引言
有多種測量電容的方法。但只有運(yùn)算電容法適合自動在線測量。應(yīng)用中使用較多的有直流充放電法和交流法。
從信號處理過程來看，充放電法與交流法并無本質(zhì)區(qū)別。
充放電法的信號處理流程如圖1。
相控整流電路對輸入噪聲信號的頻譜產(chǎn)生搬移的作用。低頻噪聲成分被搬移到高頻段，高頻噪聲成分被搬移到低頻段。
相控整流輸出的信號將被送入到低通濾波器中處理。輸出噪聲信號中的高頻成分將被濾除掉。因此，相控整流電路輸入信號中的低頻噪聲不會對最終測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而(2n-1)fc附近的噪聲將被搬移到低頻出，影響最終測量結(jié)果。
為使測量電路有較高的分辨率，應(yīng)使輸入到相控整流電路的信號有較大的幅度，并有較高的信噪比。
前級放大電路，不但將信號放大，同時(shí)也引入了噪聲。放大電路引入的噪聲是由放大電路本身決定的。信號經(jīng)過一級處理電路后，將加入固定幅度的噪聲。因此，在輸出信號幅度一
定時(shí)，信號的信噪比與信號的平均值成正比。
充放電法，在施加方波激勵時(shí)，交流放大輸出的是窄脈沖，信號占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脈沖信號要較大的帶寬，高次諧波兩側(cè)的噪聲也將被相控整流器搬移到低頻段，加大了低頻噪聲。
交流法，使用單頻率正弦信號作為激勵。信號平均值大，因而能得到較高的輸出信噪比。同時(shí)，由于所處理的信號為單一頻率正弦信號，可以使用窄帶帶通放大器，減小放大器引入的噪聲，進(jìn)一步輸出信號的信噪比。
交流法測量變換電路可以得到更高的分辨率。而電路結(jié)構(gòu)并不會比充放電法復(fù)雜。因此選用交流激勵信號來構(gòu)成本測量系統(tǒng)。
激勵電路設(shè)計(jì)
激勵電路輸出固定頻率的正弦波。要求正弦波頻率、幅度、相位恒定，便于同后級相控整流驅(qū)動信號同步，便于在大范圍內(nèi)調(diào)整與相控整流驅(qū)動信號的相對相位。
本設(shè)計(jì)中，使用高精度、低噪聲基準(zhǔn)穩(wěn)壓源保證生成的脈沖信號幅度的穩(wěn)定。使用溫補(bǔ)振蕩器產(chǎn)生高頻高穩(wěn)定度的信號，通過分頻得高頻率穩(wěn)定度、低相位抖動的到控制信號。然后經(jīng)過帶通濾波放大得到激勵信號輸出。
電壓基準(zhǔn)源的選擇
理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該是內(nèi)阻為零，不論電流是流進(jìn)去還是流出來，都應(yīng)當(dāng)保持輸出電壓恒定。內(nèi)阻為零的基準(zhǔn)源是不存在的，然而內(nèi)阻只有毫歐數(shù)量級的基準(zhǔn)源是可以做得到的。基準(zhǔn)源的工作原理、參數(shù)和選擇方法，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)頗為重要的因素。
·基準(zhǔn)源的類型
基準(zhǔn)源主要有齊納二極管、埋入式齊納二極管和帶隙電壓基準(zhǔn)三種。它們都可以設(shè)計(jì)成兩端并聯(lián)式電路或者三端串聯(lián)式電路。
齊納二極管是工作在反向偏置的二極管，需要一個(gè)串聯(lián)的限流電阻。在要求高精度和低功耗的情況下，齊納二極管通常是不適合的。
埋入式齊納二極管集成基準(zhǔn)的噪聲比帶隙式的低，長期穩(wěn)定型好，溫漂小。但是輸出電壓高，大約為6~7V，需要較高的供電電壓。
帶隙式基準(zhǔn)的輸出電壓可以低至1V。現(xiàn)已經(jīng)有1.235V，1.25V，2.048V，2.5V，4.096V，5V的器件。
·電壓基準(zhǔn)源的選擇
選擇電壓基準(zhǔn)源時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對系統(tǒng)的要求，綜合考慮電壓基準(zhǔn)源的技術(shù)指標(biāo)。電壓基準(zhǔn)源的技術(shù)指標(biāo)很多，主要的指標(biāo)是：初始精度、輸出電壓溫度漂移、提供電流以及吸入電流的能力、靜態(tài)電流、長期穩(wěn)定性、輸出電壓溫度遲滯、噪聲等。
噪音是無法補(bǔ)償?shù)恼`差，因而基準(zhǔn)源的噪音應(yīng)當(dāng)?shù)汀?/p>
輸出電壓溫度遲滯現(xiàn)象(THYS)也是一個(gè)不能修正的誤差。THYS是25℃溫度下，由于溫度從熱到冷，然后從冷到熱變化時(shí)引起的輸出電壓的變化。它的幅度與溫度變化的大小成正比。在很多情況下，THYS誤差是不重復(fù)的，它與電路設(shè)計(jì)及封裝有關(guān)。
