一半。依此类推，第n位输出的方波频率为输入方波的1/2n-1，即实现了2n-1分频。

4 结束语

在556芯片组成的两个多谐振荡器电路中，记被测电容和参考电容分别为C和C1，计数器CD4040的分频倍数设置为n倍，则电路最终输出的频率值f与被测电容C的关系为：

(11)

完整的电路原理如图3所示。

图3 完整电路原理图

图4 实际电路输出波形

在实测电路中，设置RA和RB分别为10 kΩ和30 kΩ，倍频环节倍数为64倍，对数控切割机的割枪与钢板间的电容进行测量。当割枪高度为0.2 mm时输出波形如图4所示，割枪高度从0.1 mm移动到10 mm过程中输出频率值曲线如图5所示。枪头高度每增加0.1 mm，输出频率值增加至少40 Hz，因此可以成功地对高度进行分辨。

图5 电路测量结果

本电路中所有芯片的延迟时间均不足1 μs，因此电路响应速度较快，可达微秒级。

经过理论分析和实际电路验证，本电路能够成功测量微电容的电容值，在数控切割机电容调高器系统中的高度分辨率小于0.1 mm，符合设计要求。

[1] 邹爱成,王群英,张云.基于微电容检测技术的数控切割机自动调高系统研究[J].机床与液压,2014,42(18):80-82.

[2] 文华兵,陈常婷,刘频.基于NE555方波脉冲发生器的设计及应用[J].现代电子技术,2014,38(11):138-139.

[3] Texas Instruments.XX555 Precision Timers [EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ne555.pdf, 2014-09-15.

[4] 程坤,黄庆安,秦明,等.一种简单实用的差频方法原理研究及应用[J].电子器件,2006,29(2):473-475.

[5] Texas Instruments. CD4013B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4013b.pdf, 2015-03-11.

[6] Texas Instruments. CD4046B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4046b.pdf, 2003-06-27.

[7] 曾素琼.锁相环CD4046的应用设计及研究[J].电子质量,2012,33(1):72-75.

[8] Texas Instruments. CD4020B, CD4024B, CD4040B Types [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4040b.pdf, 2013-12-11.

Design of a Micro-capacitance Measurement Circuit for the Height Adjustment System of the CNC Cutting Machine

Zhang Xiaohui, Ma Dianguang, Xu Qingjing, Tang Houjun

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The design of a micro-capacitance measurement circuit applied to the height adjustment system of the CNC cutting machine is introduced. This circuit, containing a multi-vibrator to generate square waves and transfer capacitance to digital frequency signal, has strong anti-interference ability and high processing speed. The difference frequency and frequency multiplication section ensures low temperature drift and high resolution and sensibility. Theoretical analysis and experiments indicate that the circuit has good measurement results and conforms to the design requirements.

height adjuster; micro-capacitance measurement; multi-vibrator; difference frequency; frequency multiplication

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.010

TM934.23

A

1000-3886(2016)04-0030-03

张晓辉(1990-)，男，山东潍坊人，硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动，数控技术，嵌入式开发。

定稿日期: 2015-12-17