分布电容对施密特触发器与RC微分电路构成的多谐振荡电路的影响

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001

一、引言

任何两个绝缘导体之间都存在电容。例如导线之间、导线与大地之间，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以也都存在着电容。这种由于电路的分布特点而具有的、非电容形态形成的一种分布参数称之为分布电容[1]，分布电容的存在是不可避免的，但在交流高频电路中，微小的分布电容变化，可能导致电路信号产生明显改变，从而影响正常输出，导致故障发生。

本文分析了实验室废液收集箱电缆连接水箱电极后产生误报警的原因，分析得出，该多谐振荡电路VBJ电压不仅受电极两端电阻变化影响，外界引入分布电容也会改变VBJ电压，电缆连接测试盒和连接水箱上电极产生的分布电容明显变化，这个变化量导致VBJ电压在电极两端阻值未达到报警点的情况下提前报警，发生误报警现象。在分析外界引入分布电容构成后，针对如何消弱分布电容给出具体措施，将分布电容从289pF减弱到48pF，效果明显。

二、检测装置的设计

在实验室废液需要进行收集，一直以来这种收集状态依赖人工定期检测，过程耗时，为此设计了一种检测装置，在线实时检测，并给出报警信号，提示液满。

检测装置为分体式，包括检测电极和检测电路两部分。检测电路设计为可移动的提醒器，安装在操作区，便于获取提醒信号，检测电极安装在待检测的储水箱上，检测电极与检测电路通过带屏蔽皮的电缆连接，进行信号的采集和反馈。

三、检测原理

在一个大气压和25℃条件下，水电解电压为1.23VDC，因此，在长期监测过程，如果使用恒电位工作电路，很容易造成水电解反应，直接影响检测结果。为此设计了采用施密特触发器与RC微分电路构成的多谐振荡电路，为电极两端提供一个方波脉冲电压。检测对象为电极（J1）两端的阻值，检测电路将采集到的阻值转换成电压信号VBJ，当VBJ电压达一定值，电路给出报警信号，提示液满。电路原理图如图2所示。

四、故障现象

在电路调试过程，使用一种测试盒（如图3所示）代替储水箱上的电极J1，测试盒提供一定阻值，模拟电极间阻值，对电路进行调试，并设定阻值为400kΩ时对应VBJ为报警电压。使用此方法调试的报警电路，在实际连接贮水箱进行液满监测时，产生误报警现象，即阻值未达到400kΩ，电路给出液满报警信号。

五、故障分析

公式（1）为施密特触发器周期计算公式，从式中可以看出，R和C都是影响振荡周期的参数，不仅待检测阻值R改变影响振荡电路，外界引入电容对C的改变，也会导致振荡电路周期的变化，从而改变输出信号VBJ。且RC微分电路提供给电极的是交流信号，在交流或高频的工作的情况下，微小的电容量变化，可能会严重影响电路工作[2]：

其中，VT+—正向阈值电压，单位：V；

VT-—负向阈值电压，单位：V；

VDD—电源电压，单位：V。

该电路为分体式设计，水箱、电极通过电缆连接至检测电路。分布电容是由两个存在电压差而又互相绝缘的导体所构成，而用测试盒替代水箱，二者产生的分布电容差异，未被考虑，且长电缆交流控制回路分布电容问题在工程应用中并不少见[3]。分析引起误报警现象的可能因素为分布电容，即等效为图2中的C31、C32和C21。

结合多谐振荡电路特征，通过仿真得出，分布电容C在150pF～350pF之间时，C与VBJ电压的关系如下所示：

其中，VBJ—多谐振荡电路输出电压，单位：mV；

C—外界引入多谐振荡电路总的分布电容值，单位：pF。

由式（2）可以看出，VBJ与C呈正比例关系，分布电容C增加，VBJ电压变大。

用阻抗分析仪对电缆连接测试盒与连接电极时总的分布电容值进行了测试，如表1所示，实测结果可以看出，测试盒虽在理论上模拟了电极两端的阻值，但连接测试盒与连接水箱上电极所产生的分布电容值相差133pF，不可忽视。

表1测试结果带入式（2），求得C从156pF增加至289pF，VBJ电压变大33mV。

表1 电缆连接测试盒和电极时分布电容值

表2 不同阻值下VBJ电压及报警点电压

表2为实验过程电缆连接测试盒时，记录的不同阻值下VBJ电压值，以及设定的报警点。从表2可以看出，当设定阻值小于等于400kΩ时，对应报警点电压大于等于1.198V。在实际使用时，电缆从连接测试盒，改为连接水箱上电极，以410kΩ为例，由于分布电容从156pF增至289pF，导致VBJ电压变大33mV，此时VBJ=1.172V+0.033V=1.205V>1.198V，提前到达报警点电压，因此产生误报警。

计算结果证明，分布电容的引入，可以导致在电极间阻值未达报警值时，产生误报警现象。

六、分布电容的弱化

由于分布电容是客观存在的，无法彻底消除，只能弱化，以避免分布电容对正常检测带来的影响。

电缆长度较短时，它的实际影响可以忽略不计，如果电缆很长或传输信号频率很高时，就必须考虑分布电容的作用[4]。该电路中，产生的两部分分布电容，电缆是主要因素，在设计上采用：

1、电缆屏蔽皮与电源地进行搭接，弱化电缆产生的分布电容。

表3 电缆不同连接状态对应分布电容值

表3为电缆屏蔽皮与电源地搭接前后分布电容和VBJ电压实测值。可以看出，电缆连接电源地后，分布电容明显弱化，有效降低了分布电容的影响。

2、固定电缆长度和型号。

选用固定厂家型号的电缆，并固定电缆长度，报警点调试过程中将电缆分布电容考虑进去，设置合理报警点，并确保调试和最终使用电缆规格一致。

另外，调试过程的测试盒分布电容值应尽量接近实际测试对象，即水箱上的电极，避免因二者电容差引起的故障。

七、结论

本文分析了导致由施密特触发器和RC微分电路构成的多谐振荡电路误报警的原因，同时分析了外界引入分布电容的构成，并给出消弱分布电容影响的措施。为同类型电路相似问题提供参考。