微小差分电容检测电路设计
微小差分电容检测电路设计
摘 要
电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。
关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容
Design of measured circuit about micro differential capacitive
Abstract
The capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as
displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of
capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in
the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance
measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including
methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro
differential capacitance sense is introduced in the text. The experiment results show a
good correspondence with the theoretical analysis. The basic principle of the method and
the principle of choose the parameters in the circuit are provided and test conclusion is
given. The measurement is free of stray immune capacity, low-cost and easy for
realization.
Key word: differential capacitance, high frequency signal, capacitive sensor,
stray-immune capacitance
目 录
1 绪论 1
1.1 电子测量技术的发展 .............................................. 1
1.1.1 电子测量的特点 ................................................ 1
1.1.2 常用的几种电容测量方法 ........................................ 2
1.2 课题研究的目的和意义 ............................................ 3
1.3 本课题的任务和内容 .............................................. 4
2 电容式传感器 5
2.1 电容传感器的分类 ................................................ 5
2.1.1 变极距型电容传感器 ............................................ 6
2.1.2 变面积型电容传感器 ............................................ 8
2.1.3 变介电常数型电容传感器 ........................................ 9
2.2 电容传感器的特点 ............................................... 10
2.2.1 优点 ......................................................... 10
2.2.2 缺点 ......................................................... 10
2.3 应用中存在的问题 ............................................... 11
2.3.1 附加损耗 ..................................................... 11
2.3.2 边缘效应 ..................................................... 12
3 电容电压转换电路 13
3.1 变压器电桥 ..................................................... 13
3.2 二极管T型网络 ................................................. 13
3.3 谐振法 ......................................................... 14
3.4 差动脉冲调宽电路 ............................................... 14
