微弱電容測量電路設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

題目微弱電容測量電路設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)電子科學(xué)與技術(shù)二O一四年四月一日程學(xué)院，江蘇南京210044種電子元器件的功能被運(yùn)用在各中領(lǐng)域，適用范圍也求也越來越精確。設(shè)計(jì)個(gè)精確，可靠，便捷的電容測電路由信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生個(gè)方波經(jīng)過電荷信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)還要經(jīng)過全波整流和低清晰的直流電壓信號(hào)，將信號(hào)送到單片機(jī)處理顯組成。晶顯示出來本設(shè)計(jì)除了測量精確外噪聲還比較小ThedesignofCapacitancetesterElectronicandInformationEngineering,NUIST,Nanjing210044,ChinaAbstract:Withthedevelopmentofelectronictechnology,variouselectroniccomponentsusedinthefieldoffunction,scopeofapplicationisalsogettingmoreandmorebroad,measuringsmallcapacitancerequirementsmoreaccurately.Designofaprecise,reliable,andhasgreatrealisticmeaningcapacitancemeasurementcircuitandconvenient.Thecircuitdesignofthemainideaisthechargeamplificationmethod.Circuitcomprisesasignalgeneratingcircuitgeneratesasquarewaveafterthechargewillbeweakcurrentsignalintovoltagesignal.Avoltagesignaltransformedbyfullwaverectifiedandlow-passfiltercircuitforprocessingfinallygettheDCvoltagesignalisverysmooth,tosendasignaltothemicrocontrollerprocessingshowsthecapacitancevalue.Sothecircuitismainlycomposedofachargeamplifier,afullwaverectifier,threemainmodules,low-passfiltering.ThecircuitdesignbyMSP430MCUcontrol,measuretheDCvoltagehecalculatedcapacitanceandtheliquidcrystaldisplayinadditiontothedesignoftheaccuratemeasurementofexteriornoiseisrelativelysmallhavegreatprospectsfordevelopment,thefuturecanbewidelyusedinthefieldofelectricalandelectronictechnology.Keywords：ChargeAmplifier,full-waverectification,lowpassfiltering,MSP430見的易于操作?，F(xiàn)在大多數(shù)用此方法即能滿足需要。然而我們很多時(shí)候需要較為精確的得，干擾電容的變化量大于被測電容的變化量，比變?cè)O(shè)差調(diào)頻法是基于電容-頻率轉(zhuǎn)換的方法來檢測所測電容的。與電橋法相同的是調(diào)頻組成振蕩回路輸出電壓信號(hào)放大器鑒頻器的靈敏度較高，能與微機(jī)直接匹配等。但因?yàn)闇y得的電容是諧振電路的等效運(yùn)放的放大倍數(shù)為α，且輸入阻抗Ω高的特點(diǎn)可以使其作為比較理想的電容測量電路，通常只要α、Ω值不小，沒什么數(shù)值出入，高精確度。整個(gè)檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)是電容檢測電路的非線性且能夠通過虛短虛地對(duì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽，缺點(diǎn)主要是因?yàn)檫\(yùn)放的電源電壓比較低，靈敏度受限制輸出穩(wěn)定性受信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定性及運(yùn)放本身的影勵(lì)源。電荷放大器與普通的運(yùn)放不一樣，因?yàn)殡姾煞糯笃鳈z測電路跟信號(hào)源無關(guān)，交，靈敏度高，分辨率高，此檢測系統(tǒng)需要一個(gè)(1)設(shè)計(jì)用電荷放大器的電容檢測電路；(2)電容測量精度能達(dá)到10pf；(3)用液晶顯示模塊直觀顯示測量結(jié)果；(4)基于MSP430為主控芯片的電容檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。