1、Electronic and Information Engineering, NUIST, Nanjing 210044, ChinaAbstract:With the development of electronic technology, various electronic components used in the field of function, scope of application is also getting more and more broad, measuring small capacitance requirements more accurately.
2、 Design of a precise, reliable, and has great realistic meaning capacitance measurement circuit and convenient. The circuit design of the main idea is the charge amplification method. Circuit comprises a signal generating circuit generates a square wave after the charge will be weak current signal i
3、nto voltage signal. A voltage signal transformed by full wave rectified and low-pass filter circuit for processing finally get the DC voltage signal is very smooth, to send a signal to the microcontroller processing shows the capacitance value. So the circuit is mainly composed of a charge amplifier
4、, a full wave rectifier, three main modules, low-pass filtering. The circuit design by MSP430 MCU control, measure the DC voltage circuit sent the calculated capacitance and the liquid crystal display in addition to the design of the accurate measurement of exterior noise is relatively small, have g
5、reat prospects for development, the future can be widely used in the field of electrical and electronic technology.Keywords：Charge Amplifier,full-wave rectification,low pass filtering,MSP4301绪论 1.1 目前的研究现状目前，国内测量电容的方法有很多，各式各样的电路设计数不胜数。较为多见的测量方法有RLC电桥法，RC振荡器法，电流电压法，运算放大法。对于不同的精度要求用不同的测量方法进行测量。一般要求不是太
6、高的用RC振荡器法最为简洁、方便、易于操作。现在大多数用此方法即能满足需要。然而我们很多时候需要较为精确的得出电容的大小，尤其是测量PF级电容此方法根本满足不了需要。对微弱电容的测量主要是由于电路中存在较多的杂散干扰，干扰电容的变化量大于被测电容的变化量，比较难被检测。下面我来介绍一下电荷放大法微弱电容的检测。 1.2 常见的电容检测设计 电桥法 电桥法一般采用RC或者LC电桥，可以通过调节两边的桥臂的阻抗大小来使得电桥平衡。电桥两端分别输入一样的频率的电压值，振幅相同。通过将电容量的变化变成电压值得变化。经过运放滤除杂波等电路后。得到与待测电容成正比的电压变化量。此方法的精确度较高误差较小。