3.5 运算放大器电路 ................................................. 16
4 两种微小电容检测的方法 17
4.1 直流充放电法 ................................................... 17
4.2 高压双边交流激励法 ............................................. 18
5 消除寄生电容的屏蔽技术 20
5.1 增加传感器原始电容值 ........................................... 20
5.2 传感器的接地和屏蔽 ............................................. 20
5.3 集成化 ......................................................... 20
5.4 “驱动电缆”技术 ............................................... 20
5.5 运算放大器法 ................................................... 21
5.6 整体屏蔽 ....................................................... 21
6 电路设计与Multisim2001仿真分析 23
6.1 测量原理 ....................................................... 23
6.2 电路设计 ....................................................... 24
6.2.1 高频信号发生器 ............................................... 24
6.2.2 C/V转换及放大电路 ............................................ 24
6.2.3 全波整流 ..................................................... 29
6.2.4 低通滤波 ..................................................... 30
7 结论 34
附录 微小差分电容检测电路图 35
参考文献 36
致谢 38
外文文献原文
译文
1 绪论
1.1 电子测量技术的发展
测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是人们认识和改造自然的一种不可缺少的手段。在自然界中，对于任何被研究的对象，若要定量地进行评价，必须通过测量来实现。在电子技术领域中，中肯的分析只能来自正确的测量。
电子测量是电子工业的基础，也是一般工业不可或缺的重要测量手段，第二次世界大战以后，电子测量技术和测量仪器蓬勃发展，电子测量技术在电子领域开始成为一门独立的学科。20世纪70年代以后，数字技术、锁相技术、频率合成技术、采样技术等的发展，促进了电子测量技术的发展。在此以后，对电子测量技术推动最大的要算微电子技术、计算机技术和软件技术的长足发展。
电子测量涉及到极宽频率范围内所有电量、磁量以及各种非电量的测量。目前，电子测量不仅因为其应用广泛而成为现代科学技术中不可缺少的手段，同时也是一门发展迅速、对现代科学技术的发展起着重大推动作用的独立学科。从某种意义上说，近代科学技术的水平是由电子测量的水平来保证和体现的；电子测量的水平，是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。
1.1.1 电子测量的特点
同其他的测量相比，电子测量具有以下几个突出的特点；
1) 测量频率范围宽
电子测量除测量直流电量外，还可以测量交流电量，其频率范围可低至10-4Hz，高至1012Hz左右。但在不同的频率范围内，即使测量同一种电量，所需要采用的测量方法和测量量仪器也往往不同。
2) 仪器测量范围广
量程是仪器所能测量各种参数的范围。电子测量仪器具有相当宽广的量程。例如，—台数字电压表、可以测出从纳伏(nV)级至千伏(kV)级的电压，其量程达12个数量级；一台用于测量频率的电子计数器，其量程可达17个数量级。
3) 测量准确度高
电子测量的准确度比其他测量方法高得多，特别是对频率和时间的测量，误差可减小到10-13量级，是目前人类在测量准确度方面达到的最高指标。电子测量的
基于MS3110的微电容加速度计信号处理电路的设计与实现
第２８卷第３期 ２０１０年９月 １ｌ集成屯路通讯 ＪＩＣＨＥＮＧＤＩＡＮＬＵ ＴＯＮＧＸＵＮ Ｖｏ１．２８ Ｎ０．３ Ｓｅｐ．２０１０
基于ＭＳ３ １ １０的微电容加速度计信号处理电路的设计与实现
乔伟 刘鹏
（中国兵器工业第２１４研究所 蚌埠 ２３３０４２）
摘 要 三明治式电容微加速度计利用检测微弱差分信号的原理实现对加速度计的应用，但由 于工艺等方面的原因可能导致无法准确的对该微弱信号进行检测，进而致使后续电路无法正常应用。通 常的检测方法可能存在一些噪声和稳定性上的缺陷。本文采用一种通用的电容读出芯片ＭＳ３１１０实现 对电容式微加速度计的检测，检测前使用单片机将程序写入该芯片，调节其内部参数，使之具有艮好的 线性度及灵敏度状态。实验结果表明该芯片可满足一定输入范围内的电容差分信号，并具有较好的对称 性。 关键词 微加速度计 ＭＥＭＳ 单片机 ＭＳ３１１０
