关于微弱电容传感信号读取电路技术的探讨

摘 要：近几年微机电系统发展迅猛，微电容传感器的电容信号更加薄弱，其检测技术已经成为了电容式传感器发展和应用的瓶颈。因此，微弱电容传感信号读取电路技术成为了人们关注的焦点。本文主要对微弱电容传感信号的检测方法、基于TDC微弱电容传感信号读取电路技术设计的问题进行研究。

关键词：微弱电容传感；信号读取；电路技术

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）05-0034-02

Discussion on Reading Circuit Technology of Weak Capacitive Sensing Signal

LUO Xiaoming

（Guangzhou Radio and Television Measurement test Co.，Ltd.，Guangzhou 510656，China）

Abstract：The micro electro mechanical system has developed rapidly in recent years，and the capacitance signal of the micro capacitance sensor is weaker. Its detection technology has become the bottleneck of the development and application of the capacitive sensor. Therefore，the weak capacitance sensing signal reading circuit technology has become the focus of attention. This paper mainly focuses on the detection methods of weak capacitive sensing signals and the design of reading circuit technology for weak capacitance sensing signals based on TDC.

Keywords：weak capacitance sensing；signal reading；circuit technology

0 引 言

近年来，随着我国集成电路技术、信息技术以及计算机技术水平的迅速提高，传感技术涉及到的领域越来越广泛。现如今新时代的科学技术发展离不开传感器技术，传感器具有检测、获取以及信息感知的作用，是信息技术快速发展的基础。传感器的组成部分包括转换元件以及敏感元件，转换元件可将待测量转换为不同的输出信号，例如电流、电压以及频率等，而待测量有敏感元件来进行感知。待测量的种类也相对较多，例如力、位移量、速度值以及加速度等，同时与之相应的传感器种类同样较多，比如压力传感器、位移传感器、温度传感器、流量传感器等。可根据转换后的电路参数进行区分，其中包括电感式传感器、电容式传感器以及电阻式传感器。

1 微弱电容传感信号的检测方法

1.1 直流充放电式微弱电容传感器信号检测方式

直流充放电式微弱电容传感器信号检测方式具有避免杂散电容影响测量精度的优势，是一种可用于微弱电容的检测方式，并且具有成本低廉以及电路结构较为简单的优点。与此同时，直流充放电式微弱电容传感器信号检测方式的开关控制频率较高，甚至可达到数兆赫兹，大大提升了数据获取的速度，并且使用软件进行补偿后还可提升测量电路的稳定性。但同时也存在一些不足之处，首先是使用CMOS开关来控制充放电工作，在控制过程中可能会发生电荷注入的现象；其次是使用直流放大，其跟随温度漂移过大。但现如今直流充放电式微弱电容传感器信号检测方式已在各个领域得到广泛的使用，其电路分辨率可达到3fF。

1.2 交流式微弱电容传感器信号检测方法

该方法包括运放式微弱电容传感器信号检测方式以及交流激励式微弱电容传感器检测方式。

首先，交流激励式微弱电容传感器检测方式在对电路进行检测时使用交流激励信号激励待测量电容，之后使用检波器把信号转变为交流电压并进行输出，待测量电容值和输出电压值形成比例关系。电路原理为：正弦发生器产生交流激励信号，由反馈阻抗以及运算放大器组成检测波。交流式微弱电容传感器信号检测方法具有两方面优势：

（1）电路具有直流漂移小、精度高以及信噪比高的优点，同时电路使用了交流放大器以及交流激励，因此避免了因电荷注入而产生的不良影响；

（2）电路还具有较高的抗杂散性能，并且电路中激励信号和杂散电容进行并联，同时运算放大器，反向输入端和杂散电容进行连接，避免两者对输出电压造成影响，具有避免杂散电容影响的优势，但其电路结构较为复杂，并且成本高昂，通常情况下必须对其添加相敏检波单位对电路的稳定性进行提高，这大大增加了电路的复杂程度，并且难以实现稳定的高频激励信号。所以因频率限制问题，此电路只能在低频场合使用。

其次，AC运放式微弱电容传感器信号检测方式使用高频率的正弦信号作为激励信号，并将电阻与电容相并联形成反馈阻抗，给电路提供直流反馈信号，将待测量的电容值与输出交流电压值形成正比关系，最后完成测量。

最后，AC电桥式微弱电容传染信号检测方式具有信噪比高、测量精度高的优点，可应用于对精密电容的检测。电路原理为：将可调阻抗与被测电泳放置在相邻的桥臂上，并且将两个桥臂连接到相同频率以及相同振幅的信号源上，同时调节桥臂中的阻抗，从而使参考桥臂和待测桥臂间处于平衡状态，从而达到共轭相等。

2 TDC微弱电容传感信号读取电路技术的设计问题

其系统总体设计方案由PS021芯片为核心的电容检测模块以及由CPLD为核心的微控制模块两种模块形成。同时，PS021电容检测模块具有施密特触发单元、模拟开关单元以及传感器单元三部分。而CPLD微控制模块具有LCD数据显示单元、RS232串口单元和JTAG接口单元三部分。CPLD微控制模块以及PS021电容检测模块之间可使用SPI总线来进行数据传送活动，其系统的工作原理为：

（1）使用CPLD微控制单元配置PS021芯片内的写寄存器；

（2）使用PS021电容检测模块开展电容检测环节，同时使用SPI总线对CLPD微控制模块进行测量数据的传送活动；

（3）最后使用CPLD进行数据的处理、显示、存储以及分析工作，最后的测量结果可使用RS232串行接口向计算机进行传输，同时进行数据的存储以及分析工作，并且还可使用LCD进行显示。

在进行系统调试时，应使用在10pF以下以及50pF以上的电容检测工作，同时进行系统调试工作以及性能分析工作。在不同测量频率的情况下，开展多次测量工作，并对其数据进行记录、分析，从而获取待测电路中刷新频率以及分辨率和待测电容之间的关系，从而完成对微弱电容的检测工作，完成其设计目标。与此同时，在进行系统调试以及系统设计的过程中，可对数字电路涉及调试的结果进行记录并总结，提升自身的综合技术能力。

3 结 论

本文针对微弱电容传感信号读取电路技术进行了深入探讨，并且开发设计针对时间数字转换器的微弱电容传感信号检测系统，其中包括系统调试功能、软件编程开发环节以及硬件电路设计三部分。同时针对实验室内的使用要求，其电路系统应达到的测量范围为几十到几百皮法，同时测量精度是0.01～0.001pF，可达到实施检测的功能。同时具有电路稳定性良好的优点，避免了分布电容以及杂散电容对整体电路系统造成不良影响。

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作者简介：骆小明（1983-），男，汉族，湖南桂阳人。研究方向：电子、电磁计量。