7、信噪比较高。一般用在精确测量中。但是整个设计对每个电气量的要求比较高很难同时满足电压的幅度和频率的大小，抗杂散能力差并且在实际电路中不一定能达到仿真的效果。 调频法 调频法是基于电容-频率转换的方法来检测所测电容的。与电桥法相同的是调频法也是用RC电路和L-C电路以及Schmitt反相器实现，调频法大的基本原理是把需要测量的电容接入调频电路中，根据谐振频率随电容的变化而变化的多少来反计算电容的值，通过计数电路将频率转变成可测得的电压量。原理如图1-1所示:图1-1调频法原理框图调频法的电路结构比较简单，AD转换比较简单，而且能够选择频率较高的振荡频率，因而电路的灵敏度较高，能与微机直接匹配等。
8、但因为测得的电容是谐振电路的等效电容值，其值还包含了传感器的电容，所以电路的抗杂散电容能力比较差，同时存在频率稳定性差，输出线性不高，低精度，存有温漂现象，需要进行误差补偿等问题。 电荷放大法运放的放大倍数为，且输入阻抗高的特点可以使其作为比较理想的电容测量电路，通常只要、值不小，没什么数值出入，高精确度。整个检测系统的特点是电容检测电路的非线性且能够通过虚短虚地对驱动导线进行屏蔽，缺点主要是因为运放的电源电压比较低，灵敏度受限制输出稳定性受信号发生器稳定性及运放本身的影响。电荷放大法及其改进的电路原理图如图1-2下：图1-2电荷放大电路其中为Cx待测电容,Cf是标准电容，并联Rf反馈电阻，采
9、用交流信号源作为测量的激励源。电荷放大器与普通的运放不一样，因为电荷放大器检测电路跟信号源无关，交流信号输出恒压。关键是影响的因素较少。电荷放大器法的调节能力相当强大。关键是它可以通过对运放的灵活调整以提高电路的精确度，电路抑制寄生电容能力强，灵敏度高，分辨率高，此检测系统需要一个上兆赫兹的信号源并且用高性能的运放，但它的性能更好，分辨率更高。 1.3 设计任务与要求（1）设计用电荷放大器的电容检测电路；（2）电容测量精度能达到10pf；（3）用液晶显示模块直观显示测量结果；（4）基于MSP430为主控芯片的电容检测系统设计。2电容检测系统 2.1 设计框架微小电容对激励源输入信号变化响应很小
10、，要经过转换系统转换为交流信号以方便检测。这就要求信号源的频率和幅度波动要小，交流电压信号还要经过全波整流电路转换为直流信号，再经过低通滤波器得到较为平滑的直流电压信号然后经过ADC模数转换芯片得到数据送给MCU经过计算得到电容值并通过显示电路直观的显示出来。本文的基本原理是电荷放大法，针对微小电容测量的的需要，通过对微弱电容信号量变化的检测研究，提出电荷放大器检测电容方法，并引入了低噪声信号调理概念给电路的普及应用提供了有力优势，其基本原理框图如图2-1所示。 图2-1系统原理流程图本设计的电容检测系分别经过激励源电路然后将激励信号送到电荷放大模块，在把电荷放大器输出的交流信号经过全波整流处
11、理，然后再把交流转换为直流所以还要通过低通滤波器，再将得到的平稳的直流信号经过AD电压采样电路，最后经过430单片机的计算处理然后显示在LCD1602上面。电荷放大电路是整个电容检测电路中的关键电路，该电路设计的抗杂散、抗干扰能力直接决定了整个电容检测电路的测量的精确度。2.2检测系统基本原理电容检测电路在检测电容电路系统中是最重要的部分，因为在电容检测系统中，被测电容变化量极其微弱，并且电路干扰电容很多，因此我们队检测电路的各项性能要求比较严格。本电容检测电路采用的是电荷放大法如下图2-2： 图2-2 电容检测电路此电路的是将电容两端阻抗的变化转换为电压信号的变化。待测电容Cx两端的阻抗值跟
12、反馈电容Cf两端的阻抗值在理想电路的状态下，有以下公式： Uo/Ui=Cx/Cf如果Cf的值不变激励电压Ui也不变，整个电荷放大电路会得到一个与Cf值成比例的电压值，并且跟激励源的振荡频率有关，这也是整个电容检测系统的原理所在。2.3电容检测系统的杂散性分析检测电路的杂散电容会随其他器件参数的更该而相应有响应，这样会减小检测电容电路的性能。由于待测电容的干扰性分析起来比较繁琐，为了方便分析，电路等效为下图所示的简易电路：图2-3C3等效为检测系统里的干扰项。C1、C2是Cx跟零势能点之间的电容，R1、R2等效为导线等效电阻其值均小于1。分析可知，只要设计的信号源频率能够稳定的输出，后面加个功率