１ 引 言 ２ 差分电容检测原理
ＭＥＭＳ技术以其微型化的优势，在汽车、电 子、家电、机电等行业和军事领域越来越突显出广 阔的应用前景，尤其是近些年来航天与武器装备 技术的不断发展，更加要求电子系统小型化、低成 本和高可靠。电容式加速度计由敏感质量块和固 定壳体两部分组成。敏感质量块所承受的加速度 使其产生位移，导致电容的变化，采用测量电路将 电容变化转换成电压变化，从而将被测非电量信 号转换成电信号。由于微加速度计结构的微型化， 其电容量一般只有几个ｐＦ，电容变化量则更小，因 此要求检测电路能够检测微小信号。本文采用的电 容式微加速度计结构为典型的三明治结构（如图１ 所示），采用Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ公司的电容检测芯片 ＭＳ３１１０作为检测电路．并使用单片机实现对该芯 片的内部参数的调节，使其能够正常工作。
ｆ’１厂——————１—————］ ．皇三＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＃；ｄ． ’’ ■＿＿０■■■●■●■●ｐ’ ＿＿・ ＿． ‘、 ， ． ｒ ●■———■■●■■———■——■ 一 、＾Ｉ＇ ｉ Ｉ： ＝＝二＝二＝二卜————．＿Ｊ ●－—－—－・——－－—－・—・－——－－－－－＿—－－—－—－－．， ．一 图１ 三明治电容式微加速度计结构 Ｍ 如图１所示， 为敏感质量块，与上下固定电 极构成差分电容。当外部加速度为０时，质量块位 于中间位置，Ｃ１：Ｃ２＝ＣＯ．当有加速度作用于加 速度计时，敏感质量块偏离平衡位置，相对于极板 间的原始距离 ，产生位移Ａｄ．假设产生向上的 位移，则有： ＣＩ＝南， 南 （１）
电容容值检测电路
电容容值检测电路
摘要：
1.电容容值检测电路的概述
2.电容容值检测电路的工作原理
3.电容容值检测电路的组成部分
4.电容容值检测电路的应用实例
5.电容容值检测电路的优缺点分析
正文：
一、电容容值检测电路的概述
电容容值检测电路是一种用于检测电容器容值的电路系统，广泛应用于各种电子设备中，如电视机、收音机、放大器等。电容容值检测电路的目的是确保电子设备中的电容器具有稳定的工作性能，防止因电容器故障而引发设备故障。
二、电容容值检测电路的工作原理
电容容值检测电路的工作原理主要基于电容器的充放电特性。当电容器两端的电压发生变化时，电容器的充放电速度也会发生变化。通过检测电容器的充放电速度，可以间接测量电容器的容值。
三、电容容值检测电路的组成部分
电容容值检测电路主要由以下几个部分组成：
1.电容器：作为被检测对象，需要检测其容值。
2.充放电电阻：控制电容器的充放电速度，以实现对电容器容值的检测。
3.检测电路：对电容器的充放电过程进行检测，从而得出电容器的容值。 4.显示电路：将检测到的电容器容值显示出来，以便于用户查看。
四、电容容值检测电路的应用实例
电容容值检测电路广泛应用于各种电子设备中，以下是一个典型的应用实例：
在电视机中，电容容值检测电路用于检测行输出变压器的电容器容值。当电容器的容值发生变化时，电视机可能出现图像抖动、失真等问题。通过电容容值检测电路，可以及时发现电容器的故障，并进行维修或更换，从而保证电视机的正常工作。
五、电容容值检测电路的优缺点分析
优点：
1.检测精度高：电容容值检测电路可以精确检测电容器的容值，确保电子设备的稳定工作。
2.应用范围广：电容容值检测电路可用于各种类型的电容器，适用于多种电子设备。
3.结构简单：电容容值检测电路的结构相对简单，易于实现和维护。
缺点：
1.受温度影响较大：电容容值检测电路的工作性能受温度影响较大，需要在一定温度范围内工作。
本科毕业设计-基于电容传感器的微小位移测试系统的设计
济南大学毕业设计
- I -
毕业设计
题 目 基于电容传感器的微小位移
测试系统的设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及自动化
班 级 机自0702
学 生 王云海
学 号 20070403206
指导教师 马玉真
二〇一一年五月三十日 济南大学毕业设计
- 1 - 1 前言
1.1 选题的意义
近几年的机械发展从传统化向科技化发展，以致是无论在试验室测试还是机械工业生产应用中，其生产要求的提高，使得人们对物体测量位移尺寸的要求也变得越来越高，甚至在必要时要精确到微米级甚至是纳米级，但传统的测量工具已经逐渐的落伍，如皮卷尺、直尺和千分尺都已经不能满足要求，一些大型实验室的精密仪器可以测量，但是价格昂贵，不能普及。随着现代科学技术的发展，针对位移特别是微小位移的测量方法应时代的发展，如雨后春笋般出现，基本上现在的位移测量和信号分析大多是靠电子仪器来实现的。对于这种情况，本课题寻求的是设计一种结构简单且廉价的微位移测量系统。