溫度漂移通常是可以修正的誤差，因?yàn)樗强芍貜?fù)的。高分辨率系統(tǒng)都需要補(bǔ)償。對一個(gè)5V系統(tǒng)，如果要求在整個(gè)商用溫度范圍(0～70℃，以25℃為基準(zhǔn)點(diǎn))保持±1LSB。如果基準(zhǔn)源的漂移為1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV。因此1ppm/℃的性能僅適用于整個(gè)商用溫度范圍內(nèi)的14位系統(tǒng)。常用器件的溫度漂移性能為1ppm/℃到100ppm/℃
長期穩(wěn)定性(LTS)給出了某一種封裝或某類器件中潛在的硅片應(yīng)力或離子遷移的程度。注意在溫度和濕度處在極端狀態(tài)下，電路板清潔度對此參數(shù)有很大的影響。還要注意LTS僅在25℃基準(zhǔn)溫度下有效。
電壓基準(zhǔn)源流出和吸入電流的能力是另一個(gè)重要參數(shù)。大多數(shù)應(yīng)用只需要基準(zhǔn)源對負(fù)載供出電流。許多基準(zhǔn)源不能吸入電流。還需注意基準(zhǔn)源的帶負(fù)載能力。
·高性能基準(zhǔn)電壓源—LTZ1000
LTZ1000和LTZ1000A是一個(gè)具有極高穩(wěn)定性的，帶有溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷涸础］敵鲭妷簽?V；溫度漂移0.05ppm/℃；低頻噪聲1.2mVP-P；長期穩(wěn)定性2mV/胟Hr。
一個(gè)典型的應(yīng)用如圖4。
電壓基準(zhǔn)源的緩沖放大
在這個(gè)環(huán)節(jié)著重考慮運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移和放大器的低頻噪聲。
LTC1250是一個(gè)高性能低噪聲，零溫度漂移運(yùn)算放大器。0.1Hz~1Hz等效輸入噪聲0.75mVP-P；溫度漂移±0.01mV/℃
脈沖形成
脈沖形成的電路原理如圖5。
當(dāng)開關(guān)s閉合時(shí)，運(yùn)算放大器同相輸入端接地，電阻R2并聯(lián)在輸入信號源與地之間，可將其忽略掉。則此時(shí)放大器為單位增益反相放大器。
當(dāng)開關(guān)s斷開時(shí)，由于運(yùn)算放大器輸入端阻抗很高。電阻R2上的電壓降近似等于零，R2可以近似等效為短路。同時(shí)由于放大器兩輸入端虛短的特性，流過電阻R1的電流等于零。因此，R1可以等效為去掉。此時(shí)放大器為單位增益同相放大器。
脈沖信號的形成可以用如下公式表示。
uout=uin·GC
輸
入信號為電壓為5V，并帶有噪聲的直流信號。
控制信號為：
(n=0,1,2...)
輸入電壓為常數(shù)Vref，uout(t)可用傅氏級數(shù)表示為：
可見，輸出信號中含有基波和奇次諧波。濾除掉高次諧波即得到所需的單一頻率正弦激勵信號。正弦信號的幅度由基準(zhǔn)電壓源決定，頻率由控制脈沖決定。
在這個(gè)環(huán)節(jié)，放大器處理的時(shí)交流信號，同時(shí)信號幅度較大，需要著重考慮的指標(biāo)有：噪聲電壓密度，頻率響應(yīng)特性，輸出電壓擺率。激勵環(huán)節(jié)最終輸出的信號將作用在電容(傳感器)上，低頻信號將被濾除掉。同時(shí)放大器的增益很小。因此，放大器的輸入失調(diào)電壓，失調(diào)電流，低頻噪聲等參數(shù)可以不考慮。
放大器選用LT1128。LT1128是一個(gè)單位增益穩(wěn)定的低噪聲運(yùn)算放大器。等效輸入電壓噪聲密度最大值為1.1nV/肏z。增益帶寬積不小于13MHz。輸出電壓擺率5V/ms。
在這里輸出電壓擺率要求不小于。如果取正弦信號頻率為500KHz，則要求放大器的輸出電壓擺率不小于30V/ms。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LT1128的能力。這個(gè)問題采用下面的技術(shù)解決。
電路中的開關(guān)使用一個(gè)N溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)。
大輸出電壓擺幅放大技術(shù)—運(yùn)算放大器復(fù)合
在這個(gè)環(huán)節(jié)要求運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲要盡量小，輸出電壓擺幅、擺率要大，并且大信號開環(huán)增益要大。低噪聲高性能運(yùn)算放大器都不能很好的滿足要求。而這幾項(xiàng)指標(biāo)中，噪聲性能是無法通過補(bǔ)償改善的。通過增加一個(gè)高速的輸出驅(qū)動級(如圖6)可以提高低噪聲放大器的輸出電壓擺率。
在輸出級放大器A2的選取上要考慮輸出電壓擺率要大，放大器帶寬要高，頻率響應(yīng)中相位移動要小。運(yùn)算放大器A2在設(shè)計(jì)通頻帶內(nèi)的相移要小于A1在此范圍內(nèi)的相位裕量值。
輸出放大器的增益值等于要求的電壓擺率除以A1的最小輸出電壓擺率值。
A2放大器選用LT1227。LT1227是一個(gè)電流反饋寬帶運(yùn)算放大器。140MHz帶寬1100V/us輸出電壓擺率。