13、稳定模块，输出能力稳定，给出适当的参数，电路连接没有问题的话，整个检测系统的抗干扰能力应该可以满足本设计的需要。2.4 T形电阻网络在大于0k的所有温度下，所有的电子都是在处在无规律热运动的平衡下的。因为无规律运动的方向是未知的，所有的即时电流都不相干，因而没有电流能被检测到。然而持续的无规律运动可以发出约翰逊噪声。噪声的大小与器阻值的关系如下： Vn2=4Kb.T.R.B（以V2/Hz为单位）式中，Vn是噪声幅度；Kb=1.3810（-23）J/K；T是温度；R是电阻；B是带宽。在常温下，上面公式可化简为的：V噪声=4下图为50电阻在室温下产生的噪声功率：图2-4 50电阻在室温下产生的噪声
14、功率所以对等效电阻阻值的精度要求较高，本设计加了反馈电阻的是为了使电容在不停的充放电中集成运放不达到饱和状态造成误差干扰项，其电阻取值通常在M的数量级大小，而阻值较大的电阻不稳定，很可能产生温漂，整个检测电路系统的抗干扰能力将会大打折扣。为了提高电路的抗杂散低噪声性能，本设计选择了小阻值大阻抗低噪声的T形电阻来减小噪声的干扰。使得检测电路的性能不减，加了T形电阻网络后的电荷放大检测模块电路如下图所示，图2-5 加了T型电阻后的电容检测电路等效电阻R等效=R1+R2+R1R2/R3，所以只要适当改变两者之间的比值，就能有效的减小电流噪声。若R1=200k，R2=200k,R3=2k，则等效阻值约
15、为10兆。T型电阻网络不仅不需要用大电阻还大大减小了电路噪声的大小，使得电路的信噪比大大提高。 另外，为了确保电路的稳定性，得到精确的测量值，我们应选用精度较高的电阻与电容，同时采用稳压电源进行稳压供电。电路系统中电荷放大器性能做的怎么样将会影响整个检测电路的性能。因此，电荷放大器在电路调试的时候一定要将元件的参数选择好最好都弄成可调的。2.5 电容检测电路Multisim仿真Multisim电路仿真软件是National Instruments公司2007年发行的电子电路设计软件，该软件易于学习和使用，尤其擅长在模拟电路部分的仿真测试，基本上能满足绝大部分的电路模拟。仿真时若想更改元器件或改
16、变元器件参数，只需双击元器件直接更改元器件参数，具有模拟效率高，零成本，效果精确等特点。本设计用Multism软件对个电路模块进行分立仿真分析，逐个单元仿真，这样有助于检测错误的地方，对后续的整体的电路设计和测试具有重要意义。本设计接下来的电路以及之前的电路仿真均采用Multism软件进行仿真。下面的电容检测电路就是在Multisim软件下进行的电路模拟仿真。仿真的截图如下：图2-6电容检测电路Multisim仿真本设计的激励源在仿真电路中用模拟信号发生器取代，正如之前的设定那样，这里我们需要一个激励频率能达到1MHz，峰峰值能到1VPP即能满足本设计系统的激励源需要。在Multisim仿真图
17、中可以直观的看出电荷放大电路对信号的处理效果。下图是电荷放大模块波形在Multisim软件中模拟示波器下的波形图：图2-7电荷放大模块波形3交流信号发生器电路设计3.1信号发生电路信号发生电路是电容检测系统的重要组成部分之一，本设计采用的基本原理是电荷放大器法，而影响其检测电路结果最重要的因素就是激励信号源的波形以及信号的稳定性，包括频率稳定性和幅度稳定性两个方面。3.1.1 信号波形选择信号波形的选择，主要是方波和正弦波两种。本设计中采用的是正弦波，主要考虑如下：因为普通的方波如果信号频率较高，经过运算放大器过后失真度比较大。因为频率分量一直在变化。所以作为信号源信号将会出现较大的失真，不能
18、选作为信号波。所以本设计选择了正弦波，正弦波在波形传输方面能有效减小波形的失真度，从而提高检测系统的性能。3.1.2 常见的信号产生电路按照实现的原理以及电路需要的不同，正弦波信号发生电路主要包括以下几种：（1）RC振荡电路要想建立振荡就是要是电路能产生自激，从而是RC电路产生持续的振荡，由直流电变为交替更改方向的交流信号。对于RC振荡器来说，直流电源就是能量来源。看自己的因素：由于电路中存在噪声，他的频谱分布很广，其中也包括w=w0=1/RC这样一个频分。这种微弱的信号经过运放，不仅输出的幅度加大，经过非线性元件的限制，自动稳定下来，达到平衡时Av=3。振荡频率是由相位平衡条件决定的，只有当