随着机械工业的迅猛需要，在大位移的测量逐渐满足不了测量要求的时候，这就促使着测量技术逐渐的向微小位移测量的方向发展。其测量方式也发生着本质性的改变，由以前粗略的纯手工测量转变为较为精准的系统化标准测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为更为先进的光电技术参与的复杂测量。当前技术水平下的传感器系统正迈入飞速发展阶段，并且开始向着多功能化、微小型化、和系统化的方向发展。今后，随着CAD技术、单片机技术、信息理论及数据分析算法的继续成熟发展，未来的传感器系统必将变得更加多功能化、普遍化、微型化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术大肆发展、并应用于现实的当今社会，作为现代科学最为有力并应用最为广泛的传感器技术，并且是作为人们可以更快的获取并分析利用有效的各种信息的基础，传感器技术必将会进一步得到社会各界的广泛关注并注定会承载着其在未来需要发挥的作用。传感器的市场必将在未来的发展中更加壮大、也会显现出它在各个领域的威力。
一种差动电容传感器转换电路的设计与仿真
• 140
•ELECTRONICS WORLD・技术交流设计一种差动电容式位移测量传感器转换电路，主要对差动电容的检测模型以及差动容量检测电路进行仿真研究。转换电路设计主要包括正弦信号发生电路，二极管环形检波电桥，差分放大电路，二阶有源低通滤波电路和缓冲零点调整电路。最后，利用Multisim14软件对设计的电路进行了仿真，并对实验数据进行了分析。最终结果证明设计电路仿真可行，数据可靠，测量范围内具有良好的线性度。与其他类型的传感器相比，电容式传感器具有结构简单，非接触式测量容易，动态响应快等优点（张瑞，梁庭，熊继军，等.小量程MEMS电容式压力传感器的研究与发展：电子技术应用，2015）。广泛用于力/压力，加速度，位移，湿度和其他测量。与非差分电容传感器相比，差分电容传感器的灵敏度增加了一倍（彭益武，李国辉.电容式传感器的设计方法探讨：芜湖职业技术学院学报，2013），线性度变得更好。本研究正是在这样的背景下，充分借鉴前人研究成果的基础上，设计并仿真一套适合差动电容传感器的转换电路，适用于微位移测量，对被测量引起的微弱电容变化反应准确。1.差动电容传感器的工作原理和检测模型传感器是具有三极板结构的差动可变面积传感器，采用图1所示的结构，活动极板B处于中间，两边为固定极板AC，校装时三极板应严格保持平行，表面尽可能光滑。当选用较大尺寸极板面和较小极距时，忽略电容边缘效应的影响，极板间形成的电容值C1和C2为：(1)其中，ε—介质介电常数；Si—两极板间的正对面积；d—动极板与固定板之间的距离当动极板位移为0，即极板B在极板AC中间时，a1=a2；电容C1=C2；当动极板片向右侧移动Δx时，电容会相应变化： (2)灵敏度K
为： (3)从等式(1)，(2)和式(3)可以看出，差分结构具有线性，其灵敏度是普通可变参数类型的两倍。并且通过差分方法抑制共模干扰信号，并且增强了电容传感器的稳定性可靠性，因此本文设计的电路将围绕差分可变面积结构开展研究（黄伟波.新型差动式多层环形电容测微仪设计：华侨大学，2017）。图1 差动式变面积型电容传感器结构图2.转换电路设计本文所设计的电容传感器测量转换电路主要包括信号发生模块、二极管环形检波电桥电路、放大电路、二阶低通滤波电路和缓冲调零电路部分，电源电路为各功能电路供电，总体结构如图2所示。图2 差动电容传感器转换电路结构框图2.1 正弦信号发生电路正弦信号发生电路由集成运放和阻容网络形成的文氏桥振荡电路，电路如图3所示，此电路具有元件简单、实用低成本等特点（彭文中.差动电容式位移传感器的仿真研究：传感器世界，2011）。二极管的作用是在起震后自动调节反馈深度，从而实现稳幅和改善波形的作用。本电路信号源设计目标频率为10kHz，属于低频信号，但在Multisim软件总调仿真中出现了严重卡顿现象，测试无法正常进行，为此文中以交流电源V1代替该电路，配置参数F=10kHz，Vpk=5v，如电路原理图4所示。图3 正弦信号发生电路一种差动电容传感器转换电路的设计与仿真枣庄科技职业学院 朱
微小差分电容检测电路设计-任务书
中 北 大 学
毕业设计（论文）任务书
学 院、系： 信息与通信工程学院
专 业： 通信工程
学 生 姓 名： 学 号：
设计(论文)题目： 微小差分电容检测电路设计
电路设计
起 迄 日 期: 2006年3月1日~2006年6月15日
设计(论文)地点: 电子工程系
指 导 教 师:
系 主 任:
发任务书日期: 2006年3月1日
任务书填写要求
1．毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在系的负责人审查、系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；
2．任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；
3．任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写；
4．任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；
5．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。
毕 业 设 计（论 文）任 务 书
1．毕业设计（论文）课题的任务和要求：
1、学习传感器设计基本原理；
2、学习研究微小电容差分检测技术；
3、查阅10篇以上文献，其中至少3篇外文资料；
2．毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