微小電容對(duì)激勵(lì)源輸入信號(hào)變化響應(yīng)很小，要經(jīng)過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)以方便檢測。這就要求信號(hào)源的頻率和幅度波動(dòng)要小，交流電壓信號(hào)還要經(jīng)過全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器得到較為平滑的直流電壓信號(hào)然后經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片得到數(shù)據(jù)送給MCU經(jīng)過計(jì)算得到電容值并通過顯示電路直觀的顯示出來。本文的基本原理是電荷放大法，針對(duì)微小電容測量的的需要，通過對(duì)微弱電容信號(hào)量變化的檢測研究，提出電荷放大器檢測電容方法，并引入了低噪聲信號(hào)調(diào)理概念電路然后將激勵(lì)信號(hào)送到電荷放大模塊，在把電全波整流處理，然后再把交流轉(zhuǎn)換為直流所以還要通過干擾能力直接決定了整個(gè)電容檢測電路的測量的精確，路干擾電容很多，因此我們隊(duì)檢測電路的各項(xiàng)性能xiCxCf參數(shù)的更該而相應(yīng)有響應(yīng)，這樣會(huì)減小檢測電起來比較繁瑣，為了方便分析，電路等效的話，整時(shí)電流都不相干，因而沒有電流能被檢測到。然而所以對(duì)等效電阻阻值的精度要求較高，本設(shè)計(jì)加了反饋電阻的是為了使電容在不停的充放電中集成運(yùn)放不達(dá)到飽和狀態(tài)造成誤差干擾項(xiàng)，其電阻取值通常在MΩ的數(shù)量級(jí)大小，而阻值較大的電阻不穩(wěn)定，很可能產(chǎn)生溫漂，整個(gè)檢測電路系統(tǒng)的抗干擾能力將會(huì)大打折扣。等效12123123我們應(yīng)選用精度較高的電阻與穩(wěn)壓供電。電路系統(tǒng)中電荷放大器性能做的怎么樣將會(huì)此，電荷放大器在電路調(diào)試的時(shí)候一定要將元件的參數(shù)件或改變?cè)骷?shù)，只需雙擊元器件助于檢測錯(cuò)誤的地方，對(duì)后續(xù)的整體的電路設(shè)計(jì)和測試具有重要意義。本設(shè)計(jì)接下來的電路以及之前的電路仿真均采用Multism軟件進(jìn)行仿真。下面的電容檢測電路就是在Multisim軟件下進(jìn)行的電路模擬仿真。仿真的截圖如本設(shè)計(jì)的激勵(lì)源在仿真電路中用模擬信號(hào)發(fā)生器取代，激勵(lì)源需要。在Multisim仿真圖中可以直觀的看出電荷放大電路對(duì)信號(hào)的處理效果。下圖是電荷放大模塊波形在Multisim軟件中模擬示波器下的波形信號(hào)發(fā)生電路是電容檢測系統(tǒng)的重要組成部分之一，本設(shè)計(jì)采用的基本原理是電荷放大器法，而影響其檢測電路結(jié)果最重要的因素就是激勵(lì)信號(hào)源的波形以及信號(hào)的穩(wěn)定性，包括頻率穩(wěn)定性和幅度穩(wěn)定性兩個(gè)方面。信號(hào)波形選擇信號(hào)波形的選擇，主要是方波和正弦波兩種。本設(shè)計(jì)中采用的是正弦波，主要考因?yàn)槠胀ǖ姆讲ㄈ绻盘?hào)頻率較高，經(jīng)過運(yùn)算放大器過后失真度比較大。因?yàn)轭l率分量一直在變化。所以作為信號(hào)源信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)較大的失真，不能選作為信號(hào)波。所以本設(shè)計(jì)選擇了正弦波，正弦波在波形傳輸方面能有效減小波形的失真度，從而提高檢測系統(tǒng)的性能。常見的信號(hào)產(chǎn)生電路按照實(shí)現(xiàn)的原理以及電路需要的不同，正弦波信號(hào)發(fā)生電路主要包括以下幾種：(1)RC振蕩電路要想建立振蕩就是要是電路能產(chǎn)生自激，從而是RC電路產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻惶娓姆较虻慕涣餍盘?hào)。對(duì)于RC振蕩器來說，直流電源就是能量來源?？醋约旱囊蛩兀河捎陔娐分写嬖谠肼暎念l譜分布很廣，其中也包括w=w0=1/RC這樣一個(gè)頻分。這種微弱的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放，不僅輸出的幅度加大，經(jīng)過非線性元件的限制，自動(dòng)穩(wěn)定下來，達(dá)到平衡時(shí)Av=3。振蕩頻率是由相位平衡條f=1/(2πRc)。振蕩器要輸出正弦波，還要求放大器的增益必須滿足起振條件且工作在線性區(qū)，否則不起振，輸出地波形也是非線性失真的。(2)晶體振蕩電路一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的大小分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。較低的頻率輸出是串聯(lián)諧振電路，較高的頻率輸出是并聯(lián)諧振電路。因?yàn)榫w自身的晶體特性致使這兩個(gè)頻率值大小相當(dāng)?shù)慕咏?在這個(gè)極窄的頻率帶寬內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感元件，所以只要晶振電路的兩端并聯(lián)上適當(dāng)?shù)臏p震電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的帶寬很小,所以即使其他元件的參數(shù)的變化對(duì)振蕩器的頻率不(3)鎖相環(huán)頻率合成器電路利用PLL(鎖相環(huán))頻率合成電路控制振蕩器的振蕩頻率。