19、f=0，a=0时，才满足相位平衡条件，所以振荡频率取决于f=1/（2Rc）。振荡器要输出正弦波，还要求放大器的增益必须满足起振条件且工作在线性区，否则不起振，输出地波形也是非线性失真的。 采用RC选频网络构成的振荡频率产生电路称为RC振荡电路，它一般适用于低频振荡，一般用于产生1Hz-1MHz的较低频率信号。因为对于RC振荡电路来讲，减小电阻R的大小即可提高输出的频率，而滑动电阻器即可满足需要是无需增加成本，但是缺点就是不是很稳定不能用于精度较高的测量设计。（2）晶体振荡电路晶体振荡器电路可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个电路网络有两个谐振点，以频率的大小分为串联谐
20、振和并联谐振。较低的频率输出是串联谐振电路，较高的频率输出是并联谐振电路。因为晶体自身的晶体特性致使这两个频率值大小相当的接近,在这个极窄的频率带宽内，晶振等效为一个电感元件，所以只要晶振电路的两端并联上适当的减震电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的带宽很小,所以即使其他元件的参数的变化对振荡器的频率不会有太大的影响。（3）锁相环频率合成器电路利用PLL（锁相环）频率合成电路控制振荡器的振荡频率。而且能产生较高的频率。缺点就是电路设计比较繁杂，而且PLL器件比较贵。（4）直接数字式频率合成器简称DDS，近年来在电子行业领
21、域迅速发展起来的DDS频率产生器，几乎能够产生所有的波形信号。得到的信号频率比较高且稳定性较好。3.2 晶体振荡电路本设计对于所产生的正弦波信号只需要单一稳定的频率信号，不需要知道具体的频率值，只要大概在1MHz就能满足本设计的需要。相比RC振荡器而言频率要稳定的多；LC振荡器的页不能满足本设计的需要，在一般情况下，如果电路精度要求不高的电路可以使用RC振荡频器和LC振荡频器，精度和稳定性LC振荡器的温度系数组件是不容易直接实现高精度电路的测量。而DDS技术与数字频率合成器中的振幅和频率稳定性相对于由模拟电路产生的信号的稳定性产生正弦波信号不具有此设计的某些优点。鉴于高品质的晶体振荡器对于环境
22、因素影响的影响很小，越是频率搞得电路越需要频率的稳定性要求在很多的高频信号电路中多采用晶体振荡电路作为信号源的发生电路。本设计电路中的信号发生电路图如下图所示：图3-1晶体振荡电路晶振在振荡频率处应为感性电抗，因此可通过与晶振串联的可调电容对振荡频率进行微调。为晶体管的偏置电阻，这里晶体管的发射极电压大致设为，选定即可。在科尔皮兹振荡电路中，反馈电容之比非常重要，需要选用满足波形与振荡强度两方面要求的值，通常取值在的范围内，电路容易产生振荡。若要得到良好的波形，则电容值较大，但此时振荡不容易稳定，可能导致振荡停止；若要得到振荡稳定的波形，则电容值较小，但此时波形容易失真，为此，需要根据电路反复
23、调试实验进行选择电容值。此外晶振振荡电路仿真过程中起振时间较长，瞬态响应中需要多运行一段时间。仿真结果表明：正弦波晶振电路的频率稳定性很好，长时间内频率保持不变，但实际电路中负载稍有变化时振荡频率发生变化，应用中要在后面接入一电压跟随器。由于在Multisim中无法仿真晶振电路故本设计将不对信号发生电路进行仿真具体结果请直接参见晶体振荡实物图。4 全波整流电路设计4.1 全波整流电路 全波整流电路也叫做绝对值电路，输出电压为输入电压的绝对值。全波整流电路在直流稳压电源电路中很常见，四个二极管构成的整流桥就是最基本的全波整流。不过采用二极管的整流电路由于二极管固有的开启电压的影响，当输入电压较低
24、时会产生很大的误差。输出电压也比输入电压小一个二极管的压降，因此也就只能在稳压电源电路中使用，要是对小信号进行处理，必须采用特性更好的精密全波整流电路。 半导体二极管的单向导电性使得它具有最为直接的整流功能，也是最为常见的整流器件，整流桥是它最为典型的应用。但是因为二极管的导通压降约为0.7V，因此，如果整流的信号幅度低于此导通压降时，电路的整流效果将受很大影响，且二极管的正向导通电压随温度的变化而变化，因此纯碎由二极管构成的整流电路精度肯定是达不到要求的，检测得到的信号误差比较大，进而也会影响后面得到的检测信号的稳定。利用单电源运放的跟随器的工作特性，也可以实现精密全波整流。单电源供电的运放