1、查阅与本课题相关的技术资料，并写出文献综述；
2、学习研究微小电容差分检测技术；
3、实验。
毕 业 设 计（论 文）任 务 书
非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计
９０ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１２年第３１卷第２期
非硅ＭＥＭＳ电容式微加速度计的测控电路设计
张运奎，崔峰，万镇，刘 武，张卫平
（上海交通大学微纳科学技术研究院，微米／纳米加工技术国家级重点实验室，上海２００２４０）
摘要：为了提高ＭＥＭＳ微加速度计的量程和抗过载能力，设计了基于ｕＶ—ＬＩＧＡ技术的非硅ＭＥＭＳ电容 式微加速度计。针对该加速度计，设计了基于相敏解调的差分电容测控电路。检测通道主要由前置级电 荷积分放大电路、带通滤波电路、相敏解调器、低通滤波以及电平转换电路组成，反馈通道由低通滤波和加 法电路组成。完成了微加速度计测控电路的调试和检测通道的标定实验，实验表明：检测通道的量程约为 ±６ ｐＦ，灵敏度为８９．３ ｍＶ／ｐＦ，线性度为２．５９％，满足加速度计检测通道的要求。 关键词：微机电系统；微加速度计；差分电容；测控电路；标定 中图分类号：Ｖ２４１．４，ＴＰ２１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１２）０２－００９０－０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆｏｒ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
ｍｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎ．ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳ
ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ—ｋｕｉ，ＣＵＩ Ｆｅｎｇ，ＷＡＮ Ｚｈｅｎ，ＬＩＵ Ｗｕ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｎｏ／Ｍｉｃｒｏ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ ａｎｄ Ｎａｎｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｏｖｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＭＥＭＳ ｍｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａ ｎｅｗ ｎｏｎ—ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＶ—ＬＩＧＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈａｓｅ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ，ｐｈａｓｅ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ａｄｄｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｅ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ａｂｏｕｔ±６ ｐＦ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ８９．３ ｍＶ／ｐＦ，ａｎｄ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｉｓ ２．５９％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｍｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
微小差分电容检测电路设计
微小差分电容检测电路设计
摘 要
电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等物理量的精密测量中。由于受结构限制，其输出电容信号很小，一般为几pF至几十pF，精密测量其值更小，因此其后续测量电路的选择与设计非常关键。本文简要介绍了传统及现有小电容测量方法，重点设计了一种用于微小差分电容检测的交流放大电路，阐述了此方法的基本原理及参数的选取原则。实验结果和理论分析具有良好的一致性，并仿真出了实验结果，该电路具有抗寄生电容能力强、容易实现、成本低等优点。
关键词：差分电容，高频信号，电容传感器，抗寄生电容
Design of measured circuit about micro differential capacitive
Abstract
The capacitive sensor widely used in precision measuring physical quantity such as