而且能產(chǎn)生較高L(4)直接數(shù)字式頻率合成器夠產(chǎn)生所有的波形信號(hào)。得到的信號(hào)頻率比較高且穩(wěn)定性較好。本設(shè)計(jì)對(duì)于所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)只需要單一穩(wěn)定的頻率信號(hào)，不需要知道具體的頻率值，只要大概在1MHz就能滿足本設(shè)計(jì)的需要。相比RC振蕩器而言頻率在一般情況下，如果電路精度要求不高的電路可以使用RC振蕩頻器和LC振測量。而DDS技術(shù)與數(shù)字頻率合成器中的振幅和頻率穩(wěn)定性相對(duì)于由模擬電路產(chǎn)生的信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生正弦波信號(hào)不具有此設(shè)計(jì)的某些優(yōu)點(diǎn)。鑒于高品質(zhì)的晶體振蕩器對(duì)于環(huán)境因素影響的影響很小，越是頻率搞得電路越需要頻率的穩(wěn)定性要求在很多的高頻信號(hào)電路中多采用晶體振蕩電路作為信號(hào)本設(shè)計(jì)電路中的信號(hào)發(fā)生電路圖如下圖所示：電阻，這里晶體管的發(fā)射極電壓大致設(shè)為，選定即可。在電容之比非常重要，需要選用滿足波形與振蕩強(qiáng)度兩方面圍內(nèi)，電路容易產(chǎn)生振蕩。若要得到良好的波形，則電容穩(wěn)定，可能導(dǎo)致振蕩停止；若要得到振蕩穩(wěn)定的波形，則易失真，為此，需要根據(jù)電路反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇電容電路的頻率穩(wěn)定性很好，長時(shí)間內(nèi)頻率保持不變，但實(shí)際頻率發(fā)生變化，應(yīng)用中要在后面接入一電壓跟隨器。二極管構(gòu)成的整流橋就是最基本的全波整流。入電壓小一個(gè)二極管的壓降，因此也就只能在穩(wěn)壓路。接的整流功能，也是最為常見的整。但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降約為，因此，如果電路的整流效果將受很大影響，且二極管的正向純碎由二極管構(gòu)成的整流電路精度肯定是達(dá)不到，也可以實(shí)現(xiàn)精密全波整流。單電源供電的輸出電阻R=0outVout=Vin輸入電阻R=R1輸出電阻R=0outV=-R2/R1*Vin運(yùn)放在信號(hào)很小時(shí)的非線性特性。而且，單電源跟非線性情況。這些都有可能導(dǎo)致輸入波形的失真。另由上面的介紹與本電路設(shè)計(jì)的電荷放大器后得到的信號(hào)相當(dāng)于就是單電源。需要用運(yùn)算放大器來構(gòu)成的整流電路提供電壓補(bǔ)償，這樣就能夠解決一般二極管整流電路的缺點(diǎn)，可得到較為理想的整流性能，同時(shí)整流電路的溫度特性也被改善了很多。全波整流電路的Multisim仿真本設(shè)計(jì)電路選用ISL55002運(yùn)算放大器作為整流電路的運(yùn)放，該芯片具有300MHz組成，分別負(fù)責(zé)正反方向的放大作用，然后再經(jīng)過文氏整流橋進(jìn)行整流，可以大大減小元件誤差的影響。根據(jù)后面AD轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓特性，電路設(shè)計(jì)的增益選為1，即選用兩個(gè)阻值相等的匹配電阻。綜述級(jí)電路要求，該全波整流電路可以滿足電路整經(jīng)實(shí)際電路測試全波整流后的波形如下圖:可獲得-6dB每倍頻程(-20dB每十倍頻程)的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程(-40dB每十倍頻程)的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階多的諧波處理得到包含待測電容信號(hào)的低頻直流信號(hào)成分z，如果用無源濾波器的話，紋波比較。為了能滿足需要本設(shè)計(jì)電路用的是方便測試濾波效果，本設(shè)計(jì)電路選用二階壓控有zGs2G(s)=Gs2(1)、AIN1(+),AIN1(-),AIN2(+),AIN2(-):模擬輸入引腳。(2)、IOUT1，IOUT2:內(nèi)部激勵(lì)電流源的輸出引腳，通過該引腳提供內(nèi)部激勵(lì)電流(3)、CLK：時(shí)鐘輸入引腳。(4)、：片選輸入端，低電平輸入有效，主要是來控DC的選擇?？赏ㄟ^MCU在串行總線上從多個(gè)器件的電路系統(tǒng)中選擇ADC?？捎猛鈬布⑵渲脼榈碗娖剑笰DC能夠在3線的模式下正常工作，通過SCLK,DIN和DOUT等引腳與外圍器件(5)、SCLK:芯片的串行時(shí)鐘輸入引腳。(6)、DIN:串行的數(shù)據(jù)輸入，主要用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的移位輸入寄存器。T(9)、AV:電源電壓(至)。(10)、GND:接地基準(zhǔn)點(diǎn)。雜，濕度變化明顯且迅速，不U。