25、构成的跟随器，当输入信号大于0时，输出跟随输入变化。当输入信号小于0的时候，输出为0。利用这个特性可以构成如下的电路。当输入为正电压时，等效电路如下：输出电阻 Rout = 0Vout = Vin当输入为负电压时，等效电路如下：输入电阻Rin = R1Vout = - R2/R1 * Vin在电路运行时时要小心单电源运放在信号很小时的非线性特性。而且，单电源跟随器在输入负信号时也会有有非线性情况。这些都有可能导致输入波形的失真。另外，输入电阻随输入信号的极性也会发生相应变化，如果R1、R2 不相等，则增益也随输入信号的极性变化。由上面的介绍与本电路设计的电荷放大器后得到的信号相当于就是单电源。
26、需要用运算放大器来构成的整流电路提供电压补偿，这样就能够解决一般二极管整流电路的缺点，可得到较为理想的整流性能，同时整流电路的温度特性也被改善了很多。4.2 全波整流电路的Multisim仿真本设计电路选用ISL55002运算放大器作为整流电路的运放，该芯片具有300MHz的带宽，300的转换速率，能够完成1MHz交流电压的不失真整流,电路如下图所示：4-1全波整流电路本设计电路电荷放大模块后的的全波整流电路由两个高频率增益带宽的ISL55002运放组成，分别负责正反方向的放大作用，然后再经过文氏整流桥进行整流，可以大大减小元件误差的影响。根据后面AD转换电路的基准电压特性，电路设计的增益选为
27、1，即选用两个阻值相等的匹配电阻。综述级电路要求，该全波整流电路可以满足电路整流的需要。但是Multisim软件库中没有ISL55002芯片所以我们选用了与之相似的AD828芯片。仿真的Multisim电路如下图： 4-2全波整流仿真经实际电路测试全波整流后的波形如下图:4-3示波器显示5 低通滤波电路设计5.1 低通滤波器的选择5.1.1低通滤波器的类型选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减慢，一般在对带外衰减性要求不高的场合下选用。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化比较敏感，在这点上它不如压控电压源型二阶滤波器。当要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，这比
28、单纯用带通滤波器要好。5.2.2低通滤波器级数的选择滤波器的级数主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低通或高通电路可获得-6dB每倍频程（-20dB每十倍频程）的衰减，每二阶低通或高通电路可获得-12dB每倍频程（-40dB每十倍频程）的衰减。多级滤波器串接时传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB每倍频程（或mdB每十倍频程）时，则取级数n应满足n大于等于m/6（或n大于等于m/20）。5.2 低通滤波电路及其仿真虽然经过全波整流电路后的电压已经是直流信号，但其中还是会含有较多的谐波成分的干扰，需要通过低通滤波电路处理得到包含待测电容信号的低频直流信号成分
29、使得结果更加精确。因为本设计电路的激励信号的频率设定为1MHz，为了得到直流成分，本文所设计的低通滤波器主要用于滤除频率为2MHz的高频谐波。为了减小带宽的纹波增加过渡带的衰减速率，如果用无源滤波器的话，纹波比较大，衰减速率太慢不能满足高频衰减的需要。即使用串联提高阶次来加快衰减速率，由于受极间耦合的影响，效果会被衰弱。为了能满足需要本设计电路用的是方便测试仿真的有源滤波电路，而且增益效果满足需要，而且参数更改也比较方便。 为了能用较为简洁的电路而又能达到不错的滤波效果，本设计电路选用二阶压控有源滤波器。电路如下图所示： 图5-1低通滤波器该有源滤波器是由两节RC组成的运放电路和一个同相放大器
30、构成，T形电阻满足阻抗需要，几乎没有什么输出电阻。因为前置电路的信号源的频率固定为1 MHz左右，经过仿真调试，本设计的滤波器设计截止频率为2MHz，此电路抗高频干扰效果满足本设计需要。此滤波电路的传递函数 G（s）=全波整流电路后的信号经过低通滤波器后的实际示波器波形如下： 图5-2滤波显示6 AD转换电路及MCU控制电路6.1 AD转换电路 AD转换电路是主要负责电路中数据的采集，主要是负责检测电路得到的直流电压采集后送到单片机转换为数字电压信号，转换后的数据将暂时存放在主控芯片的RAM区内，在上位机需要的时候即可将数据送入MCU芯片内。本设计的电容检测电路中AD采集模块需用的是ADC芯片AD7793。AD7793芯片内部的结构接口如下图所示： 图6-1 AD77