displacement, vibration, angle and acceleration. For the structure limit, the output of
capacitance sensor is very small, about several pF to several dozens pF, and smaller in
the precision measurement, so it is important to select and design the capacitance
measurement circuit. Several techniques for measuring of small capacitance including
methods with tradition are briefly overviewed. A kind of AC amplifier circuit for micro
lm358差分放大电路设计
- 1 - lm358差分放大电路设计
LM358差分放大电路是一种常用的电路设计，它可以将微小信号放大并转换为可读取的电压信号。为了设计一个有效的LM358差分放大电路，需要考虑多个因素，包括输入信号源、放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等。
首先，输入信号源应该与差分放大电路匹配，并且信号源的输出应该是稳定的，并且具有足够的幅度。其次，放大倍数应该根据需要进行调整，以确保可读取的电压范围内的最大输出信号不会超出输入信号源的范围。此外，输入阻抗应该足够高，以避免对信号源的影响，而输出阻抗应该足够低，以避免加载效应。
为了实现这些目标，可以采用一些常见的LM358差分放大电路设计方法，例如使用负反馈电路、添加稳定电容、使用高质量电容和电阻等。此外，还可以使用仿真工具进行模拟和测试，以确保设计的效果符合要求。
总之，LM358差分放大电路设计是一项重要的任务，需要仔细考虑各种因素，并使用适当的方法和工具进行实现和优化。
交流差分采样电路工作原理
交流差分采样电路工作原理
差分采样电路主要用于测量信号的差值或差分部分，其工作原理如下：
1. 差放电路：差分采样电路通常由两个差分放大器组成，分别为A和B。这两个放大器的输入端分别与被测信号接入。放大器A的输出端将连接到反馈电阻R1，而放大器B的输出端将连接到反馈电阻R2。这种设计可以使得差分输入信号的共模幅度被抑制，从而只放大差分信号。
2. 储存电荷：差分采样电路中的电容器C1和C2用于储存信号的电荷。在采样期间，电容器C1充电，而C2被放电。这样，电容器C1和C2就会分别储存被测信号的两个采样值。
3. 选择开关：采样过程需要通过选择性的连接和断开开关来实现。在采样期间，选择开关会将被测信号接入到电容器C1，并将电容器C2与地连接，使其放电。在保持期间，选择开关会切断被测信号的输入，并通过将电容器C1与电容器C2连接在一起，使其共享电荷。
4. 读取输出：在保持期结束后，电容器C1和C2中储存的电荷会通过放大器A和B放大。放大器A和B的输出差值将通过一个差动放大器进行放大，并通过一个低通滤波器进行滤波处理。最后，输出信号可以通过数字转换器（ADC）进行数字化。
通过上述的步骤，差分采样电路实现了对信号差值或差分部分的采样和放大，从而克服了共模干扰的影响，提高了信号采样的准确性和精度。
硅电容式压力传感器信号检测方法
化工自动化及仪表 第４Ｏ卷
硅电容式压力传感器信号检测方法
莫世雄ｈ 刘 仁¨ 李模刚
（】．中国石油兰州石化公司ａ．仪表厂；ｂ．计量中心，兰卅Ｉ ７３００６０；２．兰州石化职业技术学院，兰州７３００６０）
摘 要 通过检测ＲＣ回路的充、放电时间来判断电容大小，当传感器受压电容稳定时，充、放电时间维 持不变；当传感器受压电容变化时，充、放电时间改变。由单片机的Ｉ／０引脚控制模拟开关，与电压比较 器一起构成３个充、放电回路，分别记录充、放电时间，同时采用单片机进行计数和软件滤波。该设计方 法可用于检测电容传感器的微小差分电容。 关键词 差分电容检测 电容充、放电 滤波 中图分类号ＴＨ８６７ ．２ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １０００—３９３２（２０１３）１０—１３２８－０３
硅电容式压力传感器本身电容量很小，因此 传感器受寄生电容和电磁脉冲干扰的问题非常突
出。传统的实现方法功耗大、精度低。笔者采用
ＭＳＰ４３０Ｆ１２３单片机控制模拟开关，利用电容的
充、放电时间随电容量大小变化的原理，结合软件 滤波技术较好地实现了微小差分电容的测量。
１ 检测电路
检测电容的充、放电工作原理如图１所示，当
接通电源后，电压比较器Ｑ，输出高电平，高压侧
电容ｃ 通过Ｒ 充电。当ｃ 上的电压达到比较
器Ｑ 的比较电压时，Ｑ 输出低电平，ｃ 开始放
电完成一次电容的充、放电过程，同时，计数器对
充、放电频率进行记数。这样就可求得低压侧电 容ｃ 和寄生电容ｃ 。然后在ＭＳＰ４３０Ｆ１２３单片
机内对记录的数据进行运算，得到与压差成比例
的数据。
图Ｉ 检测电容充、放电工作原理 微处理器ＭＳＰ４３０ＦＩ２３通过Ｐ１ １和Ｐ１３两管
脚控制模拟开关的分时通断。当接通高压侧电容 时，低压侧电容断开；高压侧电容、电阻Ｒ
（１００ｋｆ￣）和与非门输出端Ｕ７Ａ输出脚构成敏感
电容充、放电通路；当Ｕ７Ａ输出脚电平为高电平
时，充电电流从Ｕ７Ａ输出脚经限流电阻Ｒ 流向