了德州儀器公司的低功耗單片機(jī)的中斷系統(tǒng)較多，并且可以任意嵌套使用，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低4.系統(tǒng)工作穩(wěn)定當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機(jī)起振器使單片機(jī)開始工作，以保證程序能夠正常開始執(zhí)行，上電復(fù)位結(jié)構(gòu)，使得MSP430系列單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。5.方便高效的開發(fā)環(huán)境MSP430F135單片機(jī)屬于Flash類型的器件，片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和可電擦寫的Flash存儲(chǔ)器，片上資源的應(yīng)用都在集成軟件上同一進(jìn)行，使用方便，芯片便宜。因?yàn)镸SP430F135一般是由直流供電，考慮到主控系統(tǒng)要求供電電源電壓輸出穩(wěn)定且紋波較小，而且要顯示出整個(gè)檢測電路低功耗的優(yōu)勢，供電系統(tǒng)用穩(wěn)壓芯M1117進(jìn)行變壓，且LM1117具有很小的貼片式封裝和的穩(wěn)定電壓輸出，因而能有效地減少電路板的占用面積，其具體電路如圖6-3所示。蕩器。在石英晶體的兩個(gè)極板上加一個(gè)電場，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，對(duì)極板施力使其變形，又會(huì)在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這叫壓電效應(yīng)。如果在兩個(gè)極板交變的電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形震蕩，同時(shí)這種機(jī)械震蕩還會(huì)產(chǎn)生交變的電場(比較的微小)，但是當(dāng)外加交變的電壓的頻率與晶片固有的頻率(由其形狀和振動(dòng)的幅度會(huì)加劇，產(chǎn)生交變電場也增大。外接的16MHz的MSP430F135單片機(jī)的復(fù)位方式大概有有3種模式，即(1)在單片機(jī)的復(fù)位管腳端接上個(gè)幾十K的上拉電阻提供復(fù)位電壓；(2)在(1)的基礎(chǔ)上再接上蓄電電容，電容的一段接地，以保證電路有足夠的時(shí)間復(fù)位；(3)在(2)的基礎(chǔ)上，在上拉電阻路在系統(tǒng)斷電后立即上電。本設(shè)計(jì)電路采用的是第二種換電路如下圖所示:換電路V電路板上，這樣便于系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，其電芯片，利用一個(gè)外部的旁路電容，將輸出的噪聲量級(jí)降運(yùn)放芯片比較多，所以電路的誤差因素較多。為了提高的電流噪聲，本電容檢測系統(tǒng)中需要采用適當(dāng)?shù)霓k法來所以電源最好能使用紋波電壓小的穩(wěn)壓電源。這是減少LT+15V電壓供電，各個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片的電壓轉(zhuǎn)換之的穩(wěn)定性，要接一個(gè)較大的電容來去出電壓的紋合度以及數(shù)據(jù)的線性度較為準(zhǔn)確。路模塊分別接地這樣可以確保整個(gè)電走線路密集的地方。走線盡量不要走斜線，遇到運(yùn)放芯上度點(diǎn)錫，這樣有助于焊錫時(shí)焊錫膏的勻稱。電路系為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測電容的精確度標(biāo)準(zhǔn)，我們最后還需要電容檢測系統(tǒng)的性能分析通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合來分析電路線性度的的情況。主要就是看擬合直線的線量一部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。我分段進(jìn)記記錄序號(hào)信號(hào)頻率(kHz)記錄序號(hào)信號(hào)頻率(kHz)6273849510記記錄序號(hào)信號(hào)幅值(mV)記錄序號(hào)信號(hào)幅值(mV)123456789902899899901898電路各模塊已經(jīng)設(shè)計(jì)完成接下來需要做的就是對(duì)設(shè)計(jì)的這些模塊的性能進(jìn)行測試分析。檢測系統(tǒng)能否滿足設(shè)計(jì)的要求。敏度基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)要求，誤差最饋電容接近的電容值時(shí)，測量結(jié)果非常準(zhǔn)確而且沒有波動(dòng)。這就說明測量不同。及數(shù)據(jù)的分析得出該電路的抗干擾性能較兩個(gè)淺綠色電容分別是待測電容和反饋電容，程序里暫只設(shè)了兩個(gè)反饋電容100pf和本設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于微小電容對(duì)激勵(lì)源輸入信號(hào)變化響應(yīng)非常微弱，本文提出的電荷放大法從仿真電路可以看出有效精確的測量到了微弱電容的變化。因?yàn)榧釉诖郎y電容上的激勵(lì)源要經(jīng)過一系列的處理，才能捕獲到我們